光伏并网逆变器检测技术初探

崔荣靖，李盛伟，李晓辉，王哲

（1.天津市电力公司电力经济技术研究院，天津 300171；2.天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384）

光伏并网逆变器检测技术初探

崔荣靖1，李盛伟1，李晓辉2，王哲1

（1.天津市电力公司电力经济技术研究院，天津 300171；2.天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384）

为推动和规范我国并网光伏逆变器产业的发展，制定合乎电网企业运行要求的产品标准，建设了光伏并网逆变器测试平台，以检验入网逆变器设备的性能，完善检测标准。该检测平台由仿真直流电源、模拟阻抗网络、模拟负载、仿真交流电源和检测设备组成，通过24个测试项目，对逆变器的检测标准和检测技术进行研究。文中详细介绍了检测平台的硬件构成，并通过部分检测实例证明该平台建设技术手段先进，具有合理性、有效性和可扩展性，具备光伏并网逆变器检测能力。

光伏发电；并网逆变器；检测平台；检测技术

逆变器是光伏并网发电系统中的关键设备，不仅负责将光伏组件产生的直流电变成交流电并入电网，还可以通过控制输出电流（电压）的波形、频率和振幅，起到改善电网电能质量和稳定性等作用，最终实现光伏并网电站节能、节材、高效、安全、环保等多种目标。为保证公用电网和用户的安全，光伏并网逆变器应具备完善的保护措施，因此，有必要进一步研究光伏并网逆变器的性能测试。

目前，国际上对于分布式发电并网设备测试平台还处于起步阶段，国内对于光伏并网关键设备检测平台的建设也不多见，文献[1-5]表明，研究者大多关注逆变器的逆变技术以及分布式电源接入系统的控制技术的研究和应用。目前中国电科院搭建了一套并网光伏逆变器的检测平台，其整个平台由控制计算机、数据采集系统、RS485和通用接口总线系统构成，设备配置合理，操作方便[6]。

为推动和规范我国并网光伏逆变器产业的发展，制定合乎电网企业运行要求的产品标准，天津电科院针对光伏发电建设了并网测试平台，以检验入网逆变器设备的性能，完善检测标准。该检测平台由一次系统、二次系统和集成系统组成，本文将详细介绍检测平台的搭建，分析检测结果的合理性，证明该平台运行良好，可扩展性高。

1 检测平台构成

1.1 平台设计方案及总体功能

1.1.1 设计方案

分布式电源并网检测平台的主要目的是对并网逆变器进行测试，以验证是否满足入网要求，检测平台总体设计方案如图1所示。

图1 检测平台总体设计方案Fig.1The general design scheme of the testing platform

平台由三部分组成：一次系统、二次系统和集成系统。平台一次系统由仿真直流电源、待检测逆变器、模拟阻抗网络、仿真交流电源、模拟负载组成；二次系统由功率分析仪、电能质量分析仪、数据记录仪组成；集成系统由工控机、集成软件和可控开关设备组成。

1.1.2 总体功能

目前单相并网逆变器功率主要为10 kW及以下，三相并网逆变器功率主要有500 kW、250 kW、100 kW、50 kW、30 kW、10 kW。考虑平台搭建的意义及逆变器的常见型号，平台主要针对具有代表性的30 kW及以下的逆变器进行测试。

平台具有分布式电源接入设备（逆变器）的检测能力，具体测试项目包括[7-10]：电压偏差测试、频率测试、电流谐波测试、功率因数测试、电压不平衡度测试、直流分量测试、闪变测试、交流过/欠电压保护测试、过/欠频率保护测试、反孤岛保护测试、恢复并网测试、防雷和接地测试、逆向功率保护测试、短路保护测试、过流保护测试、输入反接保护测试、绝缘与介电强度测试、电磁干扰测试、浪涌承受能力测试、逆变器效率测试、最大功率点追踪测试、自动开关机测试、软启动功能测试、瞬时电压下降测试、交流电压追从测试。

1.2 一次系统

1.2.1 仿真直流电源

仿真直流电源主要用来模拟直流分布式电源（例如太阳能发电、燃料电池、蓄电池等）的输出特性，包括模拟天气、温度等环境的影响，模拟各种分布式电源的控制特性、响应时间等，以尽求能够向逆变器模拟一个最接近真实情况的电能输入。

根据测试项目需要，仿真直流电源应具有程序控制功能，可定义输出VI曲线。功率方面，直流仿真电源要与逆变器相匹配，即直流仿真电源的最大输出功率要大于等于被测逆变器的最大功率。因此，平台选择了32 kW的直流仿真电源，能够满足对30 kW逆变器的测试需要。考虑平台的扩展性，仿真直流电源还具有可扩容性。

