基于VDE-AR-N4105标准的光伏并网逆变器性能自动化测试系统开发

陈 栋, 顾凯鸣, 钟名湖, 鲍安平, 韩 宾

(1. 南京信息职业技术学院 中认新能源技术学院, 江苏 南京 210023；2. 南京中认南信检测技术有限公司 技术部, 江苏 南京 210023)

基于VDE-AR-N4105标准的光伏并网逆变器性能自动化测试系统开发

陈 栋1,2, 顾凯鸣1,2, 钟名湖1, 鲍安平1, 韩 宾2

(1. 南京信息职业技术学院 中认新能源技术学院, 江苏 南京 210023；2. 南京中认南信检测技术有限公司 技术部, 江苏 南京 210023)

并网性能和保护功能测试是光伏并网逆变器的设计重点,为验证其是否满足德国电器工程师协会(VDE)标准VDE-AR-N 4105(以下简写为VDE4105)的要求,同时为实现高效的自动化测试需求,利用LabVIEW软件设计了基于VDE4105标准的光伏并网逆变器性能测试的自动化测试系统。目前该系统已在南京中认南信检测技术有限公司用于光伏并网逆变器性能测试,测试表明该平台搭建合理、测试精度高、运行稳定可靠、自动化程度高,提高了测试效率,减少了人员误差。

光伏并网逆变器； 性能测试； VDE4105； LabVIEW

随着能源危机的加深,太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、清洁安全的可再生能源越来越受到人们的重视[1-3]。作为光伏发电系统核心器件的逆变器市场也伴随整个光伏产业的发展而迅速兴起。近年来,德国光伏分布式发电容量迅速增加,并网逆变器对电网运行的稳定性和电能质量的影响也日益增大[4]。为了保证电网的稳定运行和用户安全,每台出厂的光伏并网逆变器都需要进行并网性能和保护功能测试。

德国2011年8月发布了新的分布式发电系统低压并网标准VDE-AR-N4105(以下简称为VDE4105),该标准应用在光伏逆变器产品认证中越来越广泛,但其测试标准只给出了测试的技术要求,并未给出具体的测试方法[5]。同时满足该标准的光伏并网逆变器性能测试时间较长,测试工程师工作强度很大,测试效率较低。

本文基于VDE4105标准,根据其技术要求研究了性能试验的测试方法和步骤,开发了用于光伏并网逆变器性能试验的自动化测试系统,所有测试数据通过计算机自动采集和处理,测试表明该系统大大提高了测试效率,同时能够保证测试的精确性。同时,由于系统软件开发平台LabVIEW具有可扩展性,可以方便用户针对不同的标准开发相应的测试软件。

1 VDE4105标准并网性能测试内容及测试方法分析

VDE4105标准提出的并网性能测试要求主要有以下测试:有功-频率控制、电网过欠压/过欠频保护、功率恢复斜率、闪变、谐波、无功功率、短时中断等测试。本文重点介绍有功-频率控制和电网过欠压/过欠频保护2个具有代表性的测试。

1.1 有功-频率控制特性测试

VDE4105标准中明确提出分布式发电系统需根据电网频率值调节电源的有功功率输出,从而避免因电网出现故障或功率过剩等情况引起电网频率变化而造成电网发生不稳定现象。

分析有功-频率控制功能测试要求,含有3层含义:一是当电网频率在50.2～51.5 Hz之间时,逆变器应以40%PM/Hz的斜率随频率的增加降低其输出功率,或在频率减小时增加其输出功率,如图1所示,图中P为逆变器输出功率,PM为频率50.2 Hz时的输出功率,fmains为电网频率；二是当频率降回至50.2 Hz以下时,若此时所设置的输出的功率大于PM,则功率恢复的速度不应超过10%PAmax/min；三是电网频率大于51.5 Hz或小于47.5 Hz时,逆变器应立即从电网断开。

图1 有功-频率控制测试曲线图

此测试的目的是为了验证逆变器执行频率特性要求的良好程度。测试在逆变器运行在半功率和满功率两种情况下分别进行。设计测试方法及其步骤如下:

(1) 设置光伏阵列模拟器和电网模拟器使逆变器运行在半(满)功率工作条件下。

(2) 改变电网模拟器频率为50.2 Hz,等待1 min后,测量逆变器的输出功率1 min并计算平均值作为逆变器在50.2 Hz处的输出功率PM。

(3) 逐步升高电网模拟器的频率,步长为0.05 Hz。在每一个新的频率点处,先等待1 min,再测量计算逆变器输出功率的1 min平均值作为该频率点的输出功率。当频率升至51.45 Hz时,不再升高频率。

