光伏逆變器多場(chǎng)景性能測(cè)試平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)研究

國網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 劉召杰

國網(wǎng)上海市電力公司 管必萍 戴人杰

國網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 黃 浩

中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司 王勇鋒

通常電壓源型并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接口裝置，它具有很多優(yōu)勢(shì)，例如功率因數(shù)可控等，其主要作用是能量轉(zhuǎn)換和功率控制。光伏并網(wǎng)逆變器的使用狀況會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，因此搭建多場(chǎng)景性能測(cè)試平臺(tái)有重要意義，通過檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器的性能，使其符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從而更加有效地為大眾服務(wù)。

1 多場(chǎng)景性能測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

結(jié)合相關(guān)資料可知，光伏并網(wǎng)逆變器是為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)提供各種電源變換和接入方案的轉(zhuǎn)換器，其多用于電網(wǎng)延伸不便地區(qū)。為了保證檢測(cè)信息的準(zhǔn)確率，搭建的光伏并網(wǎng)逆變器的性能檢測(cè)平臺(tái)檢測(cè)的內(nèi)容通常包括：檢測(cè)光伏逆變器的設(shè)備運(yùn)行效率、檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器的最大功率跟蹤準(zhǔn)確性、檢測(cè)并網(wǎng)電能質(zhì)量低電壓穿越能力；同時(shí)，此平臺(tái)還可以檢測(cè)逆變器的防孤島性能狀況等。想要確保光伏并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定運(yùn)行，檢測(cè)平臺(tái)的檢測(cè)效果至關(guān)重要，當(dāng)前檢測(cè)平臺(tái)綜合性檢測(cè)還有很大的發(fā)展空間，因此多性能一體化監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)成為了研究重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器的一體化監(jiān)測(cè)，嘗試搭建了光伏逆變器多場(chǎng)景性能測(cè)試平臺(tái)，此平臺(tái)的架構(gòu)和硬件組成見圖1，其架構(gòu)包括光伏模擬器待檢測(cè)逆變器樣機(jī)、控制保護(hù)系統(tǒng)等幾部分，且這些結(jié)構(gòu)每一部分都在整體中發(fā)揮自己的作用。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器多場(chǎng)景性能檢測(cè)平臺(tái)架構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)由多個(gè)部分組成，其中，光伏模擬器可以模擬光伏陣列在陰影情況下的多峰值光伏曲線。電能質(zhì)量/功率分析儀主要是對(duì)電流諧波、功率波動(dòng)以及設(shè)備效率進(jìn)行測(cè)試，通過采取防孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)阻性感性和容性負(fù)載情況運(yùn)用RLC負(fù)載對(duì)孤島檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)試。此測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)方便測(cè)試各種不同類型的電網(wǎng)運(yùn)行狀況。

2 光伏并網(wǎng)逆變器多場(chǎng)景性能測(cè)試步驟

光伏逆變器的測(cè)試項(xiàng)目分為多個(gè)場(chǎng)景，不同場(chǎng)景的測(cè)試要求存在差別，構(gòu)建的光伏逆變器多場(chǎng)景性能測(cè)試平臺(tái)需要可以進(jìn)行完整的性能測(cè)試，下面針對(duì)幾種重要的測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行分析。

2.1 最大功率追蹤測(cè)試

通常的光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率是具有隨機(jī)性和間歇性的，其對(duì)外界氣候條件較為敏感，例如：光照和溫度變化都會(huì)對(duì)光伏發(fā)電的輸出功率造成影響。在天氣狀況良好時(shí)，光伏電池特性曲線的最大功率點(diǎn)存在單峰值特性，當(dāng)光伏電池受到氣候因素影響或者被遮蓋時(shí)，會(huì)使得光伏電池特性曲線呈現(xiàn)多峰值特性，因此，在進(jìn)行最大功率跟蹤算法編寫時(shí)，需要考慮光伏電池多峰值問題。

光伏最大功率的跟蹤精確度計(jì)算公式為：

式(1)中，Ppv和Popt分別代表光伏電池板的輸出功率和輸入功率。

2.2 逆變器效率測(cè)試

光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)備效率的計(jì)算公式如下：

式(2)中，Pout和Pin分別代表光伏逆變器的輸出功率和輸入功率。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，為了保證獲得效率曲線，需要對(duì)多個(gè)負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

2.3 電能質(zhì)量測(cè)試

為了使光伏并網(wǎng)逆變器的電流符合標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)其進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試，通過對(duì)電流的總諧波畸變率和各次諧波的含量進(jìn)行測(cè)試，從而針對(duì)性的對(duì)光伏逆變器進(jìn)行調(diào)試。測(cè)試時(shí)需要奇、偶次諧波滿足相關(guān)限值（見表1）。另外，在進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試時(shí)，可以選用FLUKE435電能質(zhì)量分析儀，在檢測(cè)完畢后便于將結(jié)果導(dǎo)入電腦中，為日后的分析提供方便。

