组串式并网逆变器运行性能研究

黄 静，刘江峰，赵志强，余 振，齐志伟，陈富东

(1. 信阳师范学院 建筑节能材料河南省协同创新中心，河南 信阳 464000；2. 河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

0 引言

近年来，我国光伏发电市场规模快速扩大，2017年新增装机5306万 kW.其中，光伏电站3362万 kW，同比增加11%；分布式光伏1944万 kW，同比增长3.7倍.截止到2017年12月底，全国光伏发电装机达到1.3亿 kW.其中，光伏电站10 059万 kW，分布式光伏2966万 kW.随着国家对光伏发电的大力支持，分布式发电越来越受到重视，组串式光伏并网逆变器也得到了大规模的运用.针对光伏并网发电系统的实际运行性能，文献[1-3]主要研究了广州地区温度和辐照度对光伏系统年发电量及系统效率的影响，系统效率取决于光伏组件的效率，但不完全依赖于组件的效率，辐照度较低时，逆变器效率对系统效率影响比较大；文献[4]对深圳地区的某BIPV系统的年发电量、组件的光电转换效率和系统逆变器效率进行了分析，还分析了系统的经济性和节能效果；文献[5]主要对光伏系统中光伏阵列的转换效率、逆变器效率进行分析，并分析了系统的经济性.文献[1-5]偏重于研究系统发电量及系统效率，但对于逆变器实际运行性能方面的分析则比较简略，仅仅局限于逆变器的效率或电能质量.文献[6,7]主要研究逆变器效率及中国效率的评价方式；文献[8,9]主要研究逆变器在实验室环境条件下的电能质量；文献[10]主要研究集中型光伏并网逆变器的运行性能，包括逆变器效率及电能质量；文献[11]主要研究家用小型并网逆变器实际运行情况，包括逆变器效率、逆变器发电量与环境关联度以及逆变器的保护功能.

为了评估信阳地区组串式光伏并网逆变器的实际运行性能，依托10 kW光伏试验电站，重点研究逆变器发电量与天气类型的关系、效率及电能质量.10 kW光伏电站具备较为全面的监控系统，所记录的发电数据及气象数据都能较为全面地反映信阳地区分布式光伏电站的情况，可以为组串式逆变器在信阳地区大规模的运行提供可靠的数据支撑和实践基础，也能为与信阳地区辐照度相近的其他地区组串式逆变器的应用选型提供有益参考.

1 10 kW光伏电站情况

信阳地区全年累计总辐照量7198.9 MJ/m2，夏季平均气温26 ℃左右，冬季平均气温在1 ℃～2 ℃，春季和秋季平均气温16 ℃左右.10 kW光伏试验电站位于5楼天台，地理位置为东经114°2′3″、北纬32°8′31″，安装方位为正南方向，固定倾角27°.

系统总安装容量为10 kW，使用了40块多晶光伏组件，每10块组件串联为一路组串，共4路组串，其中2路组串接入单相逆变器1，另外2路组串接入单相逆变器2，最后并入到公共电网，逆变器电性能参数见表1.整个10 kW光伏试验电站装备有0.5级的监控采集装置，此监控系统已正常运行2年多，可以记录方阵辐照度,环境温度,组件温度,各组串直流电压、电流和功率,逆变器交流电压、电流、功率和总电能等参数，数据记录时间间隔为5 s.

表1 逆变器电性能参数Tab. 1 Electrical performance parameters of inverters

2 逆变器发电量与天气类型的关系

在光伏发电系统中，影响逆变器发电量的因素有很多，包括温度、辐照度、风速和光伏组件的转换效率、逆变器的性能等.在光伏组件和逆变器选型确定的情况下，温度和辐照度成为影响逆变器发电量最主要的两个因素，但在实际光伏电站运行中，很少人去真正关注温度和辐照度与逆变器发电量的关系.所以本文将两台单相逆变器作为研究对象，选取四种天气类型的数据进行分析说明.

2.1 辐照度对逆变器发电量的影响

选取2016-07-19、2017-01-24、2016-09-05和2017-05-28等四种典型气象日的数据作为研究对象，这四天信阳地区天气分别是小雨转中雨、多云转阴、多云和晴，平均温度分别是30.5 ℃、9.6 ℃、35.7 ℃和37.6 ℃.四种天气类型下逆变器全天输出功率与辐照度曲线如图1所示.

从图1可以看出，四种天气类型下逆变器的输出功率都是随辐照度的增大而增大；雨天、阴天和多云情况下，辐照度和逆变器的输出功率几乎是没有规律波动的；晴天情况下，辐照度和逆变器的输出功率比较稳定，基本上是中午最大，早晨和傍晚比较小.还可以看出，5月份和7月份白天的太阳辐照时间长，逆变器启动的时间早(6:00左右)，结束的时间晚(18:30左右)；9月份次之(6:30—18:00)；1月份逆变器启动的时间最晚(7:30左右)，结束的时间最早(17:30左右).

