光伏逆变器并网检测系统的设计

王 朔,张 骥,李亮玉,郑紫尧,邢 琳

(国网河北省电力有限公司经济技术研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

随着对能源消耗和环境保护的重视,发展新能源产业,大力推进低碳经济,已经成为重要共识。光伏发电产业的发展为我国改善能源结构,构建社会主义生态文明发挥了积极的作用。光伏逆变器作为太阳能光伏阵列与电网进行能量交换的载体,需要调节输出电压的幅值、频率、相位和电网保持一致,使得输出端的电压严格满足并网的需求[1-4]。因此,研发可靠的光伏逆变器并网检测系统对于保证产品的安全运行具有重要意义。

科研人员对光伏逆变器检测平台进行了一定研究。郭放、闫华光等[56]设计了一套智能光伏逆变器自动检测平台,开发了3个软件模块子系统,分别测试光伏逆变器3种类型的实验。崔剑[7]对逆变器的电气性能以及保护性能进行检测,通过仿真及实验处理证明实验的可行性。崔剑、王金梅等[8]通过总结不同检测平台的不足,赋予平台实现逆变器的自检功能,提高了检测精度。当前国内外已经制定了光伏逆变器的入网标准,但并没有具体的测试方法及要求[9-10]。因此,有必要研究光伏逆变器并网检测系统,保证检测方法和检测结果的准确性。

本文介绍了当前光伏逆变器检测平台的发展现状,对逆变器的结构及工作原理进行阐述,基于对检测系统的功能需求分析,提出检测系统的总体结构设计。确定检测系统的主要测试回路后,对检测系统中涉及到的主要设备如电网模拟源、光伏模拟器、RLC交流负载进行软硬件设计和设备组网设计。最后,通过典型的逆变器功率因数测试、过欠压测试和防孤岛测试等性能检测试验验证光伏逆变器并网检测系统的功能可靠性。

1 概述

1.1 逆变器工作原理

光伏逆变器可分为隔离型和非隔离型两大类。其中,非隔离型逆变器是未来光伏系统的发展方向,但由于不采用变压器进行隔离及升压,逆变器易向电网中注入直流分量,且这种拓扑产生的对地漏电流也成为当今的一个技术难题[11-12]。

单相非隔离逆变器的电路拓扑图及开关信号如图1所示。并网系统中因电网电压固定,所以可控量只有并网电流,这时通过控制逆变器的输出电流的幅值和相位就可以控制逆变器输出的有功及无功功率。通过改变逆变器两桥臂上开关管的通断状态,可以不断地改变输出滤波电感两端的极性,这时滤波电感两端会有交变的电流流过,电流的谐波成分会随着开关管开关频率增加而减小,输出侧的滤波电容可以滤掉高频谐波电流。

图1 逆变器工作原理

逆变器桥臂上的开关由调制波和载波产生的信号来触发,其中,载波是固定不变的,常用三角波和锯齿波,而调制波则需要根据控制目标来改变它的幅值和相位,从而使得逆变器的开关导通持续时间、开通时间以及关断时间灵活变化,最终改变逆变器输出电流的大小和相位。图2中为调制波生成的开关信号(此处采用三角波)。

图2 调制波生成开关信号原理

1.2 发电系统对光伏逆变器的质量要求

光伏逆变器作为太阳能光伏阵列与电网进行能量交换的载体,输出端具体要求如下。

(1)完成高质量的电能转换。逆变器需要保证输出电压的幅值、频率、相位要和电网保持一致;输出的谐波、三相不平衡度以及输出端的直流分量满足入网要求。

(2)保证系统的可靠性和安全性。必须满足过欠压、过欠频、防孤岛、过载、短路、操作过电压、低电压穿越等保护功能。

(3)具备高可靠性,能够应对恶劣环境、能长时间运行且保持良好状态。

(4)提高光伏系统整体效率。目前光伏发电的成本较高,提高逆变器转化效率是提高光伏发电系统整体效率的重要手段。

2 检测系统硬件设计

2.1 系统整体架构

检测系统的整体架构如图3所示,由图可知测试回路主要由电网、光伏模拟器、光伏逆变器(被测设备)、电网模拟器构成。其中光伏模拟器负责模拟光伏电池的输出特性,通过对它的调节配合被测设备在不同工作点的工作状态。电网模拟源负责模拟电网侧的各种状态,模拟真实电网中可能出现的状态,如电压波动、频率变化、谐波等,以便测试光伏逆变器对电网侧波动的响应。信息采集点采集实验过程中所需的数据信息和波形信息,测试系统通过采集的信息判断被测设备的相应功能是否满足指标要求。

图3 检测系统整体架构

系统中的所有开关都置于开关控制柜中,控制实验过程中所有设备的投入与切出。通过不同的开关组合能够构建不同的测试回路,对被测设备做相应实验,检测系统中光伏模拟器与电网模拟器均能双向运行,满足对充电桩、储能变流器电能从交流侧到直流侧的实验测试。集控设备是所有设备的通信模块的合集,通过与上位机通信,将实验过程中所有的设备信息上传至PC端进行统一控制。

2.2 检测系统的硬件组成

2.2.1 电网模拟源

在进行实验的过程中检测系统需要模拟电网侧的过欠频、电压波动、闪变、谐波等故障,以此来测试被测设备因电网侧异常产生的相应动作。真实电网侧的故障是不受人为控制的,所以并网逆变器在测试时不直接与实际电网相连,需要电网模拟源模拟电网侧故障的设备来完成这项任务。

