光伏并網(wǎng)逆變器戶外實證性測試技術(shù)初探*

劉小平，王麗娟，王炳楠，郭 斌

（寧夏新能源研究院（有限公司），寧夏 銀川 750021）

光伏并網(wǎng)逆變器戶外實證性測試技術(shù)初探*

劉小平?，王麗娟，王炳楠，郭 斌

（寧夏新能源研究院（有限公司），寧夏 銀川 750021）

光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個電站的發(fā)電效率。目前，逆變器的性能檢測基本上都是在標(biāo)準(zhǔn)實驗室環(huán)境下進(jìn)行的，缺乏實際發(fā)電運(yùn)行環(huán)境下的性能檢測。本文針對逆變器在實際運(yùn)行環(huán)境中存在的問題，構(gòu)建了光伏并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)檢測平臺，提出了逆變器戶外測試方案。實驗表明，該測試平臺可實現(xiàn)對光伏逆變器實際性能指標(biāo)的檢測與分析，具有較好的合理性和有效性，可以用于光伏并網(wǎng)逆變器的戶外實證性測試。

光伏并網(wǎng)逆變器；發(fā)電效率；性能檢測；實驗室環(huán)境；戶外實證性測試

0 引 言

隨著我國政府對光伏產(chǎn)業(yè)支持力度的不斷增大，光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外各光伏逆變器廠家推出了種類繁多的光伏逆變器。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵性的部件，其綜合性能關(guān)系到光伏系統(tǒng)的利用率、可靠性和供電質(zhì)量。目前國內(nèi)光伏逆變器綜合性能測試平臺的主要技術(shù)方案是：利用電力電子變流技術(shù)模擬光伏電池陣列輸出，即用光伏電池陣列模擬器作為試驗電源，使得光伏逆變器的測試可以很方便地在實驗室中完成[1-4]。但是，這種在實驗室進(jìn)行的測試是在特定的實驗環(huán)境、電網(wǎng)條件下進(jìn)行的，同時電池陣列模擬器僅能進(jìn)行離散負(fù)載點的模擬，而逆變器實際運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，它的性能經(jīng)常會受到陽光強(qiáng)度、溫度、電網(wǎng)質(zhì)量、調(diào)度控制、其它發(fā)電設(shè)備等綜合因素的影響，這些都是在實驗室環(huán)境下無法模擬出來的。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗，即使是經(jīng)過實驗室認(rèn)證的產(chǎn)品，在實際使用過程中還會出現(xiàn)各種問題，如：逆變器在并網(wǎng)及離網(wǎng)時存在頻繁的跳機(jī)現(xiàn)象，當(dāng)天氣發(fā)生變化時逆變器輸出功率響應(yīng)出現(xiàn)延遲，實驗室最大轉(zhuǎn)化效率及歐洲效率與實際轉(zhuǎn)換效率不符等，這些問題都影響了電站的發(fā)電量。因此，有必要在逆變器實際運(yùn)行環(huán)境下，研究、測試光伏逆變器真實性能，保證測試結(jié)果接近真實情況。

本文針對逆變器在戶外使用過程中出現(xiàn)的問題，展開對逆變器戶外測試方法的研究，并通過部分測試實例，驗證測試技術(shù)方法的合理有效性。

1 逆變器戶外測試技術(shù)

1.1 逆變器戶外檢測平臺總體設(shè)計方案

逆變器戶外檢測平臺依托寧夏某330 kW光伏試驗電站搭建。系統(tǒng)主要包括：光伏發(fā)電系統(tǒng)、測試設(shè)備和綜合分析系統(tǒng)。其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能光伏陣列、光伏防雷匯流箱、并網(wǎng)逆變器、變壓器、電網(wǎng)等部分；測試設(shè)備包括功率分析儀、電能質(zhì)量分析儀、萬用表、氣象站等；綜合分析系統(tǒng)對采集到的電站運(yùn)行信息及逆變器測試信息進(jìn)行分析處理，對逆變器在實際運(yùn)行環(huán)境下的性能進(jìn)行評價。其總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 逆變器測試平臺總體設(shè)計方案Fig. 1 The general design scheme of the testing platform

本平臺具有光伏并網(wǎng)逆變器在實際運(yùn)行工況下的檢測能力，測試項目包括：檢測逆變器跟蹤太陽輻照度的性能、轉(zhuǎn)換效率、輸出電能質(zhì)量（電流諧波）、功率因數(shù)、輸出電壓穩(wěn)定度、軟啟動、通訊功能、自動開/關(guān)機(jī)等[5,6]。

1.2 逆變器綜合分析系統(tǒng)

綜合分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、串口服務(wù)器及相關(guān)的總線設(shè)備構(gòu)成，是采用LabVIEW、QT等軟件工具開發(fā)得到的測試分析系統(tǒng)。

