光伏逆變器多場景性能測試平臺與實驗研究

國網上海能源互聯網研究院有限公司 劉召杰

國網上海市電力公司 管必萍 戴人杰

國網上海能源互聯網研究院有限公司 黃 浩

中建三局第一建設工程有限責任公司 王勇鋒

通常電壓源型并網逆變器是光伏發電系統的并網接口裝置，它具有很多優勢，例如功率因數可控等，其主要作用是能量轉換和功率控制。光伏并網逆變器的使用狀況會影響整個電力系統的電能質量，因此搭建多場景性能測試平臺有重要意義，通過檢測光伏并網逆變器的性能，使其符合標準要求，從而更加有效地為大眾服務。

1 多場景性能測試平臺架構

結合相關資料可知，光伏并網逆變器是為太陽能光伏發電系統提供各種電源變換和接入方案的轉換器，其多用于電網延伸不便地區。為了保證檢測信息的準確率，搭建的光伏并網逆變器的性能檢測平臺檢測的內容通常包括：檢測光伏逆變器的設備運行效率、檢測光伏并網逆變器的最大功率跟蹤準確性、檢測并網電能質量低電壓穿越能力；同時，此平臺還可以檢測逆變器的防孤島性能狀況等。想要確保光伏并網逆變器穩定運行，檢測平臺的檢測效果至關重要，當前檢測平臺綜合性檢測還有很大的發展空間，因此多性能一體化監測平臺架構成為了研究重點。為了實現光伏并網逆變器的一體化監測，嘗試搭建了光伏逆變器多場景性能測試平臺，此平臺的架構和硬件組成見圖1，其架構包括光伏模擬器待檢測逆變器樣機、控制保護系統等幾部分，且這些結構每一部分都在整體中發揮自己的作用。

圖1 光伏并網逆變器多場景性能檢測平臺架構

測試平臺由多個部分組成，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。電能質量/功率分析儀主要是對電流諧波、功率波動以及設備效率進行測試，通過采取防孤島檢測標準，針對阻性感性和容性負載情況運用RLC負載對孤島檢測算法進行測試。此測試平臺架構方便測試各種不同類型的電網運行狀況。

2 光伏并網逆變器多場景性能測試步驟

光伏逆變器的測試項目分為多個場景，不同場景的測試要求存在差別，構建的光伏逆變器多場景性能測試平臺需要可以進行完整的性能測試，下面針對幾種重要的測試內容進行分析。

2.1 最大功率追蹤測試

通常的光伏發電系統的輸出功率是具有隨機性和間歇性的，其對外界氣候條件較為敏感，例如：光照和溫度變化都會對光伏發電的輸出功率造成影響。在天氣狀況良好時，光伏電池特性曲線的最大功率點存在單峰值特性，當光伏電池受到氣候因素影響或者被遮蓋時，會使得光伏電池特性曲線呈現多峰值特性，因此，在進行最大功率跟蹤算法編寫時，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 逆變器效率測試

光伏并網逆變器設備效率的計算公式如下：

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。在進行測試時，為了保證獲得效率曲線，需要對多個負載點進行測試。

2.3 電能質量測試

為了使光伏并網逆變器的電流符合標準，需要對其進行電能質量測試，通過對電流的總諧波畸變率和各次諧波的含量進行測試，從而針對性的對光伏逆變器進行調試。測試時需要奇、偶次諧波滿足相關限值（見表1）。另外，在進行電能質量測試時，可以選用FLUKE435電能質量分析儀，在檢測完畢后便于將結果導入電腦中，為日后的分析提供方便。

表1 奇數和偶數次諧波含有率限值

2.4 防孤島測試

在進行防孤島測試時，首先，將并網開關和RLC負載開關閉合，然后啟動并網逆變器；其次，觀察開關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，需要結合過欠電壓和頻率保護封鎖DSP驅動脈沖，并且準確記錄切除時間，進行孤島檢測的標準時間如表2所示。

表2 孤島檢測的最大允許時間

3 測試平臺的實驗驗證

為了保證構建的多場景檢測平臺具有可行性和有效性，需要運用搭建的實驗平臺進行相關實驗。

3.1 最大功率跟蹤測試

光伏并網逆變器在運用的時候會面臨不同氣候，在進行最大功率跟蹤測試時，應充分考慮不同季節的典型氣候條件。在測試時，選擇典型氣候作為模擬條件，輸入光伏發電系統實際輸出功率和最大功率跟蹤功率指令值，然后每間隔5min收集一次數據，并將數據如實記錄在Excel中，測試完成后將所有數據導入Matlab軟件進行處理。最后,根據軟件處理的結果進行分析可知，MPPT功率指令與實際情況中光伏發電系統的輸出功率基本相同，不會隨著外界條件改變而變化，可知此檢測平臺在戶外最大功率跟蹤測試環節的有效性。

3.2 效率測試

根據2.2中的測試步驟，選取幾個額定負載點功率進行測試。為了更好的體現測試平臺的檢測效果，本次實驗選取的額定負載點功率百分數為5%，然后依次加5%，遞增到30%，接著再選取50%、75%和100%的額定負載點功率百分數,選取完成后得到一系列數據，最后計算得出此次試驗測試效率為96.25%、97.32%、97.9%、98.28%、98.54%、98.67%、98.94%、98.51%、97.21%。

3.3 電能質量測試

通過FLUKE435對并網的電流諧波進行測試，最后測試出來并網電流的總諧波畸變率為2.1%，此檢測結果小于標準要求。

3.4 孤島檢測測試

運用此檢測平臺進行光伏并網逆變器的孤島監測性能實驗，結合實驗過程及結果發現，進行試驗時，并網在初始條件下可以保持正常運行，隨著實驗的進行，電網電壓在特定觸發點斷開之后，電網電壓的幅值差超過了電壓保護閾值，然后DSP驅動信號接到了信號，立即進行封鎖，封鎖完成之后逆變器停止運行，此時電流為零。在此過程中可以在并網逆變器的2個工頻周期中檢測出孤島，結合測試結果可知此平臺可以有效檢測出孤島監測性能。

結論：本文通過對構建的多場景性能測試平臺進行分析，針對構建時存在的問題，對平臺架構需要的軟硬件進行改進。對此平臺的可行性和有效性進行實驗測試，并根據實際情況設計重要性能測試步驟，對光伏并網逆變器的最大功率跟蹤效率、電能質量等進行測試，并進行防孤島性能檢測；根據實驗中的現象和所得結果，分析實驗得出的數據，發現此檢測平臺對光伏并網逆變器的重要性能檢測效果符合標準要求，構建的多場景平臺可以通過開關的控制調整，靈活的選擇模擬不同場景進行測試，改善了傳統檢測平臺的不足，實現了多性能測試實驗一體化進行。