新一代光伏逆變器效率測(cè)試的巨大挑戰(zhàn)和對(duì)策

曾經(jīng)是稀缺資源的北京藍(lán)已經(jīng)變成了常態(tài)，昔日萬(wàn)頃的戈壁灘被太陽(yáng)能板覆蓋，羊群在其中漫步，悠哉地享受著除草機(jī)的角色！中國(guó)人理想中的綠水青山的家園， 在越來(lái)越多的地方顯現(xiàn)！

這一切離不開我們光伏行業(yè)工程師這十多年的努力和不斷創(chuàng)新，而且這個(gè)步伐還在不斷加快！

挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)大型光伏發(fā)電站，采用的是集中式逆變器，將成千上萬(wàn)個(gè)光伏電池，通過一個(gè)大型逆變器（MW級(jí)）集中逆變并網(wǎng)，但這種技術(shù)的缺陷也是顯而易見的：當(dāng)有部分光伏電池出現(xiàn)遮擋或問題時