■ 黃靜 劉江峰 劉林東 陳富東 余振 薛洪斐

(1.信陽師范學(xué)院建筑節(jié)能材料河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 2.河海大學(xué)機電工程學(xué)院)

0 引言

并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能的好壞會直接影響整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量和投資收益。隨著國家“十三五”規(guī)劃對光伏發(fā)電的大力支持，光伏逆變器的評價方式及性能提高也越來越受到人們的關(guān)注[1-4]。光伏逆變器最重要的兩個電氣性能指標(biāo)為效率和電能質(zhì)量[5-8]。在光伏電站的實際運行中，高效率的逆變器不一定發(fā)電能力就強，這與周圍的資源環(huán)境有很大關(guān)系；高效率的逆變器也不一定同時具備好的電能質(zhì)量，這與逆變器所采用的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴ㄓ嘘P(guān)。

雖然國內(nèi)對逆變器在實驗室條件下的性能指標(biāo)等技術(shù)有規(guī)范要求[9]，但逆變器在實際運行時周圍工況復(fù)雜，有些性能指標(biāo)可能達(dá)不到說明書上給出的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，因此，針對逆變器運行過程中的電氣性能指標(biāo)進(jìn)行檢測及有效評價是十分重要的。本文主要研究光伏逆變器運行中的電氣性能指標(biāo)檢測技術(shù)，并結(jié)合實際電站，對2臺逆變器的效率及電能質(zhì)量檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，為逆變器在實際運行過程中的性能好壞提供了有效評價方式，也可為后期光伏電站設(shè)計中逆變器的應(yīng)用選型提供參考依據(jù)。

1 逆變器性能指標(biāo)

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵功率設(shè)備，光伏并網(wǎng)逆變器將光伏陣列輸出的直流電逆變成交流電，并實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制，其功率輸出直接決定著光伏系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量。在逆變器運行過程中，最關(guān)注的兩個性能指標(biāo)是效率和電能質(zhì)量：效率的大小直接關(guān)系到整個光伏電站的發(fā)電量，進(jìn)一步還會影響光伏電站的收益和回收周期；電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到光伏電站的發(fā)電質(zhì)量，進(jìn)一步還會影響公用電網(wǎng)的質(zhì)量，給用戶設(shè)備帶來損害。

1.1 效率

根據(jù)EN 50530-2010《Overall efficiency of grid connected photovoltaic inverters》的定義，逆變器效率可以分為3類：MPPT效率、轉(zhuǎn)換效率和總效率。本文所研究的轉(zhuǎn)換效率是逆變器的總瞬時效率，已將標(biāo)準(zhǔn)EN 50530-2010所定義的MPPT效率和轉(zhuǎn)換效率包含在內(nèi)。

逆變器轉(zhuǎn)換效率ηconv是指逆變器交流側(cè)(即并網(wǎng)接入側(cè))輸出的瞬時功率Pac(t)與直流側(cè)(即PV接入側(cè))輸入的瞬時功率Pdc(t)的比值，其公式為：

逆變器的最大轉(zhuǎn)換效率ηmax的負(fù)載點可以由制造商與用戶協(xié)議商定。北京鑒衡認(rèn)證中心發(fā)布的CGC/GF 004TM.1-2012《并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器試驗方法：第1部分 電性能》中規(guī)定：無變壓器型逆變器的最大轉(zhuǎn)換效率應(yīng)不低于96%，含變壓器型逆變器的最大轉(zhuǎn)換效率應(yīng)不低于94%。

在實際工作中，由于逆變器的輸出功率會隨著太陽輻照度、環(huán)境溫度等條件的變化而變化，不會一直工作在最大轉(zhuǎn)換效率的負(fù)載點，且最大轉(zhuǎn)換效率高的逆變器不一定發(fā)電量就最大，所以，用最大轉(zhuǎn)換效率來評價逆變器的發(fā)電效率不夠科學(xué)和全面。

逆變器的輸出功率與很多因素相關(guān)，包括太陽輻照度分布、負(fù)載點下的轉(zhuǎn)換效率、最大功率點跟蹤效率等。雖然標(biāo)準(zhǔn)EN 50530-2010也提出用歐洲加權(quán)效率和加州加權(quán)效率來評價逆變器效率，但由于我國太陽能資源分布與歐美地區(qū)有較大的差異，所以不能用這兩種加權(quán)效率來評價中國地區(qū)的逆變器效率。

鑒衡認(rèn)證中心王婷等[10]在我國全國范圍內(nèi)選取了13個地區(qū)的年輻照度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，給出了光伏逆變器“中國效率”ηChina的評價方式；CGC/GF 035-2013《光伏并網(wǎng)逆變器中國效率技術(shù)條件》[11]也給出了中國效率的加權(quán)公式，其公式為：

式 中，η5%、η10%、η20%、η30%、η50%、η75%和η100%分別為逆變器在負(fù)載點5%、10%、20%、30%、50%、75%和100%時的轉(zhuǎn)換效率。