表1 奇數(shù)和偶數(shù)次諧波含有率限值

2.4 防孤島測(cè)試

在進(jìn)行防孤島測(cè)試時(shí)，首先，將并網(wǎng)開關(guān)和RLC負(fù)載開關(guān)閉合，然后啟動(dòng)并網(wǎng)逆變器；其次，觀察開關(guān)閉合后的電壓幅值和變化頻率；最后，觀察到電壓幅值和頻率變化范圍超過允許范圍時(shí)，需要結(jié)合過欠電壓和頻率保護(hù)封鎖DSP驅(qū)動(dòng)脈沖，并且準(zhǔn)確記錄切除時(shí)間，進(jìn)行孤島檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間如表2所示。

表2 孤島檢測(cè)的最大允許時(shí)間

3 測(cè)試平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了保證構(gòu)建的多場(chǎng)景檢測(cè)平臺(tái)具有可行性和有效性，需要運(yùn)用搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

3.1 最大功率跟蹤測(cè)試

光伏并網(wǎng)逆變器在運(yùn)用的時(shí)候會(huì)面臨不同氣候，在進(jìn)行最大功率跟蹤測(cè)試時(shí)，應(yīng)充分考慮不同季節(jié)的典型氣候條件。在測(cè)試時(shí)，選擇典型氣候作為模擬條件，輸入光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際輸出功率和最大功率跟蹤功率指令值，然后每間隔5min收集一次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)如實(shí)記錄在Excel中，測(cè)試完成后將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行處理。最后,根據(jù)軟件處理的結(jié)果進(jìn)行分析可知，MPPT功率指令與實(shí)際情況中光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率基本相同，不會(huì)隨著外界條件改變而變化，可知此檢測(cè)平臺(tái)在戶外最大功率跟蹤測(cè)試環(huán)節(jié)的有效性。

3.2 效率測(cè)試

根據(jù)2.2中的測(cè)試步驟，選取幾個(gè)額定負(fù)載點(diǎn)功率進(jìn)行測(cè)試。為了更好的體現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)的檢測(cè)效果，本次實(shí)驗(yàn)選取的額定負(fù)載點(diǎn)功率百分?jǐn)?shù)為5%，然后依次加5%，遞增到30%，接著再選取50%、75%和100%的額定負(fù)載點(diǎn)功率百分?jǐn)?shù),選取完成后得到一系列數(shù)據(jù)，最后計(jì)算得出此次試驗(yàn)測(cè)試效率為96.25%、97.32%、97.9%、98.28%、98.54%、98.67%、98.94%、98.51%、97.21%。

3.3 電能質(zhì)量測(cè)試

通過FLUKE435對(duì)并網(wǎng)的電流諧波進(jìn)行測(cè)試，最后測(cè)試出來并網(wǎng)電流的總諧波畸變率為2.1%，此檢測(cè)結(jié)果小于標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 孤島檢測(cè)測(cè)試

運(yùn)用此檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行光伏并網(wǎng)逆變器的孤島監(jiān)測(cè)性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，并網(wǎng)在初始條件下可以保持正常運(yùn)行，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，電網(wǎng)電壓在特定觸發(fā)點(diǎn)斷開之后，電網(wǎng)電壓的幅值差超過了電壓保護(hù)閾值，然后DSP驅(qū)動(dòng)信號(hào)接到了信號(hào)，立即進(jìn)行封鎖，封鎖完成之后逆變器停止運(yùn)行，此時(shí)電流為零。在此過程中可以在并網(wǎng)逆變器的2個(gè)工頻周期中檢測(cè)出孤島，結(jié)合測(cè)試結(jié)果可知此平臺(tái)可以有效檢測(cè)出孤島監(jiān)測(cè)性能。

結(jié)論：本文通過對(duì)構(gòu)建的多場(chǎng)景性能測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行分析，針對(duì)構(gòu)建時(shí)存在的問題，對(duì)平臺(tái)架構(gòu)需要的軟硬件進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)此平臺(tái)的可行性和有效性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)重要性能測(cè)試步驟，對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的最大功率跟蹤效率、電能質(zhì)量等進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行防孤島性能檢測(cè)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象和所得結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)此檢測(cè)平臺(tái)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的重要性能檢測(cè)效果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，構(gòu)建的多場(chǎng)景平臺(tái)可以通過開關(guān)的控制調(diào)整，靈活的選擇模擬不同場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，改善了傳統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)的不足，實(shí)現(xiàn)了多性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)一體化進(jìn)行。