能源行業(yè)光伏逆變器標準解讀

/機械工業(yè)北京電工技術經濟研究所　果巖　上海電器設備檢測所　郭鑫鑫/

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能源行業(yè)光伏逆變器標準解讀

/機械工業(yè)北京電工技術經濟研究所果巖上海電器設備檢測所郭鑫鑫/

標準是產品質量好壞的依據(jù)，適用于逆變器設計、生產及檢驗的全過程，標準的合理使用和貫徹有助于光伏逆變器產品的質量提升。

0　引言

我國光伏儲量豐富，與風電等受地域條件影響較大的可再生能源相比，光伏發(fā)電更加便捷和高效，使之成為推動我國清潔能源的發(fā)展主要方式之一。國家能源局數(shù)據(jù)顯示，截至2015年底，我國光伏發(fā)電累計裝機容量4318萬kW，成為全球光伏發(fā)電裝機容量最大的國家。

具有將直流轉換為交流功能的光伏逆變器是光伏發(fā)電的核心電氣設備之一。而光伏逆變器的質量直接關系著光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和發(fā)電效率，是保障電能質量，實現(xiàn)光伏電站接入網的關鍵。

能源行業(yè)標準NB/T 32004—2013《光伏發(fā)電并網逆變器技術規(guī)范》于2013年3 月7日發(fā)布，2013年8月1日實施，該標準規(guī)定了光伏（PV）并網系統(tǒng)所使用逆變器的產品類型、技術要求及試驗方法，適用于連接到PV源電路電壓不超過直流1500V，交流輸出電壓不超過1000V的光伏逆變器。該項標準自發(fā)布實施以來，受到了行業(yè)廣泛關注，并成為了我國光伏并網逆變器標準檢測認證的主要依據(jù)。據(jù)了解，2015年，國家質檢總局將該標準作為其針對光伏并網逆變器產品的質量監(jiān)督抽查的依據(jù)標準，開展了國內首次該類產品的國抽工作。

1　標準編制背景及過程簡介

國內光伏發(fā)電行業(yè)近幾年迅猛發(fā)展，取得了一定的成績，但是暴露出的一些問題，特別是設備質量和可靠性問題，給電網安全帶來一定程度的隱患，其中光伏逆變器標準的缺失，對逆變器的質量評價、技術提升，甚至是我國并網光伏發(fā)電市場的發(fā)展造成了不利影響。對此，國家能源局下達了《2009年第二批能源領域行業(yè)標準制（修）訂計劃》（國能科技［2010］14號），該項標準計劃項目由中國電器工業(yè)協(xié)會負責組織，以上海電器設備檢測所為主要起草單位，包括陽光電源、正泰電源、特變電工、鑒衡認證中心、中國質量認證中心等單位共同參與編制，標準編制歷時兩年后正式發(fā)布實施。

2　標準內容綜述

NB/T 32004—2013《光伏發(fā)電并網逆變器技術規(guī)范》標準章節(jié)包括范圍、規(guī)范性引用文件、術語和定義、逆變器類型、逆變器標識和資料、使用安裝及運輸條件、結構和性能要求、試驗方法、以及檢測規(guī)則。其編寫格式和規(guī)則依據(jù)GB/T 1.1—2009《標準化工作導則 第1部分：標準的結構和編寫規(guī)則》。本文主要介紹使用安裝及運輸條件、結構和性能要求、試驗方法、以及檢測規(guī)則等方面的重點內容。

2.1使用、安裝及運輸條件

本章內容規(guī)定了正常、非正常兩種不同條件下光伏發(fā)電并網逆變器的使用、安裝及運輸條件。正常使用條件下，逆變器周圍的空氣溫度、海拔、大氣條件等方面要求如下：

周圍空氣溫度：確定了戶內及戶外型逆變器周圍空氣溫度范圍取值-25～+60℃（其中帶氣溫調節(jié)裝置戶內型逆變器為0～+40℃、不帶氣溫調節(jié)裝置戶內型逆變器為-20～+40℃、戶外型逆變器為-25～+60℃）；

海拔：安裝地點的海拔不超過1000m。同時規(guī)定，當海拔高于1000m時，逆變器電流容量隨海拔升高將低于規(guī)定值；當高于2000m時，需要考慮空氣冷卻作用和介電強度的下降，進行相應海拔修正；

