55 kW集中型光伏并网逆变器运行性能分析

许海园， 刘祖明， 李景天， 马逊，杨康， 谢明达， 马铭， 赵冬阳

(1.云南师范大学 太阳能研究所，云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650092；2.云南电网公司 大理供电局，云南 大理 671000)

随着国家对光伏并网发电的支持，并网容量不断增长，作为整个光伏并网系统的核心，并网逆变器的效率以及输出交流电的电能质量直接影响到用户的用电质量.文献[1-3]中，研究者对光伏逆变器综合性能检测平台进行了研究，包括光伏并网逆变器的效率测试、电能质量、功率因数等几个关键性能指标的测试.本文以云南师范大学1 MW光伏并网系统中的游泳馆部分作为研究对象，实际检测了55 kW集中型并网逆变器的运行情况，对其运行效率、电能质量进行了分析.

1 并网逆变器性能概况

并网逆变器是将直流电转换为电压为380 V(单相220 V)、频率为50 Hz、电压波形为正弦波的三相交流电的转换装置.因此，并网逆变器承担着电压、电流转换来实现与电网匹配的功能.由于逆变器与电网是直接相连的，因此，逆变器的效率及并网运行时产生的各种干扰和波动会对电网产生较大影响，如电网瞬时电压闪变、谐波污染和稳态电压波动等问题.为保障电网与光伏发电系统的安全运行，世界各国对并网逆变器的输出效率和电能质量做了一系列技术要求规范和并网标准规定.

集中型光伏并网逆变器性能包括很多方面，本文就其主要的两个性能——逆变器运行效率以及并网逆变器的输出电能质量进行检测研究，通过对这些性能参数准确有效的测量计算和分析，从而可以进一步研究和提高光伏并网逆变器的性能.

2 并网逆变器检测及分析

云南师范大学1 MW光伏并网系统中的游泳馆部分装机功率89.21 kW，每个子串由18块185 W单晶硅组件构成，子串最大功率点电压为631 V,所有子串经汇流后分别送入两台55 kW的逆变器(逆变模块).每台55 kW逆变器的最大直流输入功率为59 kW，MPPT工作范围为465～850 V.本次测试针对其中一个逆变器(模块)进行.测试设备采用三相电能质量分析仪PQA824、太阳能光电系统和三相系统的电能质量分析仪SLR300N和三相电能质量分析仪CA8335，三种测量设备均可对所测量的数据进行自动记录，其中SLR300N可同时测量及记录交直流端的电压、电流.本文中所涉及的测量参数包括直流端输入电压和电流，交流端输出三相电压、电流和电能质量的各项性能参数.测试在多云天气条件下进行，采样时间为5 sec～5 min.

2.1 逆变器的运行效率

光伏逆变器的效率是指其交流侧输出有功功率与直流侧输入功率之比[3]：

图1为逆变器效率随逆变器负载点变化图.

图1 光伏并网逆变器效率随负载点变化图

由图可知，在负载点达到20%前逆变器效率随负载点的增大而升高，负载点高于20%后，逆变器效率基本稳定在92%～94%之间，整体运行效率较高；曲线中部分地方变化剧烈，这是因为在有云层遮挡的情况下会引起光照强度剧烈波动，从而使效率发生波动.

2.2 光伏并网逆变器电能质量分析

光伏并网系统提供的交流电能应在电压偏差、谐波、功率因数和频率等方面均满足要求并符合相关标准[4].当出现偏离标准或不符合使用要求的越限状况时，系统应能检测到这些偏差，并及时将光伏系统与电网安全地断开.

2.2.1 电压偏差

根据GB/T12325规定，供电电压偏差是指实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示，计算公式如下[5]：

在正常运行时，光伏系统与电网接口处三相交流电压的电压偏差为±7%，单相电压偏差-10%～+7%.

本测试系统中，三相电压测量的线电压平均值为391.25 V，系统标称电压为380 V，所以算得电压偏差为：

符合GB/T12325的规定.

2.2.2 频率

在GB/T15945-2008中，频率偏差的定义为系统频率的实际值和标称值之差[6].根据GB/T19939-2005规定，并网光伏系统应与电网保持同步，额定频率为50 Hz，而频率偏差值应符合GB/T15945-2008的规定，即偏差值范围在±0.5 Hz[4].本测试系统中，频率的变化情况如下图所示.

图2 并网逆变器频率变化图

由图2可知，在逆变器启动的整个时间段频率都在50 Hz附近，变化不大，实际测出一天中的平均频率为50.003Hz，频率偏差值为50.003-50=0.003 Hz，符合相关标准.

