測試下一代太陽能逆變器

作者：KEN CHRISTENSEN，全球產(chǎn)品經(jīng)理，電力和能源Keysight Technologies

并網(wǎng)分布式發(fā)電是全球公用事業(yè)電力生產(chǎn)組合中越來越重要的組成部分。隨著越來越多的可再生能源生產(chǎn)系統(tǒng)和并網(wǎng)存儲設(shè)備的安裝和發(fā)電能力的實現(xiàn)，它們的貢獻(xiàn)已被證明是一種可行的電力來源，有助于電網(wǎng)穩(wěn)定。為了使這一趨勢持續(xù)下去并與傳統(tǒng)發(fā)電資源競爭，分布式發(fā)電機(jī)必須繼續(xù)提高其效率和可靠性，以便為電力生產(chǎn)商提供最低的能源平準(zhǔn)化成本 (LCOE)。

DER 測試手套并網(wǎng)發(fā)電機(jī)，例如風(fēng)能和太陽能逆變器，以及雙向并網(wǎng)存儲被認(rèn)為是分布式能源 (DER)，有時也稱為分布式發(fā)電機(jī) (DG)。測試和認(rèn)證 DER 的時間和資源挑戰(zhàn)是 DER 供應(yīng)商日益增加的負(fù)擔(dān)。最先進(jìn)的實驗室能夠測試各種環(huán)境條件、電網(wǎng)電氣特性和系統(tǒng)組件。這種復(fù)雜的可變參數(shù)集不可能在現(xiàn)實世界中及時進(jìn)行測試。例如，在早晨啟動條件下測試太陽能逆變器的性能，每天只能進(jìn)行一次，使用一組天氣條件和一種太陽能電池組件。如果條件不正確或測試設(shè)置有問題，測試必須等待更好的一天。受控實驗室測試是應(yīng)對 DER 供應(yīng)商日益增長的上市時間壓力的唯一合理方法。

任何并網(wǎng)發(fā)電機(jī)都需要進(jìn)行大量測試。這些測試可分為四個領(lǐng)域（括號中為北美太陽能逆變器的每個領(lǐng)域的示例）：

產(chǎn)品設(shè)計驗證

安全/電氣規(guī)范/政府法規(guī)（NFPA70/NEC、FCC）

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 1547/UL1741、CEC 逆變器效率）

電網(wǎng)連接要求（CAISO 規(guī)則 21、ERCOT、WECC）

此外，分布式發(fā)電機(jī)的供應(yīng)商被要求對發(fā)電機(jī)在各種運行條件下的性能進(jìn)行完整的表征，當(dāng)設(shè)備在項目生命周期（通常超過 20 年）內(nèi)運行時，可以體驗到這些運行條件。在所有這些操作條件下，工程師都需要測量電能質(zhì)量、諧波、能量產(chǎn)生和電源轉(zhuǎn)換效率。?

太陽能逆變器：DER 測試示例太陽能逆變器是 DER 的絕佳示例。對前面列出的所有領(lǐng)域進(jìn)行測試通常會占用開發(fā)太陽能逆變器所需時間的 30% 到 40%。太陽能逆變器必須在最惡劣的環(huán)境條件下可靠地發(fā)電——從一月份在加拿大北部屋頂吹雪到八月份在美國西南部沙漠吹沙。逆變器必須能夠檢測異常電壓和頻率條件，并根據(jù)電網(wǎng)運營商的判斷“穿越”或斷開連接。

太陽能發(fā)電站財務(wù)可行性的最重要方面之一是太陽能逆變器如何最大限度地提高從直流到交流電的轉(zhuǎn)換效率。在發(fā)電機(jī)的整個生命周期內(nèi)，能源產(chǎn)量增加的百分之幾可能導(dǎo)致公用事業(yè)規(guī)模項目的能源增加數(shù)百或數(shù)千美元，甚至數(shù)百萬美元。由于當(dāng)今能源經(jīng)濟(jì)的利潤微薄，這些財務(wù)收益通常會影響項目的可行性。

太陽能逆變器的整體轉(zhuǎn)換效率主要由兩個關(guān)鍵部分決定：最大功率點跟蹤 (MPPT) 效率和直流到交流電源轉(zhuǎn)換效率。太陽能電池板產(chǎn)生的功率取決于其運行位置及其特征電流 - 電壓 (IV) 曲線上的位置（圖 1）。面板產(chǎn)生的電流隨著輻照的增加而增加。電壓隨溫度升高而降低。一整天，溫度和輻照度都在不斷變化。準(zhǔn)確有效地跟蹤最大功率點 (MPP) 是逆變器中嵌入的控制固件的工作。在某種程度上，這些控制算法是每個逆變器的“秘密武器”。