(4) 逐步降低电网模拟器的频率,步长为0.05 Hz。采用步骤(3)相同的方法测量各个频率点下的输出功率。当频率下降至50.2 Hz时,不再下降频率。

(5) 恢复电网模拟器频率至额定频率50 Hz,等待1 min后测量逆变器在50 Hz处的1 min平均输出功率。

上述测试步骤的目的是验证测试曲线是否满足图1的要求,VDE4105标准中要求此测试的精度为10 mHz,有功功率测试结果允许有±10%的公差。

1.2 过欠压/过欠频保护性能测试

VDE4105标准中要求,当电网电压或频率偏离规定条件出现异常情况时,光伏并网逆变器应该停止向电网供电或从电网中切断；如果电压或频率在规定的最大跳闸时间(从逆变器异常状态发生到停止工作的响应时间)内恢复到正常电网连续运行时则不必停止供电。此要求适用于多相系统中的任何一相。

光伏并网逆变器对异常电压或频率响应时间的相关限值分别见表1和表2。

表1 光伏并网逆变器对异常电压响应时间

表2 光伏并网逆变器对异常频率响应时间

该测试的目的是为了验证逆变器具有一定的耐受系统电压或频率异常的能力。以过欠频保护功能测试为例,设计测试方法及其步骤如下:

(1) 设置光伏阵列模拟器和电网模拟器使逆变器正常启动,等到逆变器工作稳定后开始进行测试；

(2) 设置电网模拟器频率从50 Hz直接跳变到小于47.5 Hz,保持4 s后恢复至50 Hz,逆变器应在0.2 s内停止运行,且在频率恢复正常后重新并网，在数字示波器上观察跳脱时间和重连时间,记录数据并保存示波器波形图像，此测试重复3次；

(3) 设置电网模拟器频率从50 Hz直接跳变到小于47.5 Hz,保持4 s后恢复至50 Hz,逆变器应在0.2 s内停止运行,且在频率恢复正常后重并网，在数字示波器上观察跳脱时间和重连时间,记录数据并保存示波器波形图像，此测试重复3次；

(4) 设置电网模拟器频率从50 Hz直接跳变到大于51.5 Hz,保持4 s后恢复至50 Hz,逆变器应在0.2 s内停止运行,且在频率恢复正常后重并网，在数字示波器上观察跳脱时间和重连时间,记录数据并保存示波器波形图像，此测试重复3次。

2 系统构成与设计

2.1 系统构成

整个系统由光伏阵列模拟器(可编程直流电源)、电网模拟器(可编程交流电源)、功率分析仪、数字存储示波器、工控机等硬件构成，整个系统结构框图见图2。基于LabVIEW平台编写自动化性能测试软件,通过RS485、LAN等总线控制光伏阵列模拟器、电网模拟器、功率分析仪等设备进行各种性能实验。

图2 系统结构框图

2.2 系统硬件设计

系统硬件平台搭建最重要的是要进行测试设备的选型,各个测试设备的技术指标必须要满足VDE4105标准的测试要求。

该系统中工控机选用美国NI公司的PXIe-1082机箱和PXIe-8133控制器,两者配合使用可以使数据吞吐量从4 GB/s跃升至8 GB/s,用于系统更大的数据记录和回放。选用NI PXIe-8431/8模块用于实现工控机与光伏阵列模拟器的RS485连接。选用NI PXI-6280数据采集卡用于采集电网模拟器的触发信号和各通道电流信号。

光伏阵列模拟器选用瑞士Regatron公司的可编程直流源TCP.32.1000.400S,用来模拟不同光伏阵列在不同环境条件下的伏安特性。

电网模拟器、功率分析仪、数字存储示波器与工控机之间均采用LAN连接。电网模拟器用来模拟真实电网电压、频率等多种电网的变化情况。本系统电网模拟器选用美国AMETEK公司的可编程交流源RS90,在进行逆变器性能测试时该电源能够吸收逆变器的反灌能量,可以直接连接逆变器交流侧,无需连接RLC负载,极大地简化了测试平台的构建[6]。

功率分析仪选用日本YOKOGAWA公司WT3000,同时选配日本HIOKI公司的电流传感器CT6863用来读取逆变器直流侧和交流侧的电参数值,如电流、电压、功率和频率等。

数字存储示波器选用美国Tektronix公司的MSO4054B,具有高达1 GHz的带宽和5 GS/s的采样率,用来察看逆变器交流侧电压、电流和电网模拟器的触发等信号。

2.3 系统软件设计

此平台系统软件的设计才是整个自动化测试系统设计的关键。系统软件是基于LabVIEW平台开发的,LabVIEW是由NI公司推出的虚拟仪器设计开发平台,具有图形化编程容易入门、丰富的扩展函数库和分析子程序,使之在开发虚拟仪器(VI)上具有独特优势[7]。系统软件主界面设计如图3所示。系统软件运行流程框图见图4,软件在测试过程中无需人为进行任何干预。测试项目会按照VDE4105标准的测试要求完成测试,大大提高了测试效率,节约了人力成本。

