光伏逆變器并網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 朔,張 驥,李亮玉,鄭紫堯,邢 琳

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著對(duì)能源消耗和環(huán)境保護(hù)的重視,發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè),大力推進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì),已經(jīng)成為重要共識(shí)。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為我國(guó)改善能源結(jié)構(gòu),構(gòu)建社會(huì)主義生態(tài)文明發(fā)揮了積極的作用。光伏逆變器作為太陽能光伏陣列與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的載體,需要調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值、頻率、相位和電網(wǎng)保持一致,使得輸出端的電壓嚴(yán)格滿足并網(wǎng)的需求[1-4]。因此,研發(fā)可靠的光伏逆變器并網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于保證產(chǎn)品的安全運(yùn)行具有重要意義。

科研人員對(duì)光伏逆變器檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了一定研究。郭放、閆華光等[56]設(shè)計(jì)了一套智能光伏逆變器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái),開發(fā)了3個(gè)軟件模塊子系統(tǒng),分別測(cè)試光伏逆變器3種類型的實(shí)驗(yàn)。崔劍[7]對(duì)逆變器的電氣性能以及保護(hù)性能進(jìn)行檢測(cè),通過仿真及實(shí)驗(yàn)處理證明實(shí)驗(yàn)的可行性。崔劍、王金梅等[8]通過總結(jié)不同檢測(cè)平臺(tái)的不足,賦予平臺(tái)實(shí)現(xiàn)逆變器的自檢功能,提高了檢測(cè)精度。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)制定了光伏逆變器的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),但并沒有具體的測(cè)試方法及要求[9-10]。因此,有必要研究光伏逆變器并網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng),保證檢測(cè)方法和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文介紹了當(dāng)前光伏逆變器檢測(cè)平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)逆變器的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行闡述,基于對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的功能需求分析,提出檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。確定檢測(cè)系統(tǒng)的主要測(cè)試回路后,對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)中涉及到的主要設(shè)備如電網(wǎng)模擬源、光伏模擬器、RLC交流負(fù)載進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)和設(shè)備組網(wǎng)設(shè)計(jì)。最后,通過典型的逆變器功率因數(shù)測(cè)試、過欠壓測(cè)試和防孤島測(cè)試等性能檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證光伏逆變器并網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的功能可靠性。

1 概述

1.1 逆變器工作原理

光伏逆變器可分為隔離型和非隔離型兩大類。其中,非隔離型逆變器是未來光伏系統(tǒng)的發(fā)展方向,但由于不采用變壓器進(jìn)行隔離及升壓,逆變器易向電網(wǎng)中注入直流分量,且這種拓?fù)洚a(chǎn)生的對(duì)地漏電流也成為當(dāng)今的一個(gè)技術(shù)難題[11-12]。

單相非隔離逆變器的電路拓?fù)鋱D及開關(guān)信號(hào)如圖1所示。并網(wǎng)系統(tǒng)中因電網(wǎng)電壓固定,所以可控量只有并網(wǎng)電流,這時(shí)通過控制逆變器的輸出電流的幅值和相位就可以控制逆變器輸出的有功及無功功率。通過改變逆變器兩橋臂上開關(guān)管的通斷狀態(tài),可以不斷地改變輸出濾波電感兩端的極性,這時(shí)濾波電感兩端會(huì)有交變的電流流過,電流的諧波成分會(huì)隨著開關(guān)管開關(guān)頻率增加而減小,輸出側(cè)的濾波電容可以濾掉高頻諧波電流。

圖1 逆變器工作原理

逆變器橋臂上的開關(guān)由調(diào)制波和載波產(chǎn)生的信號(hào)來觸發(fā),其中,載波是固定不變的,常用三角波和鋸齒波,而調(diào)制波則需要根據(jù)控制目標(biāo)來改變它的幅值和相位,從而使得逆變器的開關(guān)導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間、開通時(shí)間以及關(guān)斷時(shí)間靈活變化,最終改變逆變器輸出電流的大小和相位。圖2中為調(diào)制波生成的開關(guān)信號(hào)(此處采用三角波)。