在實際測試時，綜合分析系統(tǒng)可以根據(jù)具體實驗要求對測試設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，自動采集和分析數(shù)據(jù)，記錄相關(guān)波形，對所有參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，在測試過程結(jié)束后，對整個實驗過程中所獲取的相關(guān)信息進(jìn)行計算、分析，從而得出實驗結(jié)果，最終根據(jù)各項實驗結(jié)果對被測逆變器在實際運(yùn)行環(huán)境中的性能進(jìn)行綜合評價。

1.3 逆變器戶外測試方案

1.3.1 逆變器跟蹤太陽輻照度的性能測試

當(dāng)氣象參數(shù)如太陽輻照度發(fā)生急劇波動時，不同的逆變器會對該種現(xiàn)象做出的響應(yīng)不同：隨太陽輻照度變化趨勢而產(chǎn)生功率震蕩，或是保持相對穩(wěn)定的功率輸出，從而對元器件產(chǎn)生沖擊甚至跳機(jī)，這將降低逆變器穩(wěn)定運(yùn)行的性能，并最終影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。測試原理如圖2所示。

圖2 逆變器跟蹤太陽輻照度的性能測試原理圖Fig. 2 Schematic diagram of tracking solar irradiance of inverter

氣象監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測太陽輻照度變化情況，功率分析儀及電能質(zhì)量分析儀監(jiān)測逆變器的功率、波形及電能質(zhì)量，逆變器綜合分析系統(tǒng)分析和評價太陽輻照度變化和功率波形之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上分析逆變器對氣候變化的響應(yīng)性能，并做出該項性能優(yōu)劣的判定。

1.3.2 轉(zhuǎn)換效率試驗

逆變器的轉(zhuǎn)換效率是其交流側(cè)輸出功率和直流側(cè)輸入功率的比值。

在實際中，對用戶和研究人員來說更有意義的是歐洲效率，它是一種加權(quán)轉(zhuǎn)換效率，是對一天之內(nèi)轉(zhuǎn)換效率的加權(quán)平均值：

式中，ηi%是逆變器i%額定輸出功率下的轉(zhuǎn)換效率[7]。在實際測試中，記錄每個功率點處的轉(zhuǎn)換效率，ηi%取滿足計算要求對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率，其測試電路如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)換效率測試原理圖Fig. 3 Schematic diagram of efficiency test of invert

功率分析儀實時監(jiān)測逆變器的功率，計算轉(zhuǎn)換效率，逆變器綜合分析系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行計算、分析和評價。

1.3.3 諧波測試

逆變器額定功率運(yùn)行時，注入電流諧波總畸變率限值為5%，其他負(fù)載情況下運(yùn)行時，逆變器注入電網(wǎng)的各次諧波電流值不得超過額定功率運(yùn)行時可接受的各次諧波電流值[8]。

電流諧波測試電路見圖4，奇、偶次諧波電流含有率限值見表1。

電能質(zhì)量分析儀實時監(jiān)測逆變器諧波情況，最后將存儲的諧波數(shù)據(jù)發(fā)送給逆變器綜合分析系統(tǒng)，逆變器綜合分析系統(tǒng)對諧波進(jìn)行分析和評價。

圖4 并網(wǎng)諧波測試原理圖Fig. 4 Schematic diagram of grid-connected harmonic

表1 奇、偶次諧波電流含有率限值Table 1 The harmonic ratio of current limit

1.3.4 功率因數(shù)測試

逆變器輸出有功功率大于額定功率的50%時，功率因數(shù)不小于0.98（超前或滯后），輸出功率在20%～50%時，功率因數(shù)不小于0.95（超前或滯后）[9]。測試電路采用圖3所示電路。

1.3.5 輸出電壓穩(wěn)定度

輸出電壓穩(wěn)定度是表征逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。多數(shù)逆變器產(chǎn)品給出的是當(dāng)輸入直流電壓在允許波動范圍內(nèi)，該逆變器輸出電壓的偏差百分?jǐn)?shù)，通常稱為電壓調(diào)整率。高性能的逆變器應(yīng)同時給出當(dāng)負(fù)載由0%向100% 變化時，該逆變器輸出電壓的偏差百分?jǐn)?shù)，通常稱為負(fù)載調(diào)整率。性能良好的逆變器的電壓調(diào)整率應(yīng)不大于 ±3%，負(fù)載調(diào)整率應(yīng)不大于 ±6%。

1.3.6 軟啟動

逆變器在啟動運(yùn)行時，輸出功率緩慢增加，輸出功率變化率可調(diào)，輸出電流無沖擊現(xiàn)象。測試電路如圖3所示[10]。

2 檢測實例

2014年3月，對國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的三相10 kW逆變器進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，此次試驗的內(nèi)容包括：逆變器氣象響應(yīng)性能測試、逆變器并網(wǎng)適應(yīng)性測試、轉(zhuǎn)換效率等性能測試。

