組串式并網(wǎng)逆變器運(yùn)行性能研究

黃 靜，劉江峰，趙志強(qiáng)，余 振，齊志偉，陳富東

(1. 信陽師范學(xué)院 建筑節(jié)能材料河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 信陽 464000；2. 河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

近年來，我國光伏發(fā)電市場規(guī)模快速擴(kuò)大，2017年新增裝機(jī)5306萬 kW.其中，光伏電站3362萬 kW，同比增加11%；分布式光伏1944萬 kW，同比增長3.7倍.截止到2017年12月底，全國光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到1.3億 kW.其中，光伏電站10 059萬 kW，分布式光伏2966萬 kW.隨著國家對光伏發(fā)電的大力支持，分布式發(fā)電越來越受到重視，組串式光伏并網(wǎng)逆變器也得到了大規(guī)模的運(yùn)用.針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行性能，文獻(xiàn)[1-3]主要研究了廣州地區(qū)溫度和輻照度對光伏系統(tǒng)年發(fā)電量及系統(tǒng)效率的影響，系統(tǒng)效率取決于光伏組件的效率，但不完全依賴于組件的效率，輻照度較低時(shí)，逆變器效率對系統(tǒng)效率影響比較大；文獻(xiàn)[4]對深圳地區(qū)的某BIPV系統(tǒng)的年發(fā)電量、組件的光電轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)逆變器效率進(jìn)行了分析，還分析了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效果；文獻(xiàn)[5]主要對光伏系統(tǒng)中光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率、逆變器效率進(jìn)行分析，并分析了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性.文獻(xiàn)[1-5]偏重于研究系統(tǒng)發(fā)電量及系統(tǒng)效率，但對于逆變器實(shí)際運(yùn)行性能方面的分析則比較簡略，僅僅局限于逆變器的效率或電能質(zhì)量.文獻(xiàn)[6,7]主要研究逆變器效率及中國效率的評價(jià)方式；文獻(xiàn)[8,9]主要研究逆變器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下的電能質(zhì)量；文獻(xiàn)[10]主要研究集中型光伏并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行性能，包括逆變器效率及電能質(zhì)量；文獻(xiàn)[11]主要研究家用小型并網(wǎng)逆變器實(shí)際運(yùn)行情況，包括逆變器效率、逆變器發(fā)電量與環(huán)境關(guān)聯(lián)度以及逆變器的保護(hù)功能.

為了評估信陽地區(qū)組串式光伏并網(wǎng)逆變器的實(shí)際運(yùn)行性能，依托10 kW光伏試驗(yàn)電站，重點(diǎn)研究逆變器發(fā)電量與天氣類型的關(guān)系、效率及電能質(zhì)量.10 kW光伏電站具備較為全面的監(jiān)控系統(tǒng)，所記錄的發(fā)電數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)都能較為全面地反映信陽地區(qū)分布式光伏電站的情況，可以為組串式逆變器在信陽地區(qū)大規(guī)模的運(yùn)行提供可靠的數(shù)據(jù)支撐和實(shí)踐基礎(chǔ)，也能為與信陽地區(qū)輻照度相近的其他地區(qū)組串式逆變器的應(yīng)用選型提供有益參考.

1 10 kW光伏電站情況

信陽地區(qū)全年累計(jì)總輻照量7198.9 MJ/m2，夏季平均氣溫26 ℃左右，冬季平均氣溫在1 ℃～2 ℃，春季和秋季平均氣溫16 ℃左右.10 kW光伏試驗(yàn)電站位于5樓天臺，地理位置為東經(jīng)114°2′3″、北緯32°8′31″，安裝方位為正南方向，固定傾角27°.

系統(tǒng)總安裝容量為10 kW，使用了40塊多晶光伏組件，每10塊組件串聯(lián)為一路組串，共4路組串，其中2路組串接入單相逆變器1，另外2路組串接入單相逆變器2，最后并入到公共電網(wǎng)，逆變器電性能參數(shù)見表1.整個(gè)10 kW光伏試驗(yàn)電站裝備有0.5級的監(jiān)控采集裝置，此監(jiān)控系統(tǒng)已正常運(yùn)行2年多，可以記錄方陣輻照度,環(huán)境溫度,組件溫度,各組串直流電壓、電流和功率,逆變器交流電壓、電流、功率和總電能等參數(shù)，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為5 s.