圖2 調(diào)制波生成開關(guān)信號(hào)原理

1.2 發(fā)電系統(tǒng)對(duì)光伏逆變器的質(zhì)量要求

光伏逆變器作為太陽能光伏陣列與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的載體,輸出端具體要求如下。

(1)完成高質(zhì)量的電能轉(zhuǎn)換。逆變器需要保證輸出電壓的幅值、頻率、相位要和電網(wǎng)保持一致;輸出的諧波、三相不平衡度以及輸出端的直流分量滿足入網(wǎng)要求。

(2)保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。必須滿足過欠壓、過欠頻、防孤島、過載、短路、操作過電壓、低電壓穿越等保護(hù)功能。

(3)具備高可靠性,能夠應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境、能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行且保持良好狀態(tài)。

(4)提高光伏系統(tǒng)整體效率。目前光伏發(fā)電的成本較高,提高逆變器轉(zhuǎn)化效率是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)整體效率的重要手段。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

檢測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3所示,由圖可知測(cè)試回路主要由電網(wǎng)、光伏模擬器、光伏逆變器(被測(cè)設(shè)備)、電網(wǎng)模擬器構(gòu)成。其中光伏模擬器負(fù)責(zé)模擬光伏電池的輸出特性,通過對(duì)它的調(diào)節(jié)配合被測(cè)設(shè)備在不同工作點(diǎn)的工作狀態(tài)。電網(wǎng)模擬源負(fù)責(zé)模擬電網(wǎng)側(cè)的各種狀態(tài),模擬真實(shí)電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的狀態(tài),如電壓波動(dòng)、頻率變化、諧波等,以便測(cè)試光伏逆變器對(duì)電網(wǎng)側(cè)波動(dòng)的響應(yīng)。信息采集點(diǎn)采集實(shí)驗(yàn)過程中所需的數(shù)據(jù)信息和波形信息,測(cè)試系統(tǒng)通過采集的信息判斷被測(cè)設(shè)備的相應(yīng)功能是否滿足指標(biāo)要求。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)中的所有開關(guān)都置于開關(guān)控制柜中,控制實(shí)驗(yàn)過程中所有設(shè)備的投入與切出。通過不同的開關(guān)組合能夠構(gòu)建不同的測(cè)試回路,對(duì)被測(cè)設(shè)備做相應(yīng)實(shí)驗(yàn),檢測(cè)系統(tǒng)中光伏模擬器與電網(wǎng)模擬器均能雙向運(yùn)行,滿足對(duì)充電樁、儲(chǔ)能變流器電能從交流側(cè)到直流側(cè)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。集控設(shè)備是所有設(shè)備的通信模塊的合集,通過與上位機(jī)通信,將實(shí)驗(yàn)過程中所有的設(shè)備信息上傳至PC端進(jìn)行統(tǒng)一控制。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

2.2.1 電網(wǎng)模擬源

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中檢測(cè)系統(tǒng)需要模擬電網(wǎng)側(cè)的過欠頻、電壓波動(dòng)、閃變、諧波等故障,以此來測(cè)試被測(cè)設(shè)備因電網(wǎng)側(cè)異常產(chǎn)生的相應(yīng)動(dòng)作。真實(shí)電網(wǎng)側(cè)的故障是不受人為控制的,所以并網(wǎng)逆變器在測(cè)試時(shí)不直接與實(shí)際電網(wǎng)相連,需要電網(wǎng)模擬源模擬電網(wǎng)側(cè)故障的設(shè)備來完成這項(xiàng)任務(wù)。