2.1 逆變器跟蹤太陽輻照度的性能測試

一日內(nèi)光伏電站輸出功率與太陽輻照度趨勢見圖5。由圖看出，輻照度在9:06時刻附近變化幅度比較劇烈，此時，在輻照急劇下降后，逆變器并未隨之出現(xiàn)震蕩或跳機(jī)，輸出功率變化較為平穩(wěn)，隨后其變化趨勢基本與太陽輻照度變化趨勢一致，由此判定該逆變器對天氣突變的響應(yīng)性能較為優(yōu)秀。

圖5 逆變器輸出功率與輻照度變化趨勢曲線Fig. 5 Changing curve of output power of inverter and solar irradiance

2.2 逆變器轉(zhuǎn)換效率測試

測試逆變器直流側(cè)輸入功率及交流側(cè)輸出功率值，計算轉(zhuǎn)換效率，測試結(jié)果見圖6?？芍孀兤髯畲筠D(zhuǎn)換效率為93.5%，此時輻照度為787.95 W/m2、溫度為6℃、風(fēng)速為2.16 m/s、濕度為23.33%。

圖6 逆變器轉(zhuǎn)換效率曲線Fig. 6 Efficiency curve

由此數(shù)據(jù)可以判定逆變器最大效率和歐洲效率均比產(chǎn)品說明書中的最大效率（94%）和歐洲效率（93%）低。

2.3 諧波測試

按照圖4搭建實驗平臺，啟動逆變器，使其在額定功率條件下（100%）運(yùn)行，用電能質(zhì)量分析儀測量并記錄并網(wǎng)點各相的電流諧波總畸變率以及各次諧波電流含有率。電流的諧波含有率如表2所示。

表2 電流諧波含有率Table 2 The harmonic ratio of current

2.4 功率因數(shù)測試

按圖3將實驗線路圖接好，逆變器輸出額定功率為小于50%（取30%）、等于50%、大于50%（取70%）時，觀察功率分析儀中功率因數(shù)示值，結(jié)果如圖7所示。將圖7的功率因數(shù)波形與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]進(jìn)行比較，結(jié)果表明被檢逆變器符合規(guī)范要求。

圖7 不同負(fù)載點逆變器功率因數(shù)波形Fig. 7 The power factor at different inverter load levels

2.5 測試評價

綜合以上測試結(jié)果，對被測逆變器的系統(tǒng)性能做出以下評價：（1）在天氣、電網(wǎng)等正常的條件下，該逆變器每天開啟或關(guān)閉次數(shù)各為2次；（2）逆變器跟蹤太陽輻照度性能良好；（3）實際運(yùn)行中測出的最大效率（93.5%）和歐洲效率（87%）均低于產(chǎn)品使用手冊所示效率；（4）電能質(zhì)量符合要求；（5）功率因數(shù)符合要求；（6）輸出電壓穩(wěn)定度符合要求；（7）軟啟動性能良好。

3 結(jié) 論

光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵性的部件，其綜合性能對電力用戶和電力系統(tǒng)都有著十分重要的影響。本文從闡述了光伏并網(wǎng)逆變器實證性測試平臺的結(jié)構(gòu)及功能，提出了逆變器戶外測試方案，并針對逆變器檢測實例進(jìn)行了分析，實踐證明，該平臺具備測試逆變器在實際運(yùn)行工況下性能的能力，這對于光伏電站開發(fā)商、逆變器廠家和研發(fā)機(jī)構(gòu)具有重要的參考價值。

[1] 蘇建徽,余世杰,趙為,等. 數(shù)字式太陽電池陣列模擬器[J]. 太陽能學(xué)報,2002,23(1): 111-114.

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[9] CGC/GF001: 400V以下低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)要求和試驗方法[S]. 2009.

[10] GB/T 20046-2006,光伏(PV)系統(tǒng)接口特性[S]. 2006.

Preliminary Study on Outdoor Testing Technology of Photovoltaic Grid-connected Inverter

LIU Xiao-ping,WANG Li-juan,WANG Bing-nan,GUO Bin
(Ningxia New Energy Institute (Co.,Ltd.),Ningxia Yinchuan 750021,China)

Photovoltaic grid-connected inverter is the core component of photovoltaic power system,which performance directly affects power generation efficiency of the whole power station. At present,the inverter performance test is usually operated under the standard laboratory condition,but it is short of real-time and real-environment testing condition. Aiming at the problems of inverter existing in practical operating,a detection platform of grid-connected inverter is constructed,and testing scheme for inverter existing in practical operating is proposed. The results show that actual performance index of photovoltaic inverter can be detected and analyzed,which is reasonable and effective,and can be used in outdoor testing techniques for photovoltaic grid connected inverter.

photovoltaic grid-connected inverter; power generation efficiency; performance test; laboratory condition; outdoor testing techniques

TK514；TM464

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.006

2095-560X（2015）01-0033-05

劉小平（1982-），女，碩士，工程師，主要從事光伏發(fā)電系統(tǒng)集成、測試技術(shù)研究。

2014-10-11

2014-12-19

寧夏回族自治區(qū)新能源科技專項

? 通信作者：劉小平，E-mail：liuxiaoping06048@163.com