光伏并网逆变器户外实证性测试技术初探*

刘小平，王丽娟，王炳楠，郭 斌

（宁夏新能源研究院（有限公司），宁夏 银川 750021）

光伏并网逆变器户外实证性测试技术初探*

刘小平†，王丽娟，王炳楠，郭 斌

（宁夏新能源研究院（有限公司），宁夏 银川 750021）

光伏并网逆变器是光伏发电系统的核心部件，其性能的优劣直接关系到整个电站的发电效率。目前，逆变器的性能检测基本上都是在标准实验室环境下进行的，缺乏实际发电运行环境下的性能检测。本文针对逆变器在实际运行环境中存在的问题，构建了光伏并网逆变器入网检测平台，提出了逆变器户外测试方案。实验表明，该测试平台可实现对光伏逆变器实际性能指标的检测与分析，具有较好的合理性和有效性，可以用于光伏并网逆变器的户外实证性测试。

光伏并网逆变器；发电效率；性能检测；实验室环境；户外实证性测试

0 引 言

随着我国政府对光伏产业支持力度的不断增大，光伏并网逆变器产业得到蓬勃发展，国内外各光伏逆变器厂家推出了种类繁多的光伏逆变器。作为光伏发电系统中关键性的部件，其综合性能关系到光伏系统的利用率、可靠性和供电质量。目前国内光伏逆变器综合性能测试平台的主要技术方案是：利用电力电子变流技术模拟光伏电池阵列输出，即用光伏电池阵列模拟器作为试验电源，使得光伏逆变器的测试可以很方便地在实验室中完成[1-4]。但是，这种在实验室进行的测试是在特定的实验环境、电网条件下进行的，同时电池阵列模拟器仅能进行离散负载点的模拟，而逆变器实际运行环境非常复杂，它的性能经常会受到阳光强度、温度、电网质量、调度控制、其它发电设备等综合因素的影响，这些都是在实验室环境下无法模拟出来的。根据现场运行经验，即使是经过实验室认证的产品，在实际使用过程中还会出现各种问题，如：逆变器在并网及离网时存在频繁的跳机现象，当天气发生变化时逆变器输出功率响应出现延迟，实验室最大转化效率及欧洲效率与实际转换效率不符等，这些问题都影响了电站的发电量。因此，有必要在逆变器实际运行环境下，研究、测试光伏逆变器真实性能，保证测试结果接近真实情况。

本文针对逆变器在户外使用过程中出现的问题，展开对逆变器户外测试方法的研究，并通过部分测试实例，验证测试技术方法的合理有效性。

1 逆变器户外测试技术

1.1 逆变器户外检测平台总体设计方案

逆变器户外检测平台依托宁夏某330 kW光伏试验电站搭建。系统主要包括：光伏发电系统、测试设备和综合分析系统。其中，光伏发电系统包括太阳能光伏阵列、光伏防雷汇流箱、并网逆变器、变压器、电网等部分；测试设备包括功率分析仪、电能质量分析仪、万用表、气象站等；综合分析系统对采集到的电站运行信息及逆变器测试信息进行分析处理，对逆变器在实际运行环境下的性能进行评价。其总体设计方案如图1所示。

图1 逆变器测试平台总体设计方案Fig. 1 The general design scheme of the testing platform

本平台具有光伏并网逆变器在实际运行工况下的检测能力，测试项目包括：检测逆变器跟踪太阳辐照度的性能、转换效率、输出电能质量（电流谐波）、功率因数、输出电压稳定度、软启动、通讯功能、自动开/关机等[5,6]。

1.2 逆变器综合分析系统

综合分析系统的硬件结构主要由上位机、网络交换机、串口服务器及相关的总线设备构成，是采用LabVIEW、QT等软件工具开发得到的测试分析系统。

在实际测试时，综合分析系统可以根据具体实验要求对测试设备进行设置，自动采集和分析数据，记录相关波形，对所有参数进行预处理，在测试过程结束后，对整个实验过程中所获取的相关信息进行计算、分析，从而得出实验结果，最终根据各项实验结果对被测逆变器在实际运行环境中的性能进行综合评价。