图3 系统软件主界面

本系统中主要用户界面功能模块对应的VI均采用生产者-消费者设计模式实现,由生产者、消费者2个循环和1个消息队列组成[8-12]。生产者循环监测用户界面,根据界面操作通过消息队列给消费者循环指定执行任务以及执行顺序,消费者循环负责任务的实现。该模式是目前最为理想的编程结构,能够逻辑严密地响应用户界面操作,在不同VI间实现通信和互动,也易于软件的功能扩展和维护。

图4 系统软件运行流程框图

本系统中集成调用仪器厂商提供的第三方驱动程序或动态链接库(DLL)实现对光伏方阵模拟器和电网模拟器等设备的控制,如调用tcio.dll、TcioWrapper.dll和TopConAPI.dll对TCP.32.1000.400S进行程控,调用cicmx.dll和cicmx.llb对RS90进行程控,大大缩短了系统的开发时间。

3 系统功能验证实例

本文选择国内某知名厂家生产型号为TLC5K单相5 kVA并网逆变器作为样品来验证系统测试功能的准确性和有效性。设置光伏阵列模拟器MPPT电压为400 V,开路电压为500 V,输入功率为5 kW,保护电压为550 V,设置电网模拟器交流电压为230 V,逆变器正常启机。根据前述的有功-频率控制特性测试方法进行测试,以逆变器工作在满功率为例,测得其特性曲线见图5,完全满足了VDE4105标准测试要求,系统功能测试正常。

根据前述的过欠压/过欠频保护性能测试方法,对逆变器的过频保护功能进行测试,测试曲线见图6,测得最大跳闸时间为195 ms,同时人工从数字存储示波器上截取到的波形如图7所示,最大跳闸时间显示为192.4 ms,可以看出,自动化软件测试值偏差仅为1.4%,表明软件算法优良,完全能够满足VDE4105标准测试要求。

图5 满功率下有功-频率控制特性测试曲线

图6 过频保护性能测试曲线

图7 从示波器上截取的逆变器过频保护性能测试曲线

4 结束语

本文提出的光伏并网逆变器性能自动化测试系统是依据德国VDE4105标准、LabVIEW平台开发的,具有测试准确、运行稳定和自动化程度高等优点,该系统在运行过程中无需人为进行任何干预,将测试人员从单调繁琐的机械测试工作中解脱出来,大大提高了测试效率和测试质量。

References)

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[3] 魏博,罗智文,马小晶.太阳能吸收装置超调跟踪系统效能分析[J].河北科技大学学报,2013,34(4):377-379.

[4] 杨新法,苏剑,吕志鹏,等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报,2014,34(1):57-70.

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[6] RS Series AC and DC User Manual[Z]. AMETEK公司.

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[12] 唐进元,李松,邵文.基于LabVIEW生产者-消费者模式的齿轮转动振动测试系统[J].机械传动,2011,35(1):5-7.

Development of performance automatic test system for photovoltaic grid-connected inverter based on VDE-AR-N4105 standard

Chen Dong1,2, Gu Kaiming1,2, Zhong Minghu1, Bao Anping1, Han Bin2

(1. Faculty of CQC New Energy Technology, Nanjing Vocational College of Information Technology, Nanjing 210023, China; 2. Technical Department, Nanjing CQC-Trusted Testing Technology CO., LTD, Nanjing 210023, China)

The grid performance and protection function test is the focal point in the development of photovoltaic grid-connected inverter. To verify whether it meets the German Electrical Engineers Association (VDE) standard VDE-AR-N 4105(VDE4105), and to achieve efficient automated testing requirements, the performance automatic test system for photovoltaic grid-connected inverter based on VDE4105 standard is designed by using LabVIEW. Nowadays, this automatic test system has been put into use for Nanjing CQC-Trusted Testing Technology CO., LTD. The practical results indicate that it works well and has high test precision, high stability and reliability. And it can improve the test efficiency and reduce the personal errors.

photovoltaic grid-connected inverter; performance test; VDE4105; LabVIEW

2015- 08- 07 修改日期：2015- 08- 31

江苏省“六大人才高峰”高层次人才选拔资助项目(DZXX-024)；南京信息职业技术学院工程研发中心开放基金资助项目(KF20130703)

陈栋(1980—)，男，江苏南京，工学硕士，讲师，项目工程师,主要从事光伏发电检测技术研究.

E-mail：chendong.dz@njcit.cn

TM464;TP273

A

1002-4956(2015)12- 0107- 05