光伏并網逆變器性能指標檢測與分析研究

崔 劍 王金梅 陳 杰 楊國華

(寧夏大學物理電氣信息學院，寧夏 銀川 750021)

光伏并網逆變器性能指標檢測與分析研究

崔 劍 王金梅 陳 杰 楊國華

(寧夏大學物理電氣信息學院，寧夏 銀川 750021)

光伏并網逆變器性能的優劣直接影響電力設備、人員安全,以及整個發電系統乃至電網的穩定性。通過對逆變器性能指標檢測技術、檢測標準的研究，分析了不同性能測試的國際標準和測試原理，對逆變器的電氣性能、保護性能進行檢測，設計了光伏并網逆變器的測試平臺，給出了性能測試流程，并通過實際環境設備測量驗證其一致性。測試結果表明，該檢測平臺可實現光伏逆變器性能指標的檢測與分析，設備配置合理，功能完善可靠。

光伏發電系統 并網逆變器 電能質量 孤島檢測 檢測平臺

0 引言

隨著能源危機和環境污染等問題的日益嚴重，基于可再生能源的并網發電技術成為解決上述問題的有效措施之一。在可再生能源并網發電領域中，由于太陽能資源豐富，光伏并網發電技術吸引了越來越多的關注[1-3]。

隨著光伏發電系統的發電比例不斷增加，光伏發電系統的大規模接入將會對電力系統產生一定影響[4-5]。光伏并網逆變器是光伏發電系統的核心部件，主要起到功率控制和能量變換等作用。光伏并網逆變器性能直接影響入網電流和功率等電能質量，因此如何評估光伏并網逆變器的電氣性能是保證光伏產品有效推廣的關鍵技術之一。

本文針對光伏并網逆變器的電氣性能評估問題，結合北京鑒衡認證中心發布的CGC/GF004:2011(CNCA/CTS00004-2009A)光伏并網發電專用逆變器技術條件，設計了光伏并網逆變器性能指標實驗平臺，給出了測試性能的流程圖，詳細分析了不同電氣性能測試的國際標準和測試原理。最后，針對某實驗性電站的光伏并網逆變器進行了電氣性能測試，并分析了測試結果，測試結果表明了測試實驗的準確性和有效性。

1 光伏逆變器性能指標實驗平臺

逆變器測試平臺由逆變器綜合性能測試分析系統和通信及數據采集系統構成[6-9]，如圖1所示。

圖1 逆變器性能測試分析系統

如圖1所示，逆變器綜合性能分析系統主要是對采集到的數據進行分析、評估，進而確定逆變器是否能夠穩定、可靠地運行。

通信及數據采集系統是系統中完成人機交互的核心部分，通過采集相關設備數據(如變壓器、開關等)以及逆變器測試設備的相關數據，實時上傳至綜合分析系統的數據庫，并將用戶測試系統的運行狀況和被試逆變器的性能反饋給試驗人員，然后對實時收集系統內各設備采集到的各項數據進行存儲，最后根據數據分析要求，將采集到的數據進行處理并顯示、記錄結果。軟件處理界面應滿足相應要求，并支持直接輸出完整的測試報告的功能。

該平臺可對逆變器的電氣性能指標、保護性能以及電磁兼容性進行測試。具體測試項目包括：逆變器效率測試、功率因數測試、電能質量測試、直流分量測試、過流/短路保護測試、孤島保護測試、交流過/欠電壓保護測試、過/欠頻率保護測試、軟啟動測試以及電壓波動和閃爍測試等。

2 逆變器性能指標測試

根據原理圖搭建檢測系統平臺，進行逆變器性能指標檢測，檢測流程圖如圖2所示[9]。

圖2 檢測系統流程圖

2.1 逆變器電氣性能指標測試

2.1.1 逆變效率測試

最大逆變效率(ηmax)發生時，逆變器輸出功率占額定功率的百分比(x%)由制造商和用戶協議確定。在逆變器輸出x%額定功率時，測量其直流輸入功率，計算出ηmax。

1) 無變壓器型逆變器的最大轉換效率應不低于96%；

2) 含變壓器型逆變器最大轉換效率應不低于94%。

根據歐洲效率的公式，根據負載點為5%、10%、20%、30%、50%、100%時逆變器的效率，求得逆變器歐洲效率，并找出最大逆變效率[10]。

2.1.2 功率因數測試

在光伏并網發電系統的PCC點處進行測量，規定當逆變器輸出有功功率大于其額定功率的50%時，功率因數應不小于0.98(超前或滯后)；輸出有功功率在20%～50%之間時，功率因數應不小于0.95(超前或滯后)。

一段時期內的平均功率因數(powerfactor，PF)公式為：

(1)

式中：POUT為逆變器輸出的總有功功率，kW；QOUT為逆變器輸出的總無功功率，Var。

2.1.3 電能質量測試

光伏并網變換器具有非線性特性，將會引起電流畸變，損壞電網電能質量。針對這一問題，IEEE std.929-2000對并網諧波電流含量進行了嚴格的限制，要求光伏并網逆變器在運行期間向電網注入的諧波電流必須控制在允許范圍內。

將電能質量分析儀放置在公共耦合點處，分別測量注入網電流總諧波畸變率和各次諧波電流含有率。規定入網電流總諧波畸變率小于5%，各次諧波中奇次諧波電流含量限值如表1所示。