电源具有函数发生器，具有恒压、横流、恒功率输出功能，具有开放的可编程性。可编程控制电压、电流、功率、电阻等，可以作为时间，或者相互之间的任意函数关系进行输出；高稳态精度，高动态响应，便于进行光伏电池、燃料电池、整流风机等直流分布式电源的动态输出特性模拟。其保护功能包括过流、过压、过载、短路和反向保护功能。由于提供输出特性曲线的用户自定义方式，直流电源还可以模拟直流分布式电源在不同天气、温度等环境下的真实输出，另外，在恒压模式下可以设置最大输出电流，在恒流的模式下可以设置最小输出电流，在额定功率下电压和电流可以自由组合所要的设定值。各种运行状态下的波形都可以查看。

另外，由于需要进行逆变器的过流保护和短路保护的测试，需要仿真直流电源提供的功率应至少是被测逆变器最大直流输入功率的1.5倍。

1.2.2 模拟阻抗网络

逆变器若要进行交流电压追从测试、运转功率因数测试、电压上升抑制功能测试等项目，需要逆变器端口的电能环境接近真实电网。由于仿真交流电源的输出阻抗几近为零，因此仿真交流电源的输出端必须要连接模拟阻抗网络，方可进行上述测试。因此，本平台配置了模拟阻抗网络，用来模拟线路，从而可以对分布式电源接入系统的影响进行精确的模拟和分析，包括对故障电压、短路电流水平、潮流、系统侧电能质量等。

1.2.3 仿真交流电源

在进行系统连接测试时，根据测试项目要求不同，需要调节交流侧电网特性，因此被测逆变器不能直接连接到实际电网中，需要能够模拟电网特性的测试用交流电源。仿真交流电源是平台中最重要的设备之一，其性能对测试项目的结果有着直接决定性作用，对仿真交流电源的要求主要有：可快速调节电压、电流、功率，具有可承受逆潮流功能；可单相、三相运行；可扩展容量；具有程控功能。

平台所选择的仿真交流电源，能够高精度地稳频稳压并可以快速调节电压和频率，功率模组设计。高精度有效值数字表头对频率、电压、电流、有功功率等参数进行准确的显示。暂态反应速度快，对100%加载/去载，稳压反应时间在2 ms内。输出相电压可以模拟世界各国的电压，稳压精度不大于±1%，频率稳定度≤0.01%，整机效率≥90%。此外，输入无熔丝开关，电子电路快速侦测过电压、过电流、过载、输入欠压、过高温和短路，进行快速保护并锁定故障，发出警告，显示故障。具备故障时一键停机功能。

1.2.4 模拟负载

模拟负载可以模拟不同的负载特性，以检验逆变器的定常特性，并可以通过调整负载匹配逆变器的输出功率，断开与仿真交流电源的连接，检测逆变器的反孤岛保护性能。

为满足并网逆变器的防孤岛效应保护试验、过载保护试验、过流保护试验、功率因数测定试验、工作效率测量试验、并网电流谐波试验等需要。平台选择的三相模拟负载三相功率独立控制，可任意组合模拟各种功率负荷，此外负载还可精确模拟交流用电设备发生谐振，三相电压不平衡时，也能快速调试出每一相谐振点，检测并网逆变器防孤岛保护功能及工作效率、供电性能。

1.3 二次系统

1.3.1 功率分析仪

功率分析仪用于测量交流接入点处的电压、电流、频率、谐波、功率、功率因数、电压不平衡度、直流分量，以及变流设备直流侧的电压、电流、功率、纹波系数等参数。其输入量有直流侧的电压和电流、交流侧的三相电压和电流，每一组电压、电流信号算1路输入，共计4路模拟量输入。它要有数据存储功能，有单相和三相两种不同的接线方式，可以承受一定的功率波动范围。

1.3.2 电能质量分析仪

电能质量分析仪的功能是检测电能的质量。可以进行三角形和星型等方式的接线，可测量电压和电流的有效值、频率、功率、功耗（电量）、不平衡度和闪变等，能够测量所有相线、零线和地线，能测量配电系统中的每一线路。平台根据功能选择的电能质量分析仪除具有上述功能外，还具有故障检测、数据采集等功能。具有外界通讯接口以及外界操作显示单元，同时可以进行远程监控和通讯，谐波测量至63次，可以检测三相不平衡度、瞬态尖峰脉冲信号、浪涌电流。

1.3.3 数据记录仪

数据记录仪用来记录从各个设备输入的模拟量和开关量。主要用于分布式电源并网设备性能测试及直流分布式电源的模拟试验等，按照平台功能要求，可以记录从传感器中获取的测量结果，并将这些结果存储起来。

2 检测实例

平台搭建完成后，针对国内某厂家生产的三相30 kW逆变器进行了测试。

2.1 电能质量测试

启动检测平台，将逆变器并网运行后，用电能质量分析仪测试逆变器输出侧的电压，如图2所示。

图2 逆变器输出侧电压Fig.2The inverter output voltage and current

由图2可知，逆变器输出侧含有一定的谐波，继续测得电压、电流的3次、5次、7次谐波含有率如表1所示。电压、电流的3～15次奇次谐波含有率如表2所示。由以上测试可知，逆变器输出侧奇次谐波总畸变率为3.6，符合标准规定。