電網(wǎng)模擬源由檢測(cè)及控制系統(tǒng)、啟動(dòng)單元、能量轉(zhuǎn)換單元和濾波單元四部分組成。其中啟動(dòng)單元內(nèi)部有相互并聯(lián)的電阻和接觸器,并且接觸器兩端分別連接能量轉(zhuǎn)換單元和電網(wǎng)。能量轉(zhuǎn)換單元由三相系統(tǒng)組成,每相可分為整流和逆變兩部分,通過電平轉(zhuǎn)換可將電網(wǎng)的輸入電壓轉(zhuǎn)換成幅值可調(diào)、頻率可變、能夠模擬電壓波動(dòng)和閃變的交流電壓。能量轉(zhuǎn)換單元的原理如圖4所示。

2.2.2 光伏模擬器

光伏模擬器不僅可以作為普通的程控直流源,還能模擬各種光伏陣列的輸出特性曲線,以此來驗(yàn)證逆變器的效率等指標(biāo)。光伏模擬器的原理如圖5所示。

圖5 光伏模擬器原理

由圖5可知控制部分主要由DSP、整流濾波電路、DC/DC變換電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路組成。檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)輸出電流、電壓信號(hào),其中電壓信號(hào)來變換電路的輸出端,經(jīng)過檢測(cè)電路處理發(fā)送到DSP中,電流信號(hào)來自負(fù)載的輸出端,同樣通過采樣電路處理發(fā)送到DSP控制端,DSP中通過閉環(huán)控制保證電壓電流的穩(wěn)定。

2.2.3 RLC負(fù)載

RLC負(fù)載主要用在防孤島效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中。設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。該設(shè)備內(nèi)部每相接入交流側(cè)的回路都有純阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載,且三相負(fù)載功率的控制是獨(dú)立的,可以分別控制,能夠模擬任何功率負(fù)荷。阻性負(fù)載的最大功率是113.33 k W,能夠加載的最小單位是0.001 k W。感性和容性負(fù)載最大功率都為113.33 k Var,能夠加載的最小單位都是0.001 k Var,設(shè)備的裝機(jī)總?cè)萘渴?39.99 k VA。此設(shè)備可以精確控制交流側(cè)諧振的發(fā)生,能夠非常有效地測(cè)試被測(cè)設(shè)備的防孤島性能。同時(shí)設(shè)備也可以通過RS485接口與遠(yuǎn)程PC連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)加載。

圖6 RLC負(fù)載內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)平臺(tái)中設(shè)備進(jìn)行操作,需要將操作試驗(yàn)平臺(tái)上的各種設(shè)備組成一套自動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成設(shè)備之間的精確配合,發(fā)揮設(shè)備的最大功能,因此對(duì)設(shè)備的管理在系統(tǒng)中占據(jù)很重要的地位。檢測(cè)系統(tǒng)需要將所有設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)然后經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制,通過計(jì)算機(jī)軟件協(xié)調(diào)各種設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)檢測(cè)功能。檢測(cè)系統(tǒng)還要求能夠手動(dòng)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)流程,故需要對(duì)各種設(shè)備設(shè)計(jì)單獨(dú)的控制界面,滿足用戶對(duì)單臺(tái)設(shè)備的操作,硬件設(shè)備在運(yùn)行過程中可能會(huì)由于某些原因出現(xiàn)故障,故檢測(cè)系統(tǒng)還應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測(cè),當(dāng)故障發(fā)生時(shí)將故障信號(hào)迅速發(fā)送到控制端,提醒相關(guān)人員進(jìn)行處理。

4 設(shè)備組網(wǎng)方式設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)中不同設(shè)備會(huì)有不同的通信協(xié)議,電網(wǎng)模擬源、光伏模擬器、PLC等大多數(shù)設(shè)備用到的都是Modbus通信協(xié)議;RLC防孤島負(fù)載、直流負(fù)載采用的是廠家自定義的協(xié)議格式;測(cè)量設(shè)備WT3000與DL850為廠家提供的API接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通信。