四种天气类型下累计辐照度和逆变器发电量如表2所示.从表2可以看出，晴天的累计辐照度最大(8.03 kWh/m2)，两台逆变器的日发电量也最大(共57.09 kWh)；多云天次之，逆变器的日发电量是晴天的60%左右；阴天和雨天的累计辐照度小，逆变器的日发电量也小，是晴天的10%～30%左右.从表2可以分析出，四种天气类型下辐照度不仅影响光伏方阵效率，还影响逆变器效率，方阵效率和逆变器效率再共同影响逆变器的日发电量，晴天和多云的逆变器效率要高于雨天和阴天的逆变器效率.

(a)雨天 (b)阴天

(c)多云 (d)晴天

表2 四种天气类型下累计辐照度和逆变器发电量Tab. 2 Cumulative irradiance and inverter power generation under four-type weather

2.2 温度对逆变器发电量的影响

选取2017-05-28、2016-08-28、2016-10-17和2016-12-17这四天的数据作为研究对象，这四天信阳地区天气都是晴天，平均温度分别是37.6 ℃、36.1 ℃、28.6 ℃和16.8 ℃.晴天不同温度下逆变器发电量如表3所示.

从表3可以看出，同是晴天，2017-05-28的累计辐照度比2016-08-28的多0.08 kWh/m2，但2017-05-28两台逆变器的日发电量比2016-08-28的少1.19 kWh，同样2016-10-17的累计辐照度比2016-12-17的多0.12 kWh/m2，但2016-10-17两台逆变器的日发电量比2016-12-17的少0.94 kWh.与此相对的，2017-05-28的平均气温比2016-08-28的高1.5 ℃，2016-10-17的平均气温比2016-12-17的高11.8 ℃.从表3可以分析出，晴天情况下温度主要影响光伏方阵效率，光伏方阵效率随着温度的降低而升高，逆变器效率基本保持稳定，光伏方阵效率再进一步影响逆变器的日发电量.

表3 晴天不同温度下逆变器发电量Tab. 3 Inverter power generation at different temperatures on clear days

3 效率研究

效率是逆变器运行过程中最关注的性能指标，随着逆变器拓扑结构及控制算法的进一步发展，有些品牌逆变器的“最大效率”达到了98%，但“最大效率”是在实验室条件下按照逆变器相关检测标准测试出来的，逆变器实际在光伏电站中的运行效率，逆变器是否一直工作在“最大效率”负载点，人们很少去关注.所以本文将重点研究两台单相逆变器在四种天气类型下的运行效率，并根据发电数据予以分析说明.

3.1 逆变器效率

逆变器效率是指某一时刻逆变器交流侧的输出功率与直流侧输入功率的比值，逆变器的负载率是某一时刻逆变器交流侧的输出功率与额定输出功率的比值.选取2016-07-19(雨天)、2017-01-24(阴天)、2016-09-05(多云)和2017-05-28(晴天)这四种典型气象日的数据作为研究对象，这四种天气类型下逆变器全天效率及负载率曲线如图2所示.

(a)雨天 (b)阴天

(c)多云 (d)晴天

从图2可以看出，四种天气类型下逆变器在20%负载点时效率就可以达到90%左右；雨天情况下逆变器效率波动范围大，阴天和多云次之，晴天情况下逆变器效率比较平稳.从图2(d)还可以看出，逆变器负载点超过50%以后，逆变器效率反而会稍微下降，这可能与逆变器所用开关管在大功率时开关损耗大有关.总的来看，晴天和多云天气下逆变器的效率要高于阴天和雨天的效率，逆变器2的效率要高于逆变器1的效率.

3.2 逆变器的“信阳效率”

实际工作中，逆变器也不会一直工作在“最大效率”负载点，其输入电压以及负载点会随太阳辐照度、环境温度等条件的变化而变化，“最大效率”高的逆变器不一定发电量最大，所以使用“最大效率”来评价逆变器的发电效率不够科学、全面，必须结合中国光照资源的分布情况，建立权重系数模型，来评价中国地区的逆变器效率，简称“中国效率”ηChina，其加权公式[7]如式(1)：

ηChina=δ5%η5%+δ10%η10%+

δ20%η20%+δ30%η30%+

δ50%η50%+δ75%η75%+

δ100%η100%.

(1)

其中：δ5%、δ10%、δ20%、δ30%、δ50%、δ75%和δ100%分别为逆变器负载点5%、10%、20%、30%、50%、75%和100%在这7个负载点中所占的权重系数；η5%、η10%、η20%、η30%、η50%、η75%和η100%分别为逆变器在负载点5%、10%、20%、30%、50%、75%和100%时的效率.