表1 奇次諧波電流含量限值

偶次諧波電流含量限值如表2所示。

表2 偶次諧波電流含量限值

2.2 逆變器保護功能測試

2.2.1 過流/短路保護測試

在光伏并網發電系統交流側，模擬電網短路故障。當逆變器檢測到交流側發生短路故障時，應停止向電網供電，并測量光伏逆變器輸出電流值以及與電網斷開的時間。規定逆變器輸出的電流應不大于額定值的150%，并在0.1 s內停止向電網供電，同時發出警示信號。故障排除后，逆變器應能正常工作。如果在1 min之內2次檢測到交流側發生保護，逆變器將不得再次接入電網。

2.2.2 交流過/欠電壓、頻率測試

光伏并網發電系統對異常電壓響應動作、時間的相關限值如表3所示。當逆變器交流輸出電壓超過規定電壓范圍時，逆變器應停止向電網供電，同時發出警示信號。在頻率測試中，首先需要設置交流電源輸出頻率，當其頻率大于(50±0.5) Hz時，逆變器應在0.2 s內停止向電網供電。

表3 異常電壓響應時間

2.2.3 孤島保護測試

所謂孤島效應，是指當電網由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時，分布式發電系統未能檢測出停電狀態而脫離電網，仍然向周圍的負載提供電能，從而形成一個電力公司無法控制的自給供電孤島。孤島效應對電力系統、各用戶端設備都會帶來很大危害，甚至會威脅線路檢修人員的人身安全。因此，光伏并網逆變器必須具有防孤島效應檢測能力。當電網停電檢修時，逆變器立刻停止對電網的供電，且響應時間為2 s。防孤島效應檢測原理如圖3所示[11-14]。

圖3 防孤島效應檢測原理圖

3 測試結果與分析

前文對逆變器的電氣性能測試進行了詳細說明，在此針對國內某廠家生產的三相SG10K3逆變器進行電氣性能測試，并進行詳細分析。

3.1 電能質量檢測

首先對三相SG10K3進行電能質量測試，將電能質量分析儀放置在PCC，測試入網電流，得到的數據圖如圖4所示。圖4(a)和圖4(b)分別給出了入網電流偶數和奇數諧波含量，將其與表1和表2進行對比可知，并網電流諧波含量均在允許范圍內，滿足并網標準。

圖4 逆變器輸出電流諧波含量

3.2 防孤島檢測

前文對并網逆變器的電能質量進行了測試和分析，在此主要對逆變器的防孤島效應進行測試。首先啟動逆變器檢測平臺，當逆變器并網后，根據防孤島效應檢測步驟進行實驗測試，實驗結果如圖5所示。

圖5 防孤島檢測實驗結果

由圖5可知，在0.2 s之前并網逆變器處于并網運行狀態;在0.2 s時，光伏并網系統發生孤島；在0.26 s時，逆變器檢測出孤島發生并停止向電網供電，使電流為零，孤島檢測時間滿足要求。

3.3 逆變器效率檢測

對送變器進行效率測試，所得效率曲線圖如圖6所示。

圖6 并網逆變器效率曲線

由圖6可以看出，光伏并網逆變器在負載點為60%時能夠獲得最大逆變效率，約為95.7%，依據歐洲效率計算公式，得出逆變器的歐洲效率為93.91%。

在某實驗電站，取10月份的某一晴天進行逆變器效率測試，針對不同負載點，測試逆變器效率結果如表4所示。

表4 各負載點對應的效率值表

現實環境中受日照輻射、風速、溫度等影響，光伏逆變器很難達到負載點為100%，因此取一個近似值來代表100%負載點中的值。根據歐洲效率計算公式，得出逆變器歐洲效率為92.06%。

通過上述計算結果對比可以看出，實驗室測試結果與實際設備測量的結果基本一致，測試結果和實驗結果均驗證了效率測試的有效性。同時由于太陽能受自然條件的限制及天氣因素的影響，在戶外測得的逆變器效率略低于測試數據。

4 結束語

本文研究了光伏并網逆變器的檢測方法，參照國際標準構建的光伏并網逆變器檢測平臺，分析了并網逆變器不同性能標準和測試原理，設計了測試流程，最后對某三相SG10K3逆變器進行檢測、分析，并與戶外實驗電站取得的數據進行比較研究。平臺設備配置合理，操作簡單，運行情況良好，測量精度高，能有效完成對逆變器的電氣性能指標、保護功能等測試，為其他實驗提供數據支持，確保了發電系統及電網運行的穩定性。

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Performance Index Detection and Analysis Research for PV Grid-connected Inverter

The performance of photovoltaic (PV) grid-connected inverter directly affects safety of electrical equipment and personnel as well as the stability of entire power generation system even the power grid. Through researching the detection technologies and standards about performance indexes of inverters, different international standards and testing principles are analyzed. The electrical performance and protection performance of the inverters are detected, and the test platform for PV grid-connected inverters is designed. The performance testing process is given, and the consistency is verified through actual environment measurement equipment. The results show that this test platform can realize the detection and analysis for performance indexes of the PV inverters; it is reasonable in equipment configuration and its functions are comprehensive and reliable.

PV power generation system Grid-connected inverter Power quality Islanding detection Detection platform

國家自然科學基金資助項目(編號：51167015、71263043)；

國家國際科技合作基金資助項目(編號：2011DFA11780)。

崔劍(1989-)，男，現為寧夏大學電路與系統專業在讀碩士研究生;主要從事光伏并網發電技術方面的研究。

TM464

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509021

修改稿收到日期：2015-01-30。