电网模拟源由检测及控制系统、启动单元、能量转换单元和滤波单元四部分组成。其中启动单元内部有相互并联的电阻和接触器,并且接触器两端分别连接能量转换单元和电网。能量转换单元由三相系统组成,每相可分为整流和逆变两部分,通过电平转换可将电网的输入电压转换成幅值可调、频率可变、能够模拟电压波动和闪变的交流电压。能量转换单元的原理如图4所示。

2.2.2 光伏模拟器

光伏模拟器不仅可以作为普通的程控直流源,还能模拟各种光伏阵列的输出特性曲线,以此来验证逆变器的效率等指标。光伏模拟器的原理如图5所示。

图5 光伏模拟器原理

由图5可知控制部分主要由DSP、整流滤波电路、DC/DC变换电路、驱动电路、检测电路组成。检测电路负责检测输出电流、电压信号,其中电压信号来变换电路的输出端,经过检测电路处理发送到DSP中,电流信号来自负载的输出端,同样通过采样电路处理发送到DSP控制端,DSP中通过闭环控制保证电压电流的稳定。

2.2.3 RLC负载

RLC负载主要用在防孤岛效应的实验中。设备内部结构如图6所示。该设备内部每相接入交流侧的回路都有纯阻性负载、感性负载和容性负载,且三相负载功率的控制是独立的,可以分别控制,能够模拟任何功率负荷。阻性负载的最大功率是113.33 k W,能够加载的最小单位是0.001 k W。感性和容性负载最大功率都为113.33 k Var,能够加载的最小单位都是0.001 k Var,设备的装机总容量是339.99 k VA。此设备可以精确控制交流侧谐振的发生,能够非常有效地测试被测设备的防孤岛性能。同时设备也可以通过RS485接口与远程PC连接,实现远程控制及自动加载。

图6 RLC负载内部结构

3 检测系统软件设计

检测系统的主要任务是对平台中设备进行操作,需要将操作试验平台上的各种设备组成一套自动实验系统完成设备之间的精确配合,发挥设备的最大功能,因此对设备的管理在系统中占据很重要的地位。检测系统需要将所有设备组成网络然后经过计算机进行集中控制,通过计算机软件协调各种设备完成实验的自动检测功能。检测系统还要求能够手动执行实验流程,故需要对各种设备设计单独的控制界面,满足用户对单台设备的操作,硬件设备在运行过程中可能会由于某些原因出现故障,故检测系统还应对设备进行故障监测,当故障发生时将故障信号迅速发送到控制端,提醒相关人员进行处理。

4 设备组网方式设计

检测系统中不同设备会有不同的通信协议,电网模拟源、光伏模拟器、PLC等大多数设备用到的都是Modbus通信协议;RLC防孤岛负载、直流负载采用的是厂家自定义的协议格式;测量设备WT3000与DL850为厂家提供的API接口实现设备的通信。

检测系统中由于网口设备较多,需要通过交换机将网口扩展,硬件设备建立通信连接如图7所示。由图7可得,电网模拟源、光伏模拟器、RLC负载、直流负载以及PLC通过串口服务器连接到以太网交换机,功率分析仪、录波器也连接到交换机。服务端PC通过网口连接到交换机,接收客户端发送来的指令,控制系统中各设备的协同运行,并将实验数据存储到数据库中。

图7 通信连接示意

5 检测系统的试验测试

检测系统研发后,需要对光伏逆变器进行多项性能测试,以验证检测系统的可靠性。由于不同试验的检测回路不尽相同,本文选取了功率因数、过欠压和防孤岛3个典型试验测试进行阐述,以验证检测系统的功能可靠性。

5.1 功率因数试验

设备的功率因数小于一定程度时,会对电网稳定性产生影响。国标文件明确规定,当逆变器的输出有功功率大于其额定功率的50%,功率因数不能低于0.98;输出的有功功率在其额定功率的20%～50%,功率因数应不低于0.95。对设备进行功率因数测试,试验结果如表1所示。

表1 功率因数实验数据

由表1可得,不同功率点下,逆变器的功率因数均大于0.98,满足国标要求。

5.2 过欠压试验

当逆变器交流侧的输出电压超过电网允许的电压范围时,设备必须能够自动脱离电网。以U相电压为例,逆变器过压和欠压测试结果分别如图8和图9所示。图中绿色波形表示U相电流,黄色波形表示U相电压。

图8 光伏逆变器过压试验波形示意

图9 光伏逆变器欠压试验波形

由图8可得,当U相电压升高到120%网侧电压时,光伏逆变器脱网,脱网时间是63.9 ms,小于规定的2 s。

由图9可得,当U相电压降低到30%网侧电压时,光伏逆变器脱网,脱网时间是5.1 ms,小于规定的0.1 s。测试结果表明检测系统能够进行设备过欠压性能检测。

5.3 防孤岛试验

光伏逆变器接入10 k V及以下电压等级的配电网时,需要具备针对孤岛效应的保护功能。防孤岛测试回路如图10所示,光伏逆变器与电网模拟源之间增加了RLC防孤岛负载用来模拟电网线路中的负载。

图10 光伏逆变器防孤岛试验回路

设备防孤岛试验结果如图11所示,图中红色波形表示逆变器输出侧U相电压,绿色波形表示设备交流侧U相电流。当电网切除时,U相电压的相位与幅值发生了变化,而被测设备继续向负载供电,不满足防孤岛性能的要求。试验结果表明,检测系统能够对光伏逆变器防孤岛性能进行检测。

图11 光伏逆变器防孤岛试验波形

6 结论

新能源领域的蓬勃发展对光伏逆变器的质量安全提出了更高的需求。本文基于发电系统对逆变器的并网需求研发设计了光伏逆变器并网检测系统,该系统能够对设备进行质量性能和保护性能指标测试,对光伏逆变器的性能检测具有重要意义。