光伏逆变器效率及电能质量测试与分析

■ 黄静 刘江峰 刘林东 陈富东 余振 薛洪斐

(1.信阳师范学院建筑节能材料河南省协同创新中心 2.河海大学机电工程学院)

0 引言

并网逆变器作为光伏发电系统中的关键部件，其性能的好坏会直接影响整个发电系统的发电质量和投资收益。随着国家“十三五”规划对光伏发电的大力支持，光伏逆变器的评价方式及性能提高也越来越受到人们的关注[1-4]。光伏逆变器最重要的两个电气性能指标为效率和电能质量[5-8]。在光伏电站的实际运行中，高效率的逆变器不一定发电能力就强，这与周围的资源环境有很大关系；高效率的逆变器也不一定同时具备好的电能质量，这与逆变器所采用的主电路拓扑和控制算法有关。

虽然国内对逆变器在实验室条件下的性能指标等技术有规范要求[9]，但逆变器在实际运行时周围工况复杂，有些性能指标可能达不到说明书上给出的技术参数指标，因此，针对逆变器运行过程中的电气性能指标进行检测及有效评价是十分重要的。本文主要研究光伏逆变器运行中的电气性能指标检测技术，并结合实际电站，对2台逆变器的效率及电能质量检测结果进行对比分析，为逆变器在实际运行过程中的性能好坏提供了有效评价方式，也可为后期光伏电站设计中逆变器的应用选型提供参考依据。

1 逆变器性能指标

作为光伏发电系统中的关键功率设备，光伏并网逆变器将光伏阵列输出的直流电逆变成交流电，并实现最大功率点跟踪控制，其功率输出直接决定着光伏系统的发电质量。在逆变器运行过程中，最关注的两个性能指标是效率和电能质量：效率的大小直接关系到整个光伏电站的发电量，进一步还会影响光伏电站的收益和回收周期；电能质量的好坏直接关系到光伏电站的发电质量，进一步还会影响公用电网的质量，给用户设备带来损害。

1.1 效率

根据EN 50530-2010《Overall efficiency of grid connected photovoltaic inverters》的定义，逆变器效率可以分为3类：MPPT效率、转换效率和总效率。本文所研究的转换效率是逆变器的总瞬时效率，已将标准EN 50530-2010所定义的MPPT效率和转换效率包含在内。

逆变器转换效率ηconv是指逆变器交流侧(即并网接入侧)输出的瞬时功率Pac(t)与直流侧(即PV接入侧)输入的瞬时功率Pdc(t)的比值，其公式为：

逆变器的最大转换效率ηmax的负载点可以由制造商与用户协议商定。北京鉴衡认证中心发布的CGC/GF 004TM.1-2012《并网光伏发电专用逆变器试验方法：第1部分 电性能》中规定：无变压器型逆变器的最大转换效率应不低于96%，含变压器型逆变器的最大转换效率应不低于94%。

在实际工作中，由于逆变器的输出功率会随着太阳辐照度、环境温度等条件的变化而变化，不会一直工作在最大转换效率的负载点，且最大转换效率高的逆变器不一定发电量就最大，所以，用最大转换效率来评价逆变器的发电效率不够科学和全面。

逆变器的输出功率与很多因素相关，包括太阳辐照度分布、负载点下的转换效率、最大功率点跟踪效率等。虽然标准EN 50530-2010也提出用欧洲加权效率和加州加权效率来评价逆变器效率，但由于我国太阳能资源分布与欧美地区有较大的差异，所以不能用这两种加权效率来评价中国地区的逆变器效率。

鉴衡认证中心王婷等[10]在我国全国范围内选取了13个地区的年辐照度数据进行统计分析，给出了光伏逆变器“中国效率”ηChina的评价方式；CGC/GF 035-2013《光伏并网逆变器中国效率技术条件》[11]也给出了中国效率的加权公式，其公式为：

式 中，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%时的转换效率。

1.2 电能质量

由于光伏发电系统的输出功率会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，所以会对并网侧造成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，在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，会对用户设备造成损害，甚至会造成严重的经济损失。因此，光伏逆变器在运行期间，其交流侧的电能质量必须满足国家的相关标准[12-15]，包括电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、谐波等电能质量参数。

2 逆变器效率及电能质量测试

本文结合信阳地区10 kW光伏电站，对2台光伏逆变器的效率及电能质量进行了测试，并对测试结果进行对比分析。

2.1 10 kW光伏电站情况

信阳地区全年累计总辐照量为7198.9 MJ/m2，夏季平均气温约为26 ℃，冬季平均气温约为1～2 ℃，春季和秋季平均气温约为16 ℃。10 kW光伏电站位于某学校综合实验楼5楼天台，地理坐标为 114°2′3′′E、32°8′31′′N，安装方位为正南方向，固定倾角为27°。

系统总安装容量为10 kW，使用40块多晶硅光伏组件，其中，20块组件的型号为TSM-250PC05A，另外20块组件的型号为AP6-60-250/3BB，组件的额定功率都是250 W。每10块组件串联为1路组串，共4路组串；组串1和组串3接入逆变器1，组串2和组串4接入逆变器2；最后经逆变器交流侧输出并入到公共电网。10 kW光伏电站系统接线图如图1所示，逆变器电性能参数如表1所示。

图1 10 kW光伏电站系统接线图

表1 逆变器电性能参数

2.2 效率测试

10 kW光伏电站装有光伏监控系统，系统已正常运行2年多，可以采集方阵面辐照度、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、电流和功率，以及总电能等参数，数据采集间隔为5 s。本文从电站监测数据的历史数据中，选取2017年5月28日(天气类型为晴天)这天的数据，分析计算出2台逆变器全天14个整点时刻的转换效率和负载率，如表2所示；并对2台逆变器全天转换效率和负载率进行对比，如图2所示。