大氣條件：確定了戶內及戶外型逆變器的相對濕度范圍取值4%～100%（其中帶氣溫調節(jié)裝置戶內型逆變器為5%～85%、不帶氣溫調節(jié)裝置戶內型逆變器為5%～95%、戶外型逆變器為4%～100%，有凝露）；此外，確定了逆變器的污染等級3的環(huán)境適應性。

2.2結構和性能要求及試驗方法

結構和性能要求的內容規(guī)定了結構材料、電擊防護要求、機械防護要求、防火要求、基本功能要求、電能質量要求、電氣保護功能要求、電磁兼容（EMC）要求、功率控制要求、安裝要求等內容。

試驗方法的內容為與“結構和性能要求”所規(guī)定的技術要求的試驗檢測方法一一對應。規(guī)定了試驗環(huán)境條件、逆變器安全性、基本功能驗證、電氣性能、電磁兼容（EMC）、環(huán)境試驗、功率控制、安裝要求等內容。

2.3檢測規(guī)則

本章內容規(guī)定了總則、檢驗分類、測試項目等內容。

檢測分類方面：通過滿足不同的試驗項目的型式試驗來劃分逆變器質量，并進行其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類質量評定。具體規(guī)定如下：

Ⅰ級：逆變器性能達基本使用要求；

Ⅱ級：逆變器應通過所有測試要求（諧波只考核50%額定功率以上，可以不考核MPPT性能）；

Ⅲa級：逆變器應通過所有測試要求，且逆變器轉換效率需達到：不帶隔離變壓器不低于96.5%，帶隔離變壓器的不低于94.5%，測量靜態(tài)MPPT效率，動態(tài)MPPT效率；且三相電壓不平衡度負序電壓不平衡度允許一般不超過1.3%，短時不超過2.6%；樣品諧波需在30%額定功率以上均滿足要求。

Ⅲb級：滿足Ⅲa級評定要求外，增加逆變器在非正常條件下（如高原等，詳見6.2節(jié)）檢驗評定。

檢測項目方面：按照設備安全檢查、基本功能、性能指標、保護、EMC分類、環(huán)境類共6大檢測類型歸納了61項測試項目，其中出廠試驗包括外觀及結構檢查、保護連接、固體絕緣的工頻耐受電壓、額定輸入/輸出、自動開關機、軟啟動、恢復并網、通信功能驗證、防雷、噪聲、光伏方陣絕緣阻抗檢測試驗、光伏方陣殘余電流檢測試驗、轉換效率、諧波和波形畸變、過/欠電壓保護、過/欠頻保護、防孤島效應保護共17項檢測項目。具體分布如表1所示。

表1

3　結構和性能要求及試驗方法的解讀

本章內容按照檢測項目分類為主介紹安全檢查、電性能指標方面的有關內容。上述兩個方面也是本標準的核心內容，其采標情況如表2所示。

表2

3.1安全檢查

產品的安全性是指產品在使用過程中保證安全的程度。關注安全的目的是為了避免由于下列各種危險所造成的人身傷害或財產損失。

（1）電擊防護及試驗

產品的觸電事故大都可以分為直接觸電事故和間接觸電事故。直接觸電事故是指人體觸及正常運行的設備或線路的帶電體造成的觸電事故；間接觸電事故是指人體觸及正常情況下不帶電，而故障時意外帶電的導體而造成的觸電事故，在這種情況下，若觸摸到電器的非帶電部件也會發(fā)生觸電事故。

具體措施方面，直接接觸保護一般可采用絕緣、防護罩、圍欄、安全距離等措施；間接接觸保護一般可采用保護接地（接零）、保護切斷、漏電保護器等措施。

針對絕緣驗證方面，主要包括電氣間隙和爬電距離、沖擊耐壓、工頻耐壓、局部放電、環(huán)境試驗和短路試驗后的耐壓情況等。

（2）防火要求及試驗

本標準中規(guī)定了光伏逆變器不同零部件的防火要求，除金屬、陶瓷材料、玻璃以及已明確安全等級材料外，均需進行防火試驗，見表3。

表3

（3）機械危險及試驗

逆變器可能出現(xiàn)的機械危險：尖銳的棱緣和拐角劃傷人的皮膚；可能潛在地引起危害的運動零部件彈出傷人；設備的不穩(wěn)定而砸傷人；爆裂產生的碎片傷人等。

防機械危險試驗包括穩(wěn)定性試驗、搬運要求以及接線端子等試驗項目。其中穩(wěn)定性試驗規(guī)定：對于落地式逆變器，從正常垂直位置向各個方向傾斜10°；用800N的向下作用力施加在能產生最大力矩的以下位置：所有水平工作面；明顯突出且距離地面小于1m的其他表面。試驗期間，逆變器不應失去平衡。接線端子試驗方面，規(guī)定了機械強度、彎曲、拉出等方面的要求。

