新能源發(fā)電的核心-逆變器的性能診斷

一、2020年新能源發(fā)電的發(fā)展

新能源主要包含風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、核能等。近年，在傳統(tǒng)能源供應(yīng)日趨緊張，環(huán)境保護(hù)壓力加大的背景下，新能源成為我國(guó)重要的能源戰(zhàn)略。十三五期間國(guó)家依舊“主打”低碳綠色，從產(chǎn)業(yè)角度來(lái)看，光伏、風(fēng)電與核電等清潔發(fā)電產(chǎn)業(yè)將獲得利好。

圖 1  2008-2018年全球光伏歷史新增裝機(jī)變化

二、核心設(shè)備逆變器的測(cè)試難點(diǎn)

光伏風(fēng)電作為新能源發(fā)電中兩種主要形式，作為發(fā)電的核心設(shè)備，逆變器的功率與轉(zhuǎn)換效率的提升就成為設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的重點(diǎn)。這里我們針對(duì)光伏風(fēng)電發(fā)電，來(lái)跟大家分享下測(cè)試的難點(diǎn)到底在哪里呢？

難點(diǎn)1：功率、效率測(cè)試

光伏風(fēng)電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換時(shí)容易使波形信號(hào)容易發(fā)生畸變。這些畸變的波形都是非正弦信號(hào)，如含有豐富的高頻諧波分量。如果沒(méi)有高采樣率與高帶寬，則無(wú)法對(duì)高頻成分進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，因此其測(cè)量值與真實(shí)值存在巨大差距。

難點(diǎn)2：光伏與風(fēng)電行業(yè)低電壓穿越（LVRT）測(cè)試

低電壓穿越規(guī)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落一段時(shí)間內(nèi)，并網(wǎng)裝置如太陽(yáng)能逆變器或風(fēng)力發(fā)電仍需維持輸出，直到電網(wǎng)電力恢復(fù)正常。測(cè)試時(shí)要將這個(gè)過(guò)程波形全部保持記錄，需要在保證采樣率的情況下長(zhǎng)時(shí)間記錄，再針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

難點(diǎn)3：諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

電源系統(tǒng)及并網(wǎng)設(shè)備的諧波、間諧波測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際電能質(zhì)量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中能準(zhǔn)確測(cè)量電網(wǎng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)，由于光伏風(fēng)電產(chǎn)生的電能一般會(huì)含有大量的諧波，所以需要通過(guò)諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)才能準(zhǔn)入并網(wǎng)。

圖2  光伏風(fēng)電行業(yè)發(fā)電的測(cè)試圖

三、解決方案：

1.   功率、效率測(cè)試

如圖3所示我們可以看到光伏發(fā)電測(cè)試的重點(diǎn)就在于光伏逆變器的功率與效率值，PA8000功率分析儀采用全新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，擁有突破性0.01%功率測(cè)量精度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換效率的準(zhǔn)確測(cè)量。

同時(shí)，PA功率分析儀支持7通道電壓電流同時(shí)測(cè)試，一臺(tái)儀器可同時(shí)在多個(gè)點(diǎn)同時(shí)執(zhí)行功率測(cè)量，可以為光伏逆變器、風(fēng)力換流器的效率測(cè)試提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖3  光伏發(fā)電測(cè)試原理圖

2.   光伏與風(fēng)電行業(yè)低電壓穿越（LVRT）測(cè)試

光伏行業(yè)的低電壓穿越過(guò)程如下：

圖4  光伏行業(yè)的低電壓穿越測(cè)試原理圖

根據(jù)GB/T 19964-2012的要求光伏行業(yè)低電壓穿越測(cè)試需要滿足以下要求：

（1） 并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至0時(shí)，若能在150ms內(nèi)恢復(fù)到20%額定電壓，逆變器要保證在這150ms內(nèi)不脫網(wǎng)。

（2） 并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后的0.625s內(nèi)若能從20%額定電壓開(kāi)始恢復(fù)，逆變器要保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms。

（3） 并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后的2s內(nèi)若能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，逆變器能夠保證不脫網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)行。

風(fēng)電行業(yè)的低電壓穿越過(guò)程如下：

圖5  風(fēng)電行業(yè)的低電壓穿越測(cè)試原理圖

根據(jù)GB/T 19963-2011的要求風(fēng)電換流器低電壓穿越測(cè)試需要滿足以下要求：

（1） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出端電壓跌落至20%額定電壓時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms。

（2） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出端電壓在發(fā)生跌落后 2s 內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90％時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)能保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

如圖6所示，致遠(yuǎn)電子針對(duì)光伏和風(fēng)電行業(yè)在軟件上都加了專門的測(cè)試功能，不僅可以解決光伏行業(yè)的低電壓穿越測(cè)試問(wèn)題，更是特意加入了風(fēng)電行業(yè)的低電壓穿越測(cè)試功能，可以幫助風(fēng)電行業(yè)用戶自主的對(duì)風(fēng)電換流器進(jìn)行低電壓穿越測(cè)試。

圖6  PAM管理軟件低電壓穿越數(shù)據(jù)分析

3.   諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

IEC61000-4-7諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

IEC61000-4-7是電源系統(tǒng)及并網(wǎng)設(shè)備的諧波、間諧波測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際電能質(zhì)量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中能準(zhǔn)確測(cè)量電網(wǎng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)。可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的諧波限值標(biāo)準(zhǔn)分析測(cè)量對(duì)象的諧波含量是否超標(biāo)。

IEC諧波測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的頻譜分析間隔為5Hz，諧波的幅值由諧波子組的均方根決定，對(duì)諧波含量的要求相比于普通諧波測(cè)試的舊標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格了很多，也更符合現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)中的諧波含量分布情況。配合IEC61000-4-7中諧波含量的限值標(biāo)準(zhǔn)分析，能提供更具說(shuō)服力的諧波分析結(jié)果。以IEC諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的第7次諧波子組為例，。

圖7  IEC61000-4-7諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

VDE-AR-N4105德標(biāo)諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

VDE-AR-N4105是德國(guó)新頒布的低壓電源并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定，其檢測(cè)難點(diǎn)在于測(cè)量設(shè)備必須提供高達(dá)178次諧波的測(cè)量結(jié)果來(lái)進(jìn)行諧波分析。因?yàn)閂ED-AR-N4105低壓并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求諧波測(cè)量范圍覆蓋整個(gè)低頻域（約9KHz內(nèi)），所以測(cè)試次數(shù)為8900/50=178(50Hz為第0次諧波)。

PA6000H系列功率分析儀可同時(shí)支持IEC與N4105德標(biāo)諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，最大可支持500次諧波測(cè)量，可以真實(shí)呈現(xiàn)出各次諧波成分和諧波失真因素（THD）。

圖8VDE-AR-N4105標(biāo)準(zhǔn)

4.   閃變阻抗角測(cè)試

常規(guī)逆變器并網(wǎng)閃變測(cè)試需要RLC 負(fù)載，但是對(duì)于大型逆變器，使用RLC 負(fù)載已經(jīng)不現(xiàn)實(shí)，所以IEC61400-21標(biāo)準(zhǔn)給出了在模擬電網(wǎng)情況下進(jìn)行閃變阻抗角測(cè)試的方法。PA 功率分析儀搭配PAM 上位機(jī)軟件可快速測(cè)算出不同閃變角下的短閃變值與閃變系數(shù)。此外我們還針對(duì)性的優(yōu)化了鎖相算法，很好的解決了階躍抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了更好的精度。