表2 逆变器全天转换效率及负载率

从表2可以看出，在2017年5月28日这天，逆变器1的最大转换效率为91.74%，而逆变器2的最大转换效率为93.66%，2台逆变器的效率都达不到厂家所提供的最大效率技术指标要求。

图2 2台逆变器全天转换效率及负载率对比图

由图2可以看出，逆变器2全天的转换效率都略高于逆变器1，而其负载率都略低于逆变器1。刚开始时，2台逆变器的转换效率跟负载率基本上呈正比，但随着负载率的逐渐增大，2台逆变器的转换效率并不是一直增大，在负载率超过65%左右时，逆变器转换效率反而有所降低。所以，在实际运行中，由于受辐照度和环境温度的影响，逆变器并不一定工作在最大转换效率负载点，用最大转换效率来评价逆变器效率不够全面，也不够科学。

将2017年5月28日这天2台逆变器的转换效率按照7个负载点进行统计，并根据公式(2)计算出中国效率ηChina，统计及计算结果如表3所示，其中，5%、10%、20%、30%、50%、75%这6个负载点的取值范围均为“该值大小± 2.5%”。由于逆变器在选取时一般都留有一定功率余量，所以正常运行的情况下难以达到满载，特别是有云天气或者在辐照不好的地区，更难以达到90%以上的负载点。5月28日这天，逆变器1最大负载点为79.826%，所以其满载时的效率取负载点为79.011%～79.826%范围内时的效率；逆变器2最大负载点为76.11%，所以其满载时的效率根据经验近似取为91%。

从表3可以看出，逆变器2的ηChina高于逆变器1；逆变器1在50%和75%负载点时的转换效率最大，逆变器2在30%和50%负载点时的转换效率最大。根据公式(2)可以看出，50%和75%负载点时的转换效率占权重系数比较大，所以从选择逆变器的角度而言，要多关注逆变器在这两个负载点时的转换效率，选取在这两个负载点时转换效率高的逆变器可以提高整个光伏系统的发电量。

表3 逆变器效率统计及中国效率ηChina

2.3 电能质量测试

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：环境温度为0～50 ℃，环境湿度不超过90%。本文选取2017年12月20日和21日(天气类型都为晴天)这两天中午，太阳辐照度比较稳定，基本维持在800～1200 W/m2之间。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，并通过电能质量分析仪配套的Power Log 430-II分析软件对记录的数据进行分析，分析数据如表4、表5所示。

表4 逆变器交流侧电能质量参数

从表4可以看出，逆变器1所测的几个电能质量参数都能满足国标GB/T 12325-2008《电能质量：供电电压偏差》、GB/T 15945-2008《电力系统频率偏差》、GB/T 14549-1993《电能质量：公用电网谐波标准》的相关要求；而逆变器2除电流THD不满足国标要求以外，其他参数也都能满足国标要求。测试期间，逆变器1的输出功率波动范围较大，其负载率范围为17.6%～80.4%，电流THD控制在5%以内；与此相对，逆变器2的输出功率波动范围较小，其负载率范围为69.2%～75.4%，电流THD超过5%，达到18.38%。所以，在实际运行过程中，逆变器2的电流谐波畸变率达不到厂家所提供的技术参数要求。

表5 2～25次电流谐波畸变率

根据表5可以得到2台逆变器2～25次电流谐波畸变率的对比图，如图3所示。从图3可以看出，逆变器2的电流在7、9、11和13次的谐波畸变率分别是9.25%、11.03%、9.26%和5.28%，远远高于逆变器1。由于接入逆变器2的光伏方阵的额定功率与逆变器2的额定功率是匹配的，并且在电能质量测试期间，太阳能辐照度比较稳定，逆变器负载率基本稳定在72%左右，所以，造成逆变器2电流谐波畸变率高的主要原因还是逆变器本身，应该与逆变器的元器件选型和控制算法有关，但也不能排除电网对测试结果的影响，后续还会对此继续进行研究。

图3 电流谐波畸变率对比图

3 结论

在逆变器实际运行过程中，既要关注效率指标，也要关注电能质量指标。逆变器实际运行工况复杂，受周围资源环境条件的影响，其运行过程中的电气性能指标未必能满足技术指标要求。本文结合10 kW光伏电站，利用电站监控系统的历史数据，整理得到2台逆变器的全天效率及负载率曲线，并根据效率加权公式计算出中国效率；使用Fluke 435-II电能质量分析仪对逆变器交流侧的电能质量进行监测，然后对结果进行分析，可以得到以下结论：

1)在实际运行过程中，2台逆变器的效率都达不到厂家所提供的最大效率技术指标；且由于受辐照度和环境温度的影响，逆变器并不一定都工作在最大转换效率负载点。

2)从选择逆变器的角度而言，要多关注逆变器在50%和75%这两个负载率点时的转换效率，选取在这两个负载点转换效率高的逆变器可以提高整个光伏系统的发电量。

3)在实际运行过程中，逆变器2的电流谐波畸变率达不到厂家所提供的技术参数要求；造成逆变器2电流谐波畸变率高的主要原因在于逆变器本身，应该与逆变器的元器件选型和控制算法有关，但也不能排除电网对测试结果的影响。

后续将根据信阳地区太阳辐照度的分布情况对研究进一步完善，整理出适用于信阳地区逆变器效率评价的加权公式，并结合实际测试，进一步分析逆变器2电流谐波畸变率高的影响因素。