表1 逆變器電性能參數(shù)Tab. 1 Electrical performance parameters of inverters

2 逆變器發(fā)電量與天氣類型的關(guān)系

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，影響逆變器發(fā)電量的因素有很多，包括溫度、輻照度、風(fēng)速和光伏組件的轉(zhuǎn)換效率、逆變器的性能等.在光伏組件和逆變器選型確定的情況下，溫度和輻照度成為影響逆變器發(fā)電量最主要的兩個(gè)因素，但在實(shí)際光伏電站運(yùn)行中，很少人去真正關(guān)注溫度和輻照度與逆變器發(fā)電量的關(guān)系.所以本文將兩臺單相逆變器作為研究對象，選取四種天氣類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明.

2.1 輻照度對逆變器發(fā)電量的影響

選取2016-07-19、2017-01-24、2016-09-05和2017-05-28等四種典型氣象日的數(shù)據(jù)作為研究對象，這四天信陽地區(qū)天氣分別是小雨轉(zhuǎn)中雨、多云轉(zhuǎn)陰、多云和晴，平均溫度分別是30.5 ℃、9.6 ℃、35.7 ℃和37.6 ℃.四種天氣類型下逆變器全天輸出功率與輻照度曲線如圖1所示.

從圖1可以看出，四種天氣類型下逆變器的輸出功率都是隨輻照度的增大而增大；雨天、陰天和多云情況下，輻照度和逆變器的輸出功率幾乎是沒有規(guī)律波動(dòng)的；晴天情況下，輻照度和逆變器的輸出功率比較穩(wěn)定，基本上是中午最大，早晨和傍晚比較小.還可以看出，5月份和7月份白天的太陽輻照時(shí)間長，逆變器啟動(dòng)的時(shí)間早(6:00左右)，結(jié)束的時(shí)間晚(18:30左右)；9月份次之(6:30—18:00)；1月份逆變器啟動(dòng)的時(shí)間最晚(7:30左右)，結(jié)束的時(shí)間最早(17:30左右).

四種天氣類型下累計(jì)輻照度和逆變器發(fā)電量如表2所示.從表2可以看出，晴天的累計(jì)輻照度最大(8.03 kWh/m2)，兩臺逆變器的日發(fā)電量也最大(共57.09 kWh)；多云天次之，逆變器的日發(fā)電量是晴天的60%左右；陰天和雨天的累計(jì)輻照度小，逆變器的日發(fā)電量也小，是晴天的10%～30%左右.從表2可以分析出，四種天氣類型下輻照度不僅影響光伏方陣效率，還影響逆變器效率，方陣效率和逆變器效率再共同影響逆變器的日發(fā)電量，晴天和多云的逆變器效率要高于雨天和陰天的逆變器效率.

(a)雨天 (b)陰天

(c)多云 (d)晴天

表2 四種天氣類型下累計(jì)輻照度和逆變器發(fā)電量Tab. 2 Cumulative irradiance and inverter power generation under four-type weather

2.2 溫度對逆變器發(fā)電量的影響

選取2017-05-28、2016-08-28、2016-10-17和2016-12-17這四天的數(shù)據(jù)作為研究對象，這四天信陽地區(qū)天氣都是晴天，平均溫度分別是37.6 ℃、36.1 ℃、28.6 ℃和16.8 ℃.晴天不同溫度下逆變器發(fā)電量如表3所示.

從表3可以看出，同是晴天，2017-05-28的累計(jì)輻照度比2016-08-28的多0.08 kWh/m2，但2017-05-28兩臺逆變器的日發(fā)電量比2016-08-28的少1.19 kWh，同樣2016-10-17的累計(jì)輻照度比2016-12-17的多0.12 kWh/m2，但2016-10-17兩臺逆變器的日發(fā)電量比2016-12-17的少0.94 kWh.與此相對的，2017-05-28的平均氣溫比2016-08-28的高1.5 ℃，2016-10-17的平均氣溫比2016-12-17的高11.8 ℃.從表3可以分析出，晴天情況下溫度主要影響光伏方陣效率，光伏方陣效率隨著溫度的降低而升高，逆變器效率基本保持穩(wěn)定，光伏方陣效率再進(jìn)一步影響逆變器的日發(fā)電量.

表3 晴天不同溫度下逆變器發(fā)電量Tab. 3 Inverter power generation at different temperatures on clear days

3 效率研究

效率是逆變器運(yùn)行過程中最關(guān)注的性能指標(biāo)，隨著逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制算法的進(jìn)一步發(fā)展，有些品牌逆變器的“最大效率”達(dá)到了98%，但“最大效率”是在實(shí)驗(yàn)室條件下按照逆變器相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)測試出來的，逆變器實(shí)際在光伏電站中的運(yùn)行效率，逆變器是否一直工作在“最大效率”負(fù)載點(diǎn)，人們很少去關(guān)注.所以本文將重點(diǎn)研究兩臺單相逆變器在四種天氣類型下的運(yùn)行效率，并根據(jù)發(fā)電數(shù)據(jù)予以分析說明.