1.3 逆变器户外测试方案

1.3.1 逆变器跟踪太阳辐照度的性能测试

当气象参数如太阳辐照度发生急剧波动时，不同的逆变器会对该种现象做出的响应不同：随太阳辐照度变化趋势而产生功率震荡，或是保持相对稳定的功率输出，从而对元器件产生冲击甚至跳机，这将降低逆变器稳定运行的性能，并最终影响光伏系统的发电量。测试原理如图2所示。

图2 逆变器跟踪太阳辐照度的性能测试原理图Fig. 2 Schematic diagram of tracking solar irradiance of inverter

气象监测系统监测太阳辐照度变化情况，功率分析仪及电能质量分析仪监测逆变器的功率、波形及电能质量，逆变器综合分析系统分析和评价太阳辐照度变化和功率波形之间的关系，在此基础上分析逆变器对气候变化的响应性能，并做出该项性能优劣的判定。

1.3.2 转换效率试验

逆变器的转换效率是其交流侧输出功率和直流侧输入功率的比值。

在实际中，对用户和研究人员来说更有意义的是欧洲效率，它是一种加权转换效率，是对一天之内转换效率的加权平均值：

式中，ηi%是逆变器i%额定输出功率下的转换效率[7]。在实际测试中，记录每个功率点处的转换效率，ηi%取满足计算要求对应的转换效率，其测试电路如图3所示。

图3 转换效率测试原理图Fig. 3 Schematic diagram of efficiency test of invert

功率分析仪实时监测逆变器的功率，计算转换效率，逆变器综合分析系统对转换效率进行计算、分析和评价。

1.3.3 谐波测试

逆变器额定功率运行时，注入电流谐波总畸变率限值为5%，其他负载情况下运行时，逆变器注入电网的各次谐波电流值不得超过额定功率运行时可接受的各次谐波电流值[8]。

电流谐波测试电路见图4，奇、偶次谐波电流含有率限值见表1。

电能质量分析仪实时监测逆变器谐波情况，最后将存储的谐波数据发送给逆变器综合分析系统，逆变器综合分析系统对谐波进行分析和评价。

图4 并网谐波测试原理图Fig. 4 Schematic diagram of grid-connected harmonic

表1 奇、偶次谐波电流含有率限值Table 1 The harmonic ratio of current limit

1.3.4 功率因数测试

逆变器输出有功功率大于额定功率的50%时，功率因数不小于0.98（超前或滞后），输出功率在20%～50%时，功率因数不小于0.95（超前或滞后）[9]。测试电路采用图3所示电路。

1.3.5 输出电压稳定度

输出电压稳定度是表征逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品给出的是当输入直流电压在允许波动范围内，该逆变器输出电压的偏差百分数，通常称为电压调整率。高性能的逆变器应同时给出当负载由0%向100% 变化时，该逆变器输出电压的偏差百分数，通常称为负载调整率。性能良好的逆变器的电压调整率应不大于 ±3%，负载调整率应不大于 ±6%。

1.3.6 软启动

逆变器在启动运行时，输出功率缓慢增加，输出功率变化率可调，输出电流无冲击现象。测试电路如图3所示[10]。

2 检测实例

2014年3月，对国内某厂家生产的三相10 kW逆变器进行了现场试验，此次试验的内容包括：逆变器气象响应性能测试、逆变器并网适应性测试、转换效率等性能测试。

2.1 逆变器跟踪太阳辐照度的性能测试

一日内光伏电站输出功率与太阳辐照度趋势见图5。由图看出，辐照度在9:06时刻附近变化幅度比较剧烈，此时，在辐照急剧下降后，逆变器并未随之出现震荡或跳机，输出功率变化较为平稳，随后其变化趋势基本与太阳辐照度变化趋势一致，由此判定该逆变器对天气突变的响应性能较为优秀。

图5 逆变器输出功率与辐照度变化趋势曲线Fig. 5 Changing curve of output power of inverter and solar irradiance

2.2 逆变器转换效率测试

测试逆变器直流侧输入功率及交流侧输出功率值，计算转换效率，测试结果见图6。可知逆变器最大转换效率为93.5%，此时辐照度为787.95 W/m2、温度为6℃、风速为2.16 m/s、湿度为23.33%。

图6 逆变器转换效率曲线Fig. 6 Efficiency curve

由此数据可以判定逆变器最大效率和欧洲效率均比产品说明书中的最大效率（94%）和欧洲效率（93%）低。

2.3 谐波测试

按照图4搭建实验平台，启动逆变器，使其在额定功率条件下（100%）运行，用电能质量分析仪测量并记录并网点各相的电流谐波总畸变率以及各次谐波电流含有率。电流的谐波含有率如表2所示。