2.2.3 谐波与波形畸变

低的电压和电流的谐波水平是有益的，但高谐波增加率会对所连接的设备产生有害影响.逆变器通过逆变电路的调制、整流滤波、升压等，最终得到用户使用的正弦交流电.由于逆变器中电力电子器件的大量应用，增加了非线性负载，从而造成波形失真，给系统带来大量谐波，因此，谐波的幅度和阶次会受到系统的发电方式及逆变器工作模式的影响.

2.2.3.1 电流谐波及其波形畸变

光伏系统的输出须有较低的电流畸变，来确保不会对连接到公用电网的其他设备造成不利影响.光伏系统并网技术要求(GB/T19939-2005)中规定总谐波电流应小于逆变器额定输出电流的5%，即各次谐波电流值应限制在下表1、表2所列的百分比范围之内，偶次谐波畸变应小于低的奇次谐波畸变限值的25%[4].

表1 奇次谐波电流畸变限值

表2 偶次谐波电流畸变限值

本次共测得电压、电流50次的谐波分量，现将对总谐波畸变贡献较大的主要分量统计如下：

图3 3次至9次电流奇次谐波含有率

由图3可知，3次、7次和9次谐波含有率大部分均在4%以下，而5次谐波起伏较大且不满足畸变限值.

图4 11次至15次电流奇次谐波含有率

由图4可知，11次至15次电流奇次谐波除了在下午五点四十左右出现大幅度畸变外，其余时间均在2%的畸变限值以内.

图5 17次至21次电流奇次谐波含有率

由图5可知，17次至21次电流奇次谐波全部符合低于1.5%的畸变限值要求.

图6 23次至33次电流奇次谐波含有率

由图6可知，23次至33次电流奇次谐波中，27、31、33次谐波基本满足低于0.6%的畸变限值，但23、25、29次谐波波动幅度较大，且25和29次谐波大都高于0.6%的畸变限值.

图7 2次至8次电流偶次谐波含有率

由图7可知，2、4、6次电流谐波均满足低于1%的畸变限值要求，8次谐波仅在18∶30出现突变，超出限值.

图8 10次至32次电流偶次谐波含有率

由图8可知，除了30次电流谐波产生两个大于0.6%的峰值外，其余10次至32次电流偶次谐波均符合低于0.6%的畸变限值.

2.2.3.2 电压谐波及其波形畸变

电网中谐波电压限值有相应的规定，常用电压总谐波畸变率来表示.总谐波畸变率的定义为周期性交流量中谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比，用THDu表示.电网标称电压为0.38 kV时，标准规定电压(相电压)总谐波畸变率应为5%[7].

现将一天中电压总谐波畸变率变化曲线作图如下：

图9 电压总谐波畸变率

由图9可知，一天中电压总谐波畸变率均在5%以下，满足标准规定.

2.2.4 功率因数

功率因数是指有功功率和视在功率之比.根据GB/T19939-2005的规定，当逆变器的输出功率大于其额定输出功率的50%时，系统的平均功率因数应不小于0.9(超前或滞后)，一段时间内的平均功率因数为：

式中：EREAL—有功电量(kW·h)；EREACTIVE—无功电量(kvarh).

选取某一天中逆变器输出大于其额定输出的50%的时段的数据，作图如下：

图10 一段时间内平均功率因数变化图

由图10可知，该逆变器每一时刻的平均功率因数均在0.9以上，符合标准规定.

3 结 论

从对本校集中型55 kW光伏并网逆变器的测试数据来看，该逆变器的运行性能中其运行效率、电压偏差、频率偏差、功率因数等参数均符合国家相关标准规定，但该光伏系统输出的电流畸变水平有部分不稳定，部分谐波超出了规定的畸变限值，会对连接到电网的其他设备造成一些不利影响.本文测试对象为含变压器的逆变器，测试数据会受变压器影响有一定偏差，但大体符合逆变器的性能特征.本文通过对逆变器各项性能参数的测试分析，为其他逆变器检测提供了依据，对进一步提高逆变器性能提供了参考.

[1] 崔荣靖，李盛伟，李晓辉，等.光伏并网逆变器检测技术初探[J].电力系统及其自动化学报，2013，25(4)：103-107.

[2] 郭放，李大中.光伏并网逆变器性能检测技术及智能检测平台系统研究[J].电力学报，2012，27(5)：498-501.

[3] 邹建章，陈乔夫，张长征.光伏逆变器综合性能测试平台研究[J].电测与仪表，2010，47(536)：20-23.

[4] GB/T19939-2005，光伏系统并网技术要求[S].

[5] GB/T12325-2008，电能质量供电电压偏差[S].

[6] GB/T15945-2008，电能质量电力系统频率偏差[S].

[7] GB/T14549-93，电能质量公共电网谐波[S].