光伏并网逆变器性能指标检测与分析研究

崔 剑 王金梅 陈 杰 杨国华

(宁夏大学物理电气信息学院，宁夏 银川 750021)

光伏并网逆变器性能指标检测与分析研究

崔 剑 王金梅 陈 杰 杨国华

(宁夏大学物理电气信息学院，宁夏 银川 750021)

光伏并网逆变器性能的优劣直接影响电力设备、人员安全,以及整个发电系统乃至电网的稳定性。通过对逆变器性能指标检测技术、检测标准的研究，分析了不同性能测试的国际标准和测试原理，对逆变器的电气性能、保护性能进行检测，设计了光伏并网逆变器的测试平台，给出了性能测试流程，并通过实际环境设备测量验证其一致性。测试结果表明，该检测平台可实现光伏逆变器性能指标的检测与分析，设备配置合理，功能完善可靠。

光伏发电系统 并网逆变器 电能质量 孤岛检测 检测平台

0 引言

随着能源危机和环境污染等问题的日益严重，基于可再生能源的并网发电技术成为解决上述问题的有效措施之一。在可再生能源并网发电领域中，由于太阳能资源丰富，光伏并网发电技术吸引了越来越多的关注[1-3]。

随着光伏发电系统的发电比例不断增加，光伏发电系统的大规模接入将会对电力系统产生一定影响[4-5]。光伏并网逆变器是光伏发电系统的核心部件，主要起到功率控制和能量变换等作用。光伏并网逆变器性能直接影响入网电流和功率等电能质量，因此如何评估光伏并网逆变器的电气性能是保证光伏产品有效推广的关键技术之一。

本文针对光伏并网逆变器的电气性能评估问题，结合北京鉴衡认证中心发布的CGC/GF004:2011(CNCA/CTS00004-2009A)光伏并网发电专用逆变器技术条件，设计了光伏并网逆变器性能指标实验平台，给出了测试性能的流程图，详细分析了不同电气性能测试的国际标准和测试原理。最后，针对某实验性电站的光伏并网逆变器进行了电气性能测试，并分析了测试结果，测试结果表明了测试实验的准确性和有效性。

1 光伏逆变器性能指标实验平台

逆变器测试平台由逆变器综合性能测试分析系统和通信及数据采集系统构成[6-9]，如图1所示。

图1 逆变器性能测试分析系统

如图1所示，逆变器综合性能分析系统主要是对采集到的数据进行分析、评估，进而确定逆变器是否能够稳定、可靠地运行。

通信及数据采集系统是系统中完成人机交互的核心部分，通过采集相关设备数据(如变压器、开关等)以及逆变器测试设备的相关数据，实时上传至综合分析系统的数据库，并将用户测试系统的运行状况和被试逆变器的性能反馈给试验人员，然后对实时收集系统内各设备采集到的各项数据进行存储，最后根据数据分析要求，将采集到的数据进行处理并显示、记录结果。软件处理界面应满足相应要求，并支持直接输出完整的测试报告的功能。

该平台可对逆变器的电气性能指标、保护性能以及电磁兼容性进行测试。具体测试项目包括：逆变器效率测试、功率因数测试、电能质量测试、直流分量测试、过流/短路保护测试、孤岛保护测试、交流过/欠电压保护测试、过/欠频率保护测试、软启动测试以及电压波动和闪烁测试等。

2 逆变器性能指标测试

根据原理图搭建检测系统平台，进行逆变器性能指标检测，检测流程图如图2所示[9]。

图2 检测系统流程图

2.1 逆变器电气性能指标测试

2.1.1 逆变效率测试

最大逆变效率(ηmax)发生时，逆变器输出功率占额定功率的百分比(x%)由制造商和用户协议确定。在逆变器输出x%额定功率时，测量其直流输入功率，计算出ηmax。

1) 无变压器型逆变器的最大转换效率应不低于96%；

2) 含变压器型逆变器最大转换效率应不低于94%。

根据欧洲效率的公式，根据负载点为5%、10%、20%、30%、50%、100%时逆变器的效率，求得逆变器欧洲效率，并找出最大逆变效率[10]。

2.1.2 功率因数测试

在光伏并网发电系统的PCC点处进行测量，规定当逆变器输出有功功率大于其额定功率的50%时，功率因数应不小于0.98(超前或滞后)；输出有功功率在20%～50%之间时，功率因数应不小于0.95(超前或滞后)。

一段时期内的平均功率因数(powerfactor，PF)公式为：

(1)

式中：POUT为逆变器输出的总有功功率，kW；QOUT为逆变器输出的总无功功率，Var。

2.1.3 电能质量测试

光伏并网变换器具有非线性特性，将会引起电流畸变，损坏电网电能质量。针对这一问题，IEEE std.929-2000对并网谐波电流含量进行了严格的限制，要求光伏并网逆变器在运行期间向电网注入的谐波电流必须控制在允许范围内。