1.2 電能質(zhì)量

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率會隨著輻照度及環(huán)境溫度的變化而變化，不是穩(wěn)定值，具有波動性，所以會對并網(wǎng)側(cè)造成一系列的電能質(zhì)量問題，包括電壓波動、頻率波動及電壓閃變等。另外，由于光伏逆變器是功率變換設(shè)備，在將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成交流電的過程中，會帶來諧波及直流分量等問題，會對用戶設(shè)備造成損害，甚至?xí)斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，光伏逆變器在運行期間，其交流側(cè)的電能質(zhì)量必須滿足國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12-15]，包括電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、諧波等電能質(zhì)量參數(shù)。

2 逆變器效率及電能質(zhì)量測試

本文結(jié)合信陽地區(qū)10 kW光伏電站，對2臺光伏逆變器的效率及電能質(zhì)量進(jìn)行了測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.1 10 kW光伏電站情況

信陽地區(qū)全年累計總輻照量為7198.9 MJ/m2，夏季平均氣溫約為26 ℃，冬季平均氣溫約為1～2 ℃，春季和秋季平均氣溫約為16 ℃。10 kW光伏電站位于某學(xué)校綜合實驗樓5樓天臺，地理坐標(biāo)為 114°2′3′′E、32°8′31′′N，安裝方位為正南方向，固定傾角為27°。

系統(tǒng)總安裝容量為10 kW，使用40塊多晶硅光伏組件，其中，20塊組件的型號為TSM-250PC05A，另外20塊組件的型號為AP6-60-250/3BB，組件的額定功率都是250 W。每10塊組件串聯(lián)為1路組串，共4路組串；組串1和組串3接入逆變器1，組串2和組串4接入逆變器2；最后經(jīng)逆變器交流側(cè)輸出并入到公共電網(wǎng)。10 kW光伏電站系統(tǒng)接線圖如圖1所示，逆變器電性能參數(shù)如表1所示。

圖1 10 kW光伏電站系統(tǒng)接線圖

表1 逆變器電性能參數(shù)

2.2 效率測試

10 kW光伏電站裝有光伏監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)已正常運行2年多，可以采集方陣面輻照度、環(huán)境溫度、組件溫度，各組串直流電壓、電流和功率，逆變器交流電壓、電流和功率，以及總電能等參數(shù)，數(shù)據(jù)采集間隔為5 s。本文從電站監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)中，選取2017年5月28日(天氣類型為晴天)這天的數(shù)據(jù)，分析計算出2臺逆變器全天14個整點時刻的轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載率，如表2所示；并對2臺逆變器全天轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載率進(jìn)行對比，如圖2所示。

表2 逆變器全天轉(zhuǎn)換效率及負(fù)載率

從表2可以看出，在2017年5月28日這天，逆變器1的最大轉(zhuǎn)換效率為91.74%，而逆變器2的最大轉(zhuǎn)換效率為93.66%，2臺逆變器的效率都達(dá)不到廠家所提供的最大效率技術(shù)指標(biāo)要求。

圖2 2臺逆變器全天轉(zhuǎn)換效率及負(fù)載率對比圖

由圖2可以看出，逆變器2全天的轉(zhuǎn)換效率都略高于逆變器1，而其負(fù)載率都略低于逆變器1。剛開始時，2臺逆變器的轉(zhuǎn)換效率跟負(fù)載率基本上呈正比，但隨著負(fù)載率的逐漸增大，2臺逆變器的轉(zhuǎn)換效率并不是一直增大，在負(fù)載率超過65%左右時，逆變器轉(zhuǎn)換效率反而有所降低。所以，在實際運行中，由于受輻照度和環(huán)境溫度的影響，逆變器并不一定工作在最大轉(zhuǎn)換效率負(fù)載點，用最大轉(zhuǎn)換效率來評價逆變器效率不夠全面，也不夠科學(xué)。

將2017年5月28日這天2臺逆變器的轉(zhuǎn)換效率按照7個負(fù)載點進(jìn)行統(tǒng)計，并根據(jù)公式(2)計算出中國效率ηChina，統(tǒng)計及計算結(jié)果如表3所示，其中，5%、10%、20%、30%、50%、75%這6個負(fù)載點的取值范圍均為“該值大小± 2.5%”。由于逆變器在選取時一般都留有一定功率余量，所以正常運行的情況下難以達(dá)到滿載，特別是有云天氣或者在輻照不好的地區(qū)，更難以達(dá)到90%以上的負(fù)載點。5月28日這天，逆變器1最大負(fù)載點為79.826%，所以其滿載時的效率取負(fù)載點為79.011%～79.826%范圍內(nèi)時的效率；逆變器2最大負(fù)載點為76.11%，所以其滿載時的效率根據(jù)經(jīng)驗近似取為91%。

從表3可以看出，逆變器2的ηChina高于逆變器1；逆變器1在50%和75%負(fù)載點時的轉(zhuǎn)換效率最大，逆變器2在30%和50%負(fù)載點時的轉(zhuǎn)換效率最大。根據(jù)公式(2)可以看出，50%和75%負(fù)載點時的轉(zhuǎn)換效率占權(quán)重系數(shù)比較大，所以從選擇逆變器的角度而言，要多關(guān)注逆變器在這兩個負(fù)載點時的轉(zhuǎn)換效率，選取在這兩個負(fù)載點時轉(zhuǎn)換效率高的逆變器可以提高整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。

