分布式光伏家用小型并網(wǎng)逆變器的實(shí)際運(yùn)行研究

胡海安，管宇翔，袁 斌

(1.蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004； 2.江陰復(fù)睿新能源電力有限公司，江蘇 江陰 214443)

分布式光伏家用小型并網(wǎng)逆變器的實(shí)際運(yùn)行研究

胡海安1，管宇翔2，袁 斌2

(1.蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004； 2.江陰復(fù)睿新能源電力有限公司，江蘇 江陰 214443)

通過分析蘇州某辦公樓屋頂搭建的9 kW光伏電站5月份氣象數(shù)據(jù)及發(fā)電數(shù)據(jù)，研究小型家用逆變器的效率與氣象環(huán)境的關(guān)聯(lián)度，給出二者間的聯(lián)系及影響程度分析。結(jié)合家用逆變器實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果，為將來大規(guī)模分布式電站運(yùn)用提供準(zhǔn)確堅(jiān)實(shí)的參考依據(jù)。通過驗(yàn)證和分析，認(rèn)為外部電源失去后，在小型家用光伏系統(tǒng)中，應(yīng)以逆變器的保護(hù)為主，使用反孤島設(shè)備并非最優(yōu)選擇。

家用逆變器；效率；環(huán)境關(guān)聯(lián)度；分布式光伏

0 引言

隨著國家對分布式新能源發(fā)電的大力支持，近年來，太陽能、風(fēng)能、燃料電池等分布式能源越來越受到重視，特別地隨著太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展，并網(wǎng)逆變器得到了大規(guī)模的運(yùn)用。當(dāng)前，小型的家用光伏電站也開始被人們接受，更多小功率的逆變器進(jìn)入家庭、企業(yè)[1-2]。相對于傳統(tǒng)的大型電站使用的大功率逆變器，小型組串式逆變器的運(yùn)行情況及實(shí)際效率還沒有長久運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)積累，各項(xiàng)保護(hù)及逆變效率也僅僅停留于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的測試；為了評估實(shí)際情況下的小型并網(wǎng)逆變器的效率及安全穩(wěn)定性，跟蹤建設(shè)并運(yùn)行維護(hù)建于蘇州地區(qū)的一處9 kW屋頂光伏電站，通過詳細(xì)縝密的實(shí)踐研究，對小型并網(wǎng)逆變器的各項(xiàng)保護(hù)功能進(jìn)行測驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境測試儀，對更適合江南地區(qū)的最大功率追蹤原理的逆變器[3-5]的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析，以此得出可靠的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及結(jié)論。

1 概況

圖1 光伏試驗(yàn)電站Fig.1 PV experimental power station

2014年，在蘇州某公司辦公樓屋頂建造了一座容量為9 kW的分布式光伏試驗(yàn)電站。該試驗(yàn)電站的實(shí)景如圖1所示。該試驗(yàn)平臺在屋頂鋪設(shè)了36 塊250 W的太陽能光伏發(fā)電組件，經(jīng)逆變器后直接輸出3個220 V單相的交流電，然后按相別接入至用戶側(cè)三相配電箱，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。該光伏試驗(yàn)電站使用的是容量為3 kW的某常見型號逆變器，整個光伏系統(tǒng)配備了0.1級的智能儀表測量設(shè)備，記錄光伏電站的發(fā)電量、輸出電流、電壓等電參量。

本文將重點(diǎn)從3個方面研究家用逆變器的運(yùn)行狀況，分別是家用小型逆變器的效率、家用小型逆變器的發(fā)電量與環(huán)境關(guān)聯(lián)度、家用小型逆變器的保護(hù)功能。本試驗(yàn)平臺搭建于江蘇省蘇州市，為考慮環(huán)境因素的影響，在光伏項(xiàng)目建設(shè)地加裝一套小型氣象站，采集當(dāng)?shù)毓庹蛰椛淞康葰庀笮畔?。因此該光伏電站有較為全面的運(yùn)行監(jiān)測功能，所記錄的發(fā)電量及氣象數(shù)據(jù)能比較全面地反應(yīng)蘇州地區(qū)的情況，為該地區(qū)家用并網(wǎng)逆變器的大規(guī)模運(yùn)用打下牢固理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。同時，也能為氣候光照相近的以蘇州為代表的其他江南地區(qū)一帶的家用逆變器運(yùn)用運(yùn)行提供有益參考。