檢測(cè)系統(tǒng)中由于網(wǎng)口設(shè)備較多,需要通過交換機(jī)將網(wǎng)口擴(kuò)展,硬件設(shè)備建立通信連接如圖7所示。由圖7可得,電網(wǎng)模擬源、光伏模擬器、RLC負(fù)載、直流負(fù)載以及PLC通過串口服務(wù)器連接到以太網(wǎng)交換機(jī),功率分析儀、錄波器也連接到交換機(jī)。服務(wù)端PC通過網(wǎng)口連接到交換機(jī),接收客戶端發(fā)送來的指令,控制系統(tǒng)中各設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行,并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

圖7 通信連接示意

5 檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試

檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)后,需要對(duì)光伏逆變器進(jìn)行多項(xiàng)性能測(cè)試,以驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。由于不同試驗(yàn)的檢測(cè)回路不盡相同,本文選取了功率因數(shù)、過欠壓和防孤島3個(gè)典型試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行闡述,以驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的功能可靠性。

5.1 功率因數(shù)試驗(yàn)

設(shè)備的功率因數(shù)小于一定程度時(shí),會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。國(guó)標(biāo)文件明確規(guī)定,當(dāng)逆變器的輸出有功功率大于其額定功率的50%,功率因數(shù)不能低于0.98;輸出的有功功率在其額定功率的20%～50%,功率因數(shù)應(yīng)不低于0.95。對(duì)設(shè)備進(jìn)行功率因數(shù)測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 功率因數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可得,不同功率點(diǎn)下,逆變器的功率因數(shù)均大于0.98,滿足國(guó)標(biāo)要求。

5.2 過欠壓試驗(yàn)

當(dāng)逆變器交流側(cè)的輸出電壓超過電網(wǎng)允許的電壓范圍時(shí),設(shè)備必須能夠自動(dòng)脫離電網(wǎng)。以U相電壓為例,逆變器過壓和欠壓測(cè)試結(jié)果分別如圖8和圖9所示。圖中綠色波形表示U相電流,黃色波形表示U相電壓。

圖8 光伏逆變器過壓試驗(yàn)波形示意

圖9 光伏逆變器欠壓試驗(yàn)波形

由圖8可得,當(dāng)U相電壓升高到120%網(wǎng)側(cè)電壓時(shí),光伏逆變器脫網(wǎng),脫網(wǎng)時(shí)間是63.9 ms,小于規(guī)定的2 s。

由圖9可得,當(dāng)U相電壓降低到30%網(wǎng)側(cè)電壓時(shí),光伏逆變器脫網(wǎng),脫網(wǎng)時(shí)間是5.1 ms,小于規(guī)定的0.1 s。測(cè)試結(jié)果表明檢測(cè)系統(tǒng)能夠進(jìn)行設(shè)備過欠壓性能檢測(cè)。

5.3 防孤島試驗(yàn)

光伏逆變器接入10 k V及以下電壓等級(jí)的配電網(wǎng)時(shí),需要具備針對(duì)孤島效應(yīng)的保護(hù)功能。防孤島測(cè)試回路如圖10所示,光伏逆變器與電網(wǎng)模擬源之間增加了RLC防孤島負(fù)載用來模擬電網(wǎng)線路中的負(fù)載。

圖10 光伏逆變器防孤島試驗(yàn)回路

設(shè)備防孤島試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示,圖中紅色波形表示逆變器輸出側(cè)U相電壓,綠色波形表示設(shè)備交流側(cè)U相電流。當(dāng)電網(wǎng)切除時(shí),U相電壓的相位與幅值發(fā)生了變化,而被測(cè)設(shè)備繼續(xù)向負(fù)載供電,不滿足防孤島性能的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明,檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)夥孀兤鞣拦聧u性能進(jìn)行檢測(cè)。

圖11 光伏逆變器防孤島試驗(yàn)波形

6 結(jié)論

新能源領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展對(duì)光伏逆變器的質(zhì)量安全提出了更高的需求。本文基于發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的并網(wǎng)需求研發(fā)設(shè)計(jì)了光伏逆變器并網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行質(zhì)量性能和保護(hù)性能指標(biāo)測(cè)試,對(duì)光伏逆變器的性能檢測(cè)具有重要意義。