表1 电压、电流奇次谐波Tab.1The odd harmonic voltage and current

表2 电压、电流3～15次奇次谐波含有率Tab.2The odd harmonic ratio of voltage and current

相测试项电流/% THDH3H5H7H9H11H13H15 L13.10.40.80.70.10.30.20.1 L22.51.81.00.70.20.30.20.1 L33.61.81.10.60.20.30.20.1 N2.21.80.30.20.30.10.10.1

实验测量4 min内总谐波含有率曲线，如图3所示。由图3可知，在4 min内，电压总谐波畸变率均不超过0.1，逆变器谐波测试符合规定。

图3 4min内电压谐波总畸变率Fig.3The total harmonic distortion of voltage in 4 minutes

2.2 逆变效率测试

启动检测平台，将逆变器并网运行后，用功率分析仪检测不同状态下逆变器的逆变效率，测试结果如表3所示。

图4 逆变器过压测试Fig.4The inverter over-voltage test

图5 逆变器欠压测试Fig.5The inverter under-voltage test

表3 逆变效率测试Tab.3The inverting efficiency test

由逆变器的逆变效率定义可知以上各状态下，此逆变器的逆变效率均大于94%，这与产品说明书中的逆变效率一致，并且符合相关标准规定。

2.3 交流过电压/欠电压保护测试

启动检测平台，将逆变器并网运行后，用数据记录仪测试模拟负载接入点的三相电压及逆变器输出的三相电流。

将交流侧电压由220 V升高至268 V，测试结果如图4所示。可知，电网电压升高后，逆变器于725 ms后跳闸，报告过压故障。

将交流侧电压由220 V降低至160 V，测试结果如图5所示。可知，电网电压降低后，逆变器于626.1 ms后跳闸，报告欠压故障。

将测试结果与相关标准进行比较，所进行的测试项目均表明被检逆变器符合规范要求，与出厂检测报告一致。

2.4 功率因数测试

图6 不同预设功率时的功率因数波形Fig.6The power factor at different inverter output

启动检测平台，将逆变器并网运行后，分别记录直流侧和交流侧的功率并计算功率因数，结果如图6所示。将图6的功率因数波形与相关标准进行比较，表明被检逆变器符合规范要求。

2.5 防孤岛测试

启动检测平台，将逆变器并网运行后，分别调整负载的有功功率、无功功率与额定值的偏差为+5%、-5%、-10%，记录逆变器的分闸时间，结果如图7所示。

由图7可知，分别调整负载的有功功率、无功功率与额定值的偏差为+5%、-5%、-10%，逆变器的分闸时间分别为19.60 ms、22.90 ms、17.40 ms。

将测试结果与相关标准进行比较，表明被检逆变器符合规范要求。

图7 不同负载P、Q偏差时的孤岛测试波形Fig.7The islanding test with different loads

2.6 软启动测试

陆续启动测试平台各设备，读取数据记录仪的数据，记录逆变器软启动并网时间。测试波形如图8所示。两次测试逆变器软启动时间分别为63.997 05 s、60.997 05 s，与相关标准进行比较，表明被检逆变器符合规范要求。

图8 逆变器软启动时间测试Fig.8 The soft-starting time test of inverter

3 结语

本文详细阐述了光伏并网逆变器检测平台的构成，并针对逆变器检测实例进行了分析，实践证明，该平台设备配置合理，运行情况良好，今后可以对逆变器的保护功能、防孤岛检测等各项功能做进一步深入测试研究，所配置的光伏模拟器、电网模拟器也使得平台具有分布式电源接入仿真实验能力。

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[8]GB/T 20046－2006，光伏（PV）系统接口特性[S]．

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[10]IEEE Std 1547.1-2005，IEEE standard conformance test proceduresfor equipment interconnecting distributed resources with electricpower systems[S]．

Preliminary Study on Testing Technology of Photovoltaic Grid-connected Inverter

CUI Rong-jing1，LI Sheng-wei1，LI Xiao-hui2，Wang Zhe1
（1.Tianjin Electric Power Cooperation Electric Power Economic&Technology Research Institute，Tianjin 300171，China；2.Tianjin Electric Power Cooperation Electric Power Research Institute，Tianjin 300384，China）

In order to promote and regulate the development of grid inverter industry，and also to improve the detection standard，a testing platform for photovoltaic grid-connected inverter was established.The testing platform was composed of the alternating current（AC）simulation power supply，direct current（DC）simulation power supply，impedance network，adjustable load and the detecting instruments.Based on the platform，the inverter detecting standard and technology were studied through 24 tests.The hardware composition was introduced by this paper，and the practicality of platform was also proved by the testing examples.

photovoltaic power system；grid-connected inverter；detecting platform；detecting technology

TM464

A

1003-8930（2013）04-0103-05

崔荣靖（1984—），女，硕士，工程师，研究方向为电磁场与微波技术。Email：cuirongjing1984@163.com。

2012-05-15；

2013-04-01

李盛伟（1981—），男，博士，工程师，研究方向为分布式电源与电力系统规划设计。Email：lshengw@163.com

李晓辉（1973—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统分析。Email：lixiaohui_tj@sina.com