2 家用逆變器的效率研究

眾所周知，逆變器是將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的功率設(shè)備，如同其他同類型產(chǎn)品，功率輸出的效率及穩(wěn)定性決定著逆變器的性能好壞[4]。作為使用方，自然是希望逆變器的效率達(dá)到100%，但實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域無法達(dá)到。當(dāng)前逆變器的研究技術(shù)日新月異，廠商將轉(zhuǎn)化效率作為產(chǎn)品的一大宣傳亮點(diǎn)，宣稱逆變器的效率可達(dá)97%甚至98%，最大功率跟蹤原理的逆變器效率更是達(dá)到99.5%。作為使用方，看到如此之高的效率自然也會認(rèn)為使用這種逆變器是明智之舉，然而，根據(jù)逆變器檢測標(biāo)定的流程，這些數(shù)據(jù)都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行檢測的，在實(shí)際使用中的真正情況人們不得而知。

為了了解這一情況，通過1個月不間斷的數(shù)據(jù)采集，分別搜集了蘇州地區(qū)5月份的光伏電站的發(fā)電數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)，依次驗(yàn)證得出逆變器實(shí)際使用時的真正效率。表1為蘇州地區(qū)5月份的氣象數(shù)據(jù)。

光伏電站各單相發(fā)電數(shù)據(jù)由監(jiān)控主機(jī)完成，記錄包括直流端電流電壓、交流端電流電壓、功率、功率因數(shù)等。記錄時間間隔為5 min。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得出逆變器的轉(zhuǎn)化效率與交流輸出功率的關(guān)系，如圖2所示。

5月2日氣象情況：天氣晴，最高溫度29 ℃，最低溫度16 ℃，最大瞬時輻照度986 W/m2，累計(jì)輻射量24.6 MJ/m2。其作為蘇南地區(qū)春夏季節(jié)平均氣象環(huán)境比較具有代表性。當(dāng)日單臺逆變器最大功率2 300 W，達(dá)到77%出力；大部分時間逆變器功率保持在2 000 W左右，出力為最大功率的60%。從圖2中也可以看出：輸入功率小的情況下，轉(zhuǎn)化效率更高；當(dāng)輸出功率穩(wěn)定在2 000 W時，逆變器的真實(shí)轉(zhuǎn)化效率也穩(wěn)定在70%左右。

表1 氣象系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

圖2 逆變器輸出功率及其轉(zhuǎn)化效率Fig.2 Output power and conversion efficiency of inverter

根據(jù)大數(shù)據(jù)結(jié)果分析，綜合蘇州地區(qū)5月份30天的氣象發(fā)電數(shù)據(jù)，去除陰雨天與極端天氣，繪制出功率與逆變器效率的散點(diǎn)圖如圖3所示。

圖3 逆變器效率與輸出功率的散點(diǎn)圖Fig.3 Point picture of efficiency and output power of inverter

由圖3可知：逆變器的效率在70%～80%之間波動，在較低功率時(300～600 W)逆變器的效率相對較高，為75%以上；隨著功率的提升，逆變器效率穩(wěn)定在72%左右。因此，從現(xiàn)場的運(yùn)用實(shí)際來看，家用小型逆變器的效率并非如某些廠家所宣稱的那樣能夠達(dá)到98%。實(shí)際運(yùn)用中，逆變器大部分時間并不能處于滿發(fā)狀態(tài)，70%～80%屬于實(shí)際應(yīng)用中較為理想的一個效率范圍，而98%的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定數(shù)據(jù)對于實(shí)際發(fā)電量的測算所顯示的參考意義沒有預(yù)想中大。在用戶基本經(jīng)濟(jì)性測算中，應(yīng)該優(yōu)先考慮逆變器在70%的平均轉(zhuǎn)化效率，從而使整個系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)。

3 逆變器功率輸出與環(huán)境的關(guān)聯(lián)度研究

分布式光伏作為國家大力發(fā)展的新能源，有著清潔、環(huán)保、無污染的優(yōu)勢，而制約其發(fā)電效果的一項(xiàng)不可控因素是光照、輻射量等環(huán)境因素；人們對于光伏發(fā)電的一般認(rèn)識停留在陽光越好發(fā)電量越多、陰雨天無法發(fā)電的層面；而事實(shí)上是否如此，下文將以3 kW的單相逆變器作為獨(dú)立的研究對象，以詳盡的數(shù)據(jù)予以分析說明。