3.1 逆變器效率

逆變器效率是指某一時(shí)刻逆變器交流側(cè)的輸出功率與直流側(cè)輸入功率的比值，逆變器的負(fù)載率是某一時(shí)刻逆變器交流側(cè)的輸出功率與額定輸出功率的比值.選取2016-07-19(雨天)、2017-01-24(陰天)、2016-09-05(多云)和2017-05-28(晴天)這四種典型氣象日的數(shù)據(jù)作為研究對象，這四種天氣類型下逆變器全天效率及負(fù)載率曲線如圖2所示.

(a)雨天 (b)陰天

(c)多云 (d)晴天

從圖2可以看出，四種天氣類型下逆變器在20%負(fù)載點(diǎn)時(shí)效率就可以達(dá)到90%左右；雨天情況下逆變器效率波動(dòng)范圍大，陰天和多云次之，晴天情況下逆變器效率比較平穩(wěn).從圖2(d)還可以看出，逆變器負(fù)載點(diǎn)超過50%以后，逆變器效率反而會稍微下降，這可能與逆變器所用開關(guān)管在大功率時(shí)開關(guān)損耗大有關(guān).總的來看，晴天和多云天氣下逆變器的效率要高于陰天和雨天的效率，逆變器2的效率要高于逆變器1的效率.

3.2 逆變器的“信陽效率”

實(shí)際工作中，逆變器也不會一直工作在“最大效率”負(fù)載點(diǎn)，其輸入電壓以及負(fù)載點(diǎn)會隨太陽輻照度、環(huán)境溫度等條件的變化而變化，“最大效率”高的逆變器不一定發(fā)電量最大，所以使用“最大效率”來評價(jià)逆變器的發(fā)電效率不夠科學(xué)、全面，必須結(jié)合中國光照資源的分布情況，建立權(quán)重系數(shù)模型，來評價(jià)中國地區(qū)的逆變器效率，簡稱“中國效率”ηChina，其加權(quán)公式[7]如式(1)：

ηChina=δ5%η5%+δ10%η10%+

δ20%η20%+δ30%η30%+

δ50%η50%+δ75%η75%+

δ100%η100%.

(1)

其中：δ5%、δ10%、δ20%、δ30%、δ50%、δ75%和δ100%分別為逆變器負(fù)載點(diǎn)5%、10%、20%、30%、50%、75%和100%在這7個(gè)負(fù)載點(diǎn)中所占的權(quán)重系數(shù)；η5%、η10%、η20%、η30%、η50%、η75%和η100%分別為逆變器在負(fù)載點(diǎn)5%、10%、20%、30%、50%、75%和100%時(shí)的效率.

逆變器的“信陽效率”是指結(jié)合信陽地區(qū)光照資源的分布情況和信陽地區(qū)逆變器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析出信陽地區(qū)逆變器在7個(gè)負(fù)載點(diǎn)中所占的權(quán)重系數(shù)以及在7個(gè)負(fù)載點(diǎn)時(shí)的平均效率，從而根據(jù)公式1所得到的效率.所以本文將對2016年3月—2017年2月期間逆變器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，其具體參數(shù)見表4.

從表4可以看出，逆變器2在7個(gè)負(fù)載點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的平均效率都高于逆變器1，逆變器2的“信陽效率”也高于逆變器1；根據(jù)信陽地區(qū)太陽輻照度在7個(gè)負(fù)載點(diǎn)權(quán)重系數(shù)的分布情況，全年時(shí)間內(nèi)，逆變器大部分時(shí)間運(yùn)行在30%～75%負(fù)載點(diǎn)之間，這些負(fù)載點(diǎn)的逆變器效率將直接影響逆變器的全年發(fā)電量，所以在選用逆變器時(shí)，可以選取在30%～75%負(fù)載點(diǎn)效率高的逆變器，提高逆變器的“信陽效率”，從而提高逆變器的全年發(fā)電量.“信陽效率”公式對于與信陽地區(qū)具有相似光伏資源條件的資源帶具有一定的參考價(jià)值，并對該地區(qū)光伏電站逆變器的應(yīng)用選型提供有益參考.