圖 1：太陽能電池板的典型 IV 和功率曲線示例顯示了最大功率點跟蹤在不同輻照度情況下必須如何變化。

為了測試逆變器跟蹤太陽能陣列最大功率點的能力，測試工程師可以使用光伏 (PV) 陣列模擬器來模擬其目標(biāo)陣列技術(shù)的行為。PV 陣列模擬器產(chǎn)生與特定太陽能電池板的功率生產(chǎn)特性相匹配的功率曲線，因為每個太陽能電池板模型都有其獨特的 IV 曲線，具體取決于其技術(shù)（薄膜、多晶硅等）和太陽能電池設(shè)計特性. （想象一下在沒有光伏陣列模擬器的情況下嘗試測試每個可能的太陽能電池板/逆變器組合的復(fù)雜性和成本?。?/p>

先進(jìn)的光伏陣列模擬器還可以根據(jù) EN50530（測量 MPPT 性能的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）自動執(zhí)行測試和報告。EN50530 協(xié)議在靜態(tài)和動態(tài)模式下運行逆變器的 MPP 跟蹤器，以持續(xù)測量逆變器的 MPPT 效率，這個過程需要近七個小時才能完全完成！當(dāng)然，EN50530 協(xié)議的自動化和標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的報告的自動生成可以提高測試工程師的效率。

直流到交流電源轉(zhuǎn)換測試通常遵循桑迪亞逆變器測試協(xié)議和/或 IEC 61683，該國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測量功率調(diào)節(jié)器效率的程序。這些是需要環(huán)境測試室和精密測量儀器的復(fù)雜程序。與所有測量一樣，測試儀器必須具有比您想要進(jìn)行的測量更好的精度。大多數(shù)現(xiàn)代太陽能逆變器的峰值轉(zhuǎn)換效率都在 98% 以上，工程師們正試圖在他們的設(shè)計中看到 0.1% 的轉(zhuǎn)換效率提升。因此，需要使用精度至少為 0.05% 的功率分析儀來測量直流輸入和交流輸出。

為了增加所有這些測試的復(fù)雜性，太陽能逆變器技術(shù)也在不斷變化。為了降低組件成本、安裝成本和 I 2 T 損耗，太陽能陣列的直流電壓不斷增加。包括太陽能電池板和逆變器在內(nèi)的下一代太陽能發(fā)電機(jī)的運行電壓為 1,500 Vdc。因此，測試實驗室必須升級他們的功率分析儀、光伏陣列模擬器和電源，以便在這種更高的直流電壓下運行。

Keysight Technologies 測試解決方案示例能夠測試下一代 1,500-Vdc 逆變器以及當(dāng)前的 600-和 1,000-Vdc 逆變器，包括 Keysight N8937APV PV 陣列模擬器和連接到 12-Vdc 的 Keysight IntegraVision PA2203A 功率分析儀kVA，三相太陽能逆變器（圖2）。借助此解決方案，工程師可以模擬真實環(huán)境條件并評估其對逆變器各個方面的影響，如http://bit.ly/29hFpji上的視頻所示。該逆變器測試解決方案與交流電網(wǎng)模擬器相結(jié)合，使工程師能夠測試電能質(zhì)量問題、發(fā)電機(jī)電能質(zhì)量和效率。?

圖 2：在本測試示例中，使用 N8900APV 光伏陣列模擬器（所示為 60 kW 配置）和 PA2203A IntegraVision 功率分析儀對 12 kVA 三相逆變器進(jìn)行測試。

測試分布式能源發(fā)電機(jī)的挑戰(zhàn)可能令人生畏。除了風(fēng)能和太陽能逆變器之外，并網(wǎng)電池存儲、電動汽車和電動汽車充電器最近也被添加到 DER 列表中。隨著分布式能源和微電網(wǎng)在電網(wǎng)上的普及，電網(wǎng)運營商所需的資格測試無疑會增加。電網(wǎng)運營商的主要職責(zé)之一是為其成員提供清潔、可靠的電力。如果在將產(chǎn)品連接到電網(wǎng)之前沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y試，電網(wǎng)就會變得不那么可靠。尋找測試和測量領(lǐng)導(dǎo)者與這些設(shè)備的供應(yīng)商合作，以站在發(fā)電行業(yè)這場革命的前沿。

審核編輯 黃昊宇