3.1 單日的逆變器功率研究

首先研究逆變器單日的功率走向，取5月12日、5月21日及5月30這3個典型氣象日的數(shù)據(jù)作為研究對象。5月12日蘇州地區(qū)天氣多云轉(zhuǎn)晴，溫度17.1～27.1 ℃，有短暫陣雨；5月21日天氣晴轉(zhuǎn)多云，氣溫20～30 ℃；5月30日天氣晴轉(zhuǎn)多云，氣溫23～35 ℃；屬于蘇南地區(qū)春夏之交較為常見的天氣。光伏電站在3天內(nèi)的功率曲線圖如圖4所示。

圖4 功率輸出波形Fig.4 Output power waveform

由圖4可知：光伏電站自早晨5:00以后開始發(fā)電，晚上6:30左右結(jié)束發(fā)電，單日總發(fā)電時長約為13 h；去除較低功率時段，取逆變器1 500 W以上為有效發(fā)電時間，則單日逆變器的實(shí)際發(fā)電時長約為8 h；取逆變器2 000 W以上為高效發(fā)電時長，則單日逆變器的經(jīng)濟(jì)發(fā)電時長約為4～5 h。

經(jīng)安裝于電站并網(wǎng)端的電度表測算，5月12日、5月21日及5月30日的日發(fā)電量分別為49.53、44.17及52.8 kW·h。

另外，從圖4(a)中還可看出：當(dāng)天10:00—14:00，輸出功率發(fā)生了較大波動，顯然此時環(huán)境溫度波動并不大?？梢姡h(huán)境溫度與輸出的關(guān)系并不明顯，或者說這兩者之間并沒有顯著的同向變化關(guān)系。

3.2 特殊天氣光伏電站的影響

在蘇州地區(qū)5月份，影響電站功率輸出的主要天氣為陰天和雨天。下文選擇了5月17日(陰天)、5月10(中雨轉(zhuǎn)陣雨)2個典型氣象日，在圖5中分別給出了陰天、雨天時光伏電站的功率曲線圖。

圖5 功率曲線圖Fig.5 Power curve waveform

圖5中，由于陰雨天氣的影響，單臺3 kW的逆變器輸出功率保持在200～300 W，整個9 kW光伏電站的單日發(fā)電量為6.7 kW·h(5月17日)及4.2 kW·h (5月10日)，下降至晴天的10%，但仍有發(fā)電量。

4 家用逆變器的保護(hù)功能

小型的光伏電站作為家用發(fā)電設(shè)備，安全性成為用戶選擇逆變器等關(guān)鍵設(shè)備的重要考慮因素[5]。就目前市場上所銷售的逆變器而言，所有經(jīng)過國家及其授權(quán)專業(yè)檢測的產(chǎn)品都具有防孤島保護(hù)及零電壓穿越的能力。

防孤島保護(hù)要求，公共電網(wǎng)中的發(fā)電裝置，在電網(wǎng)斷電的情況下，光伏發(fā)電裝置應(yīng)能檢測到公共電網(wǎng)的失壓狀態(tài)，會自動切斷逆變器的輸出，停止向公共電網(wǎng)輸送電量。

由此可見，在電網(wǎng)斷電時，逆變器如若不能及時斷開連接，停止發(fā)電，則會對電網(wǎng)的用電設(shè)備、維修人員造成許多不確定的意外傷害。為了防止這種情況發(fā)生，通常小型的逆變器都通過主動擾動法與被動檢測法相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)防孤島保護(hù)：當(dāng)電網(wǎng)端斷電時，逆變器的輸出端接觸器在0.2 s內(nèi)立即斷開，使光伏電站不再輸出功率，保持在待機(jī)狀態(tài)，直到電網(wǎng)端恢復(fù)正常，逆變器重新接入電網(wǎng)發(fā)電。

經(jīng)功能測試，通過多次模擬上級電源失電的情況下，本試驗(yàn)電站所使用的3臺容量為3 kW的逆變器均能自動停止功率輸出，符合要求。用戶在平時使用時，無需額外加裝低壓保護(hù)設(shè)備，當(dāng)經(jīng)歷停電事故后逆變器亦能自動回復(fù)工作狀態(tài)，繼續(xù)向電網(wǎng)送電。