3.2電性能指標

電性能是指產品為滿足使用目的所具備的技術特性，即產品在不同目的、不同條件下使用時，其技術特性的適合程度，對逆變器來說，我們將逆變器的電氣性能分為：基本功能、保護功能和電能質量。

（1）基本功能

規(guī)定了包括基本輸入/輸出功能、軟啟動、恢復并網、通訊功能、效率等方面項目。其中，效率分為最大功率點跟蹤（MPPT）效率和轉換效率。最大功率點跟蹤效率是根據(jù)不同的輻照強度和組件溫度，保證從光伏方陣中得到最大的功率輸出；轉換效率是有效地將可利用的直流功率轉換為交流功率。其具體的測量方法在標準中引用了資料性附錄明確了計算方法

（2）保護功能

規(guī)定了包括過欠電壓保護、過欠頻保護、相序和極性誤接、短路保護、反放電保護、孤島保護、低電壓穿越、操作過電壓等項目。

其中孤島效應是指電網失壓時，并網系統(tǒng)仍保持對失壓電網中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)，可能對整個配電系統(tǒng)設備及用戶端的設備造成不利的影響，比如：危害輸電線路維修人員的安全；影響配電系統(tǒng)上的保護開關的動作程序等。標準中規(guī)定了若逆變器并入的電網供電中斷，逆變器應在2s內停止向電網供電，同時發(fā)出警示信號。同時，為了防止防孤島效應與低電壓穿越在同一時間內的操作沖突，標準按照10kV和35kV所滿足上述功能的單一性，即10kV及以下電壓等級配電網，應具有防孤島效應保護功能；35kV及以上電壓等級電網，應具備電網支撐能力。

（3）電能質量

規(guī)定了包括諧波、直流分量、三相不平衡度、功率因數(shù)等項目。諧波方面規(guī)定了逆變器運行時，注入電網的電流諧波總畸變率限值為5%，奇、偶次諧波電流含有率滿足標準要求。三相不平衡度規(guī)定了引起該點負序電壓不平衡度允許一般不超過1.3%，短時不超過2.6%。功率因數(shù)規(guī)定了當逆變器輸出有功功率大于其額定功率的50%時，功率因數(shù)應不小于0.98（超前或滯后），輸出有功功率在20%～50%之間時，功率因數(shù)應不小于0.95（超前或滯后）。

4　建議

標準是產品質量好壞的依據(jù)，適用于逆變器設計、生產及檢驗的全過程，標準的合理使用和貫徹有助于光伏逆變器產品的質量提升。在標準實施過程中，也需要相關逆變器生產廠商關注以下幾點：

一是依據(jù)標準在現(xiàn)有企業(yè)工藝生產水平基礎上制定標準化的生產工藝。各個生產環(huán)節(jié)編制合理的符合企業(yè)生產能力的工藝文件來指導逆變器生產，一來可以保證生產出來的逆變器性能質量的一致性，并且可以降低成本，提高生產效率。

二是制定合適的原材料標準，選好外購件及外協(xié)生產廠家。由于逆變器中使用的關鍵核心器件IGBT、電容、電感、開關等大多元器件均來自外購，多數(shù)企業(yè)采用組裝配套來形成新產品，因此所用外購件、外協(xié)件的質量問題就顯得非常重要。對外購件、外協(xié)生產廠進行必要的質量能力保證調查，采用到貨進行抽樣檢查等手段保證關鍵器件的質量。

三是提高全員的質量意識。對員工進行質量意識的培訓，讓員工了解質量的重要性。成立質量監(jiān)督小組監(jiān)督產品生產、檢測等包括對來料的檢查。

此外，本標準在使用過程中，根據(jù)行業(yè)和市場反映，內容尚未明確規(guī)定“產品類型”、“靜態(tài)最大功率點跟蹤效率”、“動態(tài)最大功率點跟蹤效率”、“諧波和波形畸變”等方面，現(xiàn)階段光伏逆變器產品技術進步和產業(yè)發(fā)展情況，在一定程度上影響了該標準的應用。建議下一步由標準化主管部門或標準化技術委員會組織光伏制造企業(yè)、檢測認證機構、光伏發(fā)電用戶等單位開展標準的修訂完善工作，進一步鞏固標準在光伏逆變器技術創(chuàng)新和質量提升的基礎作用。