将电能质量分析仪放置在公共耦合点处，分别测量注入网电流总谐波畸变率和各次谐波电流含有率。规定入网电流总谐波畸变率小于5%，各次谐波中奇次谐波电流含量限值如表1所示。

表1 奇次谐波电流含量限值

偶次谐波电流含量限值如表2所示。

表2 偶次谐波电流含量限值

2.2 逆变器保护功能测试

2.2.1 过流/短路保护测试

在光伏并网发电系统交流侧，模拟电网短路故障。当逆变器检测到交流侧发生短路故障时，应停止向电网供电，并测量光伏逆变器输出电流值以及与电网断开的时间。规定逆变器输出的电流应不大于额定值的150%，并在0.1 s内停止向电网供电，同时发出警示信号。故障排除后，逆变器应能正常工作。如果在1 min之内2次检测到交流侧发生保护，逆变器将不得再次接入电网。

2.2.2 交流过/欠电压、频率测试

光伏并网发电系统对异常电压响应动作、时间的相关限值如表3所示。当逆变器交流输出电压超过规定电压范围时，逆变器应停止向电网供电，同时发出警示信号。在频率测试中，首先需要设置交流电源输出频率，当其频率大于(50±0.5) Hz时，逆变器应在0.2 s内停止向电网供电。

表3 异常电压响应时间

2.2.3 孤岛保护测试

所谓孤岛效应，是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，分布式发电系统未能检测出停电状态而脱离电网，仍然向周围的负载提供电能，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛。孤岛效应对电力系统、各用户端设备都会带来很大危害，甚至会威胁线路检修人员的人身安全。因此，光伏并网逆变器必须具有防孤岛效应检测能力。当电网停电检修时，逆变器立刻停止对电网的供电，且响应时间为2 s。防孤岛效应检测原理如图3所示[11-14]。

图3 防孤岛效应检测原理图

3 测试结果与分析

前文对逆变器的电气性能测试进行了详细说明，在此针对国内某厂家生产的三相SG10K3逆变器进行电气性能测试，并进行详细分析。

3.1 电能质量检测

首先对三相SG10K3进行电能质量测试，将电能质量分析仪放置在PCC，测试入网电流，得到的数据图如图4所示。图4(a)和图4(b)分别给出了入网电流偶数和奇数谐波含量，将其与表1和表2进行对比可知，并网电流谐波含量均在允许范围内，满足并网标准。

图4 逆变器输出电流谐波含量

3.2 防孤岛检测

前文对并网逆变器的电能质量进行了测试和分析，在此主要对逆变器的防孤岛效应进行测试。首先启动逆变器检测平台，当逆变器并网后，根据防孤岛效应检测步骤进行实验测试，实验结果如图5所示。

图5 防孤岛检测实验结果

由图5可知，在0.2 s之前并网逆变器处于并网运行状态;在0.2 s时，光伏并网系统发生孤岛；在0.26 s时，逆变器检测出孤岛发生并停止向电网供电，使电流为零，孤岛检测时间满足要求。

3.3 逆变器效率检测

对送变器进行效率测试，所得效率曲线图如图6所示。

图6 并网逆变器效率曲线

由图6可以看出，光伏并网逆变器在负载点为60%时能够获得最大逆变效率，约为95.7%，依据欧洲效率计算公式，得出逆变器的欧洲效率为93.91%。

在某实验电站，取10月份的某一晴天进行逆变器效率测试，针对不同负载点，测试逆变器效率结果如表4所示。

表4 各负载点对应的效率值表

现实环境中受日照辐射、风速、温度等影响，光伏逆变器很难达到负载点为100%，因此取一个近似值来代表100%负载点中的值。根据欧洲效率计算公式，得出逆变器欧洲效率为92.06%。

通过上述计算结果对比可以看出，实验室测试结果与实际设备测量的结果基本一致，测试结果和实验结果均验证了效率测试的有效性。同时由于太阳能受自然条件的限制及天气因素的影响，在户外测得的逆变器效率略低于测试数据。

4 结束语

本文研究了光伏并网逆变器的检测方法，参照国际标准构建的光伏并网逆变器检测平台，分析了并网逆变器不同性能标准和测试原理，设计了测试流程，最后对某三相SG10K3逆变器进行检测、分析，并与户外实验电站取得的数据进行比较研究。平台设备配置合理，操作简单，运行情况良好，测量精度高，能有效完成对逆变器的电气性能指标、保护功能等测试，为其他实验提供数据支持，确保了发电系统及电网运行的稳定性。

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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

国家自然科学基金资助项目(编号：51167015、71263043)；

国家国际科技合作基金资助项目(编号：2011DFA11780)。

崔剑(1989-)，男，现为宁夏大学电路与系统专业在读硕士研究生;主要从事光伏并网发电技术方面的研究。

TM464

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509021

修改稿收到日期：2015-01-30。