表4 逆變器“信陽效率”Tab. 4 Inverter “Xinyang efficiency”

4 電能質(zhì)量研究

電能質(zhì)量是逆變器運(yùn)行過程中的另一個(gè)性能指標(biāo).由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨著輻照度及環(huán)境溫度的變化而變化，不是穩(wěn)定值，具有波動(dòng)性，所以會給并網(wǎng)側(cè)帶來一系列的電能質(zhì)量問題，包括電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)及電壓閃變等.另外，由于光伏逆變器是功率變換設(shè)備，將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成交流電的過程中，會帶來諧波及直流分量等問題，對用戶設(shè)備造成損害.所以下文將重點(diǎn)研究兩臺單相逆變器交流并網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量.

由于光伏組件、逆變器設(shè)備和電能質(zhì)量測試設(shè)備對環(huán)境條件比較敏感，為了避免測試環(huán)境對測試結(jié)果造成影響，測試環(huán)境必須滿足以下要求：環(huán)境溫度0 ℃～50 ℃,環(huán)境濕度不超過90%.本文選取2017-12-21和2017-12-20這兩天中午，使用Fluke 435-II電能質(zhì)量分析儀分別對逆變器1和逆變器2交流并網(wǎng)側(cè)進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測，測試時(shí)長為2 h，記錄數(shù)據(jù)間隔為30 s.監(jiān)測的電能質(zhì)量參數(shù)包括電壓有效值、頻率、功率因數(shù)、基波電流、電流總畸變率(THD)和2～25次電流諧波畸變率.逆變器1電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測如圖3所示，逆變器2電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測如圖4所示.

從圖3可以看出，由于逆變器1電能質(zhì)量測試期間輻照度不穩(wěn)定，所以其電壓波動(dòng)范圍大，電壓偏差為+5.22%；頻率比較穩(wěn)定，頻率偏差為+0.0031 Hz；逆變器負(fù)載率小于20%時(shí)，功率因數(shù)降到0.99左右，負(fù)載率超過20%后，功率因數(shù)都為1；電流諧波總畸變率的變化趨勢與逆變器負(fù)載率的變化趨勢一致，逆變器負(fù)載率在17.6%～80.4%期間，電流諧波總畸變率都小于5%.

從圖4可以看出，逆變器2電能質(zhì)量測試期間輻照度比較穩(wěn)定，電壓波動(dòng)范圍小，電壓偏差為+5.84%；頻率也比較穩(wěn)定，頻率偏差為+0.0047 Hz；功率因數(shù)都為1；逆變器負(fù)載率在69.2%～75.4%期間，電流諧波總畸變率無規(guī)律波動(dòng)，波動(dòng)范圍大，測試期間大部分時(shí)間其值都大于5%，最大值在18.5%左右.

(a)電壓與頻率 (b)功率因數(shù)、基波電流及電流諧波總畸變率

(a)電壓與頻率 (b)功率因數(shù)、基波電流及電流諧波總畸變率

5 結(jié)論

輻照度較低時(shí)，逆變器的輸出功率受組件的轉(zhuǎn)換效率和逆變器效率共同影響；輻照度高時(shí)，逆變器效率基本穩(wěn)定，逆變器輸出功率強(qiáng)烈依賴于組件的轉(zhuǎn)換效率.同種天氣類型下，逆變器的發(fā)電量主要由組件的轉(zhuǎn)換效率決定，因?yàn)榄h(huán)境溫度影響組件的轉(zhuǎn)換效率，但幾乎不影響逆變器效率，所以組件選型時(shí)也要充分考慮到當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度，溫度高的地區(qū)選用耐熱性較好的組件會提高系統(tǒng)的發(fā)電量.逆變器在20%負(fù)載點(diǎn)時(shí)效率就可以達(dá)到90%左右，負(fù)載點(diǎn)超過50%以后，逆變器效率反而會稍微下降，所以逆變器在功率選型時(shí)留一定的余量并沒有壞處，雖然增加了成本，但長期看來，會提高逆變器的總發(fā)電量.信陽地區(qū)或相近地區(qū)的光伏電站在逆變器選型時(shí)，可以選取在30%～75%負(fù)載點(diǎn)時(shí)效率高的逆變器，從而提高系統(tǒng)的全年發(fā)電量.效率高、發(fā)電量多的逆變器不一定就是好的逆變器，還要關(guān)注其輸出是否給公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來影響.

后期還會在信陽地區(qū)內(nèi)的其他地方或者河南省內(nèi)，建立更多的光伏電站監(jiān)測基地，依據(jù)更多的氣象數(shù)據(jù)和電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善逆變器“信陽效率”公式或建立逆變器“河南效率”的評價(jià)方式，為河南地區(qū)的光伏電站提供更多提高光伏系統(tǒng)效率的方法.