表3 逆變器效率統(tǒng)計及中國效率ηChina

2.3 電能質(zhì)量測試

由于光伏組件、逆變器設(shè)備和電能質(zhì)量測試設(shè)備對環(huán)境條件比較敏感，為了避免測試環(huán)境對測試結(jié)果造成影響，測試環(huán)境必須滿足以下要求：環(huán)境溫度為0～50 ℃，環(huán)境濕度不超過90%。本文選取2017年12月20日和21日(天氣類型都為晴天)這兩天中午，太陽輻照度比較穩(wěn)定，基本維持在800～1200 W/m2之間。使用Fluke 435-II電能質(zhì)量分析儀分別對逆變器1和逆變器2交流側(cè)進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測，測試時長為2 h，記錄數(shù)據(jù)間隔為30 s。監(jiān)測的電能質(zhì)量參數(shù)包括：電壓有效值、頻率、功率因數(shù)、基波電流、電流總畸變率(THD)和2～25次電流諧波畸變率，并通過電能質(zhì)量分析儀配套的Power Log 430-II分析軟件對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

表4 逆變器交流側(cè)電能質(zhì)量參數(shù)

從表4可以看出，逆變器1所測的幾個電能質(zhì)量參數(shù)都能滿足國標(biāo)GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量：供電電壓偏差》、GB/T 15945-2008《電力系統(tǒng)頻率偏差》、GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求；而逆變器2除電流THD不滿足國標(biāo)要求以外，其他參數(shù)也都能滿足國標(biāo)要求。測試期間，逆變器1的輸出功率波動范圍較大，其負(fù)載率范圍為17.6%～80.4%，電流THD控制在5%以內(nèi)；與此相對，逆變器2的輸出功率波動范圍較小，其負(fù)載率范圍為69.2%～75.4%，電流THD超過5%，達(dá)到18.38%。所以，在實際運行過程中，逆變器2的電流諧波畸變率達(dá)不到廠家所提供的技術(shù)參數(shù)要求。

表5 2～25次電流諧波畸變率

根據(jù)表5可以得到2臺逆變器2～25次電流諧波畸變率的對比圖，如圖3所示。從圖3可以看出，逆變器2的電流在7、9、11和13次的諧波畸變率分別是9.25%、11.03%、9.26%和5.28%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于逆變器1。由于接入逆變器2的光伏方陣的額定功率與逆變器2的額定功率是匹配的，并且在電能質(zhì)量測試期間，太陽能輻照度比較穩(wěn)定，逆變器負(fù)載率基本穩(wěn)定在72%左右，所以，造成逆變器2電流諧波畸變率高的主要原因還是逆變器本身，應(yīng)該與逆變器的元器件選型和控制算法有關(guān)，但也不能排除電網(wǎng)對測試結(jié)果的影響，后續(xù)還會對此繼續(xù)進(jìn)行研究。

圖3 電流諧波畸變率對比圖

3 結(jié)論

在逆變器實際運行過程中，既要關(guān)注效率指標(biāo)，也要關(guān)注電能質(zhì)量指標(biāo)。逆變器實際運行工況復(fù)雜，受周圍資源環(huán)境條件的影響，其運行過程中的電氣性能指標(biāo)未必能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。本文結(jié)合10 kW光伏電站，利用電站監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，整理得到2臺逆變器的全天效率及負(fù)載率曲線，并根據(jù)效率加權(quán)公式計算出中國效率；使用Fluke 435-II電能質(zhì)量分析儀對逆變器交流側(cè)的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，然后對結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

1)在實際運行過程中，2臺逆變器的效率都達(dá)不到廠家所提供的最大效率技術(shù)指標(biāo)；且由于受輻照度和環(huán)境溫度的影響，逆變器并不一定都工作在最大轉(zhuǎn)換效率負(fù)載點。

2)從選擇逆變器的角度而言，要多關(guān)注逆變器在50%和75%這兩個負(fù)載率點時的轉(zhuǎn)換效率，選取在這兩個負(fù)載點轉(zhuǎn)換效率高的逆變器可以提高整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。

3)在實際運行過程中，逆變器2的電流諧波畸變率達(dá)不到廠家所提供的技術(shù)參數(shù)要求；造成逆變器2電流諧波畸變率高的主要原因在于逆變器本身，應(yīng)該與逆變器的元器件選型和控制算法有關(guān)，但也不能排除電網(wǎng)對測試結(jié)果的影響。

后續(xù)將根據(jù)信陽地區(qū)太陽輻照度的分布情況對研究進(jìn)一步完善，整理出適用于信陽地區(qū)逆變器效率評價的加權(quán)公式，并結(jié)合實際測試，進(jìn)一步分析逆變器2電流諧波畸變率高的影響因素。