表2 电流谐波含有率Table 2 The harmonic ratio of current

2.4 功率因数测试

按图3将实验线路图接好，逆变器输出额定功率为小于50%（取30%）、等于50%、大于50%（取70%）时，观察功率分析仪中功率因数示值，结果如图7所示。将图7的功率因数波形与相关标准[9]进行比较，结果表明被检逆变器符合规范要求。

图7 不同负载点逆变器功率因数波形Fig. 7 The power factor at different inverter load levels

2.5 测试评价

综合以上测试结果，对被测逆变器的系统性能做出以下评价：（1）在天气、电网等正常的条件下，该逆变器每天开启或关闭次数各为2次；（2）逆变器跟踪太阳辐照度性能良好；（3）实际运行中测出的最大效率（93.5%）和欧洲效率（87%）均低于产品使用手册所示效率；（4）电能质量符合要求；（5）功率因数符合要求；（6）输出电压稳定度符合要求；（7）软启动性能良好。

3 结 论

光伏逆变器作为光伏发电系统中关键性的部件，其综合性能对电力用户和电力系统都有着十分重要的影响。本文从阐述了光伏并网逆变器实证性测试平台的结构及功能，提出了逆变器户外测试方案，并针对逆变器检测实例进行了分析，实践证明，该平台具备测试逆变器在实际运行工况下性能的能力，这对于光伏电站开发商、逆变器厂家和研发机构具有重要的参考价值。

[1] 苏建徽,余世杰,赵为,等. 数字式太阳电池阵列模拟器[J]. 太阳能学报,2002,23(1): 111-114.

[2] 程军照,李澍森,张腾飞. 多路并网光伏发电系统的仿真与分析[J]. 电力系统及其自动化学报,2009,21(4): 58-62.

[3] 邹建章,陈乔夫,张长征. 光伏逆变器综合性能测试平台研究[J]. 电测与仪表,2010,47(8): 20-23.

[4] 闫华光,章欣,杨湘江,等. 光伏并网逆变器检测平台的研制[J]. 电网技术,2011,35(6): 139-142.

[5] 许苑,王科,陆志刚,等. 光伏并网逆变器入网检测平台实现方案研究[J]. 可再生能源,2013,31(6): 30-33.

[6] IEEE Std 1547.1-2005,IEEE standard conformance test Procedures for equipment interconnecting distributed re-sources with electricpower systems[S]. 2005.

[7] Haeberlin H,Liebi C,Beutler C. Inverters for Grid connected PV Systems: Test Results of some new Inverters and latest Reliability Data of the most popular Inverters in Switzerland[C]//14th European Photovoltaic Solar Energy Conference Barcelona,1997.

[8] GB/T 19939-2005,光伏系统并网技术要求[S]. 2005.

[9] CGC/GF001: 400V以下低压并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法[S]. 2009.

[10] GB/T 20046-2006,光伏(PV)系统接口特性[S]. 2006.

Preliminary Study on Outdoor Testing Technology of Photovoltaic Grid-connected Inverter

LIU Xiao-ping,WANG Li-juan,WANG Bing-nan,GUO Bin
(Ningxia New Energy Institute (Co.,Ltd.),Ningxia Yinchuan 750021,China)

Photovoltaic grid-connected inverter is the core component of photovoltaic power system,which performance directly affects power generation efficiency of the whole power station. At present,the inverter performance test is usually operated under the standard laboratory condition,but it is short of real-time and real-environment testing condition. Aiming at the problems of inverter existing in practical operating,a detection platform of grid-connected inverter is constructed,and testing scheme for inverter existing in practical operating is proposed. The results show that actual performance index of photovoltaic inverter can be detected and analyzed,which is reasonable and effective,and can be used in outdoor testing techniques for photovoltaic grid connected inverter.

photovoltaic grid-connected inverter; power generation efficiency; performance test; laboratory condition; outdoor testing techniques

TK514；TM464

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.006

2095-560X（2015）01-0033-05

刘小平（1982-），女，硕士，工程师，主要从事光伏发电系统集成、测试技术研究。

2014-10-11

2014-12-19

宁夏回族自治区新能源科技专项

† 通信作者：刘小平，E-mail：liuxiaoping06048@163.com