逆变器的“信阳效率”是指结合信阳地区光照资源的分布情况和信阳地区逆变器的运行数据，分析出信阳地区逆变器在7个负载点中所占的权重系数以及在7个负载点时的平均效率，从而根据公式1所得到的效率.所以本文将对2016年3月—2017年2月期间逆变器的运行数据进行分析统计，其具体参数见表4.

从表4可以看出，逆变器2在7个负载点时对应的平均效率都高于逆变器1，逆变器2的“信阳效率”也高于逆变器1；根据信阳地区太阳辐照度在7个负载点权重系数的分布情况，全年时间内，逆变器大部分时间运行在30%～75%负载点之间，这些负载点的逆变器效率将直接影响逆变器的全年发电量，所以在选用逆变器时，可以选取在30%～75%负载点效率高的逆变器，提高逆变器的“信阳效率”，从而提高逆变器的全年发电量.“信阳效率”公式对于与信阳地区具有相似光伏资源条件的资源带具有一定的参考价值，并对该地区光伏电站逆变器的应用选型提供有益参考.

表4 逆变器“信阳效率”Tab. 4 Inverter “Xinyang efficiency”

4 电能质量研究

电能质量是逆变器运行过程中的另一个性能指标.由于光伏发电系统的输出功率随着辐照度及环境温度的变化而变化，不是稳定值，具有波动性，所以会给并网侧带来一系列的电能质量问题，包括电压波动、频率波动及电压闪变等.另外，由于光伏逆变器是功率变换设备，将光伏阵列产生的直流电转变成交流电的过程中，会带来谐波及直流分量等问题，对用户设备造成损害.所以下文将重点研究两台单相逆变器交流并网侧的电能质量.

由于光伏组件、逆变器设备和电能质量测试设备对环境条件比较敏感，为了避免测试环境对测试结果造成影响，测试环境必须满足以下要求：环境温度0 ℃～50 ℃,环境湿度不超过90%.本文选取2017-12-21和2017-12-20这两天中午，使用Fluke 435-II电能质量分析仪分别对逆变器1和逆变器2交流并网侧进行电能质量监测，测试时长为2 h，记录数据间隔为30 s.监测的电能质量参数包括电压有效值、频率、功率因数、基波电流、电流总畸变率(THD)和2～25次电流谐波畸变率.逆变器1电能质量参数监测如图3所示，逆变器2电能质量参数监测如图4所示.

从图3可以看出，由于逆变器1电能质量测试期间辐照度不稳定，所以其电压波动范围大，电压偏差为+5.22%；频率比较稳定，频率偏差为+0.0031 Hz；逆变器负载率小于20%时，功率因数降到0.99左右，负载率超过20%后，功率因数都为1；电流谐波总畸变率的变化趋势与逆变器负载率的变化趋势一致，逆变器负载率在17.6%～80.4%期间，电流谐波总畸变率都小于5%.

从图4可以看出，逆变器2电能质量测试期间辐照度比较稳定，电压波动范围小，电压偏差为+5.84%；频率也比较稳定，频率偏差为+0.0047 Hz；功率因数都为1；逆变器负载率在69.2%～75.4%期间，电流谐波总畸变率无规律波动，波动范围大，测试期间大部分时间其值都大于5%，最大值在18.5%左右.

(a)电压与频率 (b)功率因数、基波电流及电流谐波总畸变率

(a)电压与频率 (b)功率因数、基波电流及电流谐波总畸变率

5 结论

辐照度较低时，逆变器的输出功率受组件的转换效率和逆变器效率共同影响；辐照度高时，逆变器效率基本稳定，逆变器输出功率强烈依赖于组件的转换效率.同种天气类型下，逆变器的发电量主要由组件的转换效率决定，因为环境温度影响组件的转换效率，但几乎不影响逆变器效率，所以组件选型时也要充分考虑到当地的环境温度，温度高的地区选用耐热性较好的组件会提高系统的发电量.逆变器在20%负载点时效率就可以达到90%左右，负载点超过50%以后，逆变器效率反而会稍微下降，所以逆变器在功率选型时留一定的余量并没有坏处，虽然增加了成本，但长期看来，会提高逆变器的总发电量.信阳地区或相近地区的光伏电站在逆变器选型时，可以选取在30%～75%负载点时效率高的逆变器，从而提高系统的全年发电量.效率高、发电量多的逆变器不一定就是好的逆变器，还要关注其输出是否给公共电网的电能质量带来影响.

后期还会在信阳地区内的其他地方或者河南省内，建立更多的光伏电站监测基地，依据更多的气象数据和电站运行数据，进一步完善逆变器“信阳效率”公式或建立逆变器“河南效率”的评价方式，为河南地区的光伏电站提供更多提高光伏系统效率的方法.