當(dāng)前，市場上有各類反孤島設(shè)備的開發(fā)使用，目的在于在負(fù)荷匹配的特設(shè)情況下，逆變器的防孤島保護(hù)可能失靈，投入反孤島設(shè)備，避免小型光伏電站非計(jì)劃孤島運(yùn)行。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，可知在家用光伏電站中，逆變器孤島運(yùn)行的概率極低，目前的一些反孤島裝置保護(hù)動作后，仍然需要借助逆變器的保護(hù)功能來實(shí)現(xiàn)最后的功率輸出閉鎖。因此，在家用或小型光伏電站中，沒必要增設(shè)反孤島設(shè)備；否則在安全性提高不大的情況下，增加了一次性經(jīng)濟(jì)投入，降低了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

本文詳盡分析了蘇南地區(qū)家用小型逆變器在各種天氣情況及環(huán)境條件的效率及發(fā)電量，為小型光伏電站在江南地區(qū)的規(guī)?；\(yùn)用提供了扎實(shí)的實(shí)際數(shù)據(jù)及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治鼋Y(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析可以得出：實(shí)際運(yùn)用中小型光伏逆變器的轉(zhuǎn)化效率一般在70%～80%之間，很難到達(dá)90%以上；逆變器的功率輸出與太陽的光照輻射度直接相關(guān)，與溫度并不完全一致；陰雨天里仍然會有功率輸出，并且現(xiàn)場運(yùn)行的安全性能得到保障，相信分布式發(fā)電是一種發(fā)電持久、安全高效的清潔能源，具備逐步走進(jìn)千家萬戶的條件。

[1] 馮百樂． 光伏發(fā)電在建筑中應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和選型分析[J]． 山西建筑， 2012(7)： 130-131． FENG Baile． On techno-economical and type-selecting analysis indication of photovoltaic generation in buildings[J]． Shanxi Architecture， 2012(7)： 130-131．

[2] 高樹鵬． 太陽能光伏技術(shù)在建筑中的應(yīng)用研究[J]． 建筑技術(shù)與應(yīng)用， 2014(5)： 14-17． GAO Shupeng． Application research of solar photovoltaic technology in buildings[J]． Research & Application of Building Materials， 2014(5)： 14-17．

[3] 葉滿園． 以電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)MPPT的單級光伏并網(wǎng)逆變器[J]． 電力電子技術(shù)， 2006， 40(2)： 30-32．

YE Manyuan． Single-stage photovoltaic grid-connected inverter of MPPT with conductance increment method[J]． Power Electronics， 2006， 40(2)： 30-32．

[4] 艾欣． 韓曉男， 孫英云． 光伏發(fā)電并網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]． 現(xiàn)代電力， 2013(2)： 1-7． AI Xin， HAN Xiaonan， SUN Yingyun． The development status and prospect of grid-connected photovoltaic generation and its related technologies[J]． Modern Electric Power， 2013(2)： 1-7．

[5] 張彥． 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用[J]． 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2011(1)： 53-55． ZHANG Yan． The application of solar energy photovoltaic power technology[J]． Construction & Design for Project， 2011(1)： 53-55．

胡海安

(編輯 谷子)

Actual Operation of Distributed Photovoltaic Household Miniature Grid Connected Inverter

HU Haian1, GUAN Yuxiang2, YUAN Bin2

(1. Suzhou Power Supply Company, Shuzhou 215004, Jiangsu Province, China; 2. Jiangyin Free New Energy Electric Power Co., Ltd., Jiangyin 214443, Jiangsu Province, China)

Through analyzing the meteorological data and power generation data in May of a 9 kW photovoltaic power station, which is built on the roof of an office building in Suzhou, this paper studies the relational degree between the efficiency of small household inverter and the meteorological conditions. Combined with the actual results of household inverter operation, this paper provides accurate referent datas for the large-scale development of distributed power station in the future. Through verification and analysis, it suggests that in small home photovoltaic system, the protection of inverter should be given priority, instead of using anti islands device.

household inverter; efficiency; environmental correlation; distributed photovoltaic

TK 51

A

2096-2185(2017)02-0057-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.02.009

2017-02-11

胡海安(1975—)，男，碩士，高級工程師，主要從事智能電網(wǎng)規(guī)劃及新能源應(yīng)用工作，huhaian@163.com；

管宇翔(1969—)，男，碩士，高級工程師，主要從事新能源電站的投資、開發(fā)、工程建設(shè)及運(yùn)維管理；

袁 斌(1971—)，男，碩士，高級工程師，主要從事新能源電站的投資、開發(fā)、工程建設(shè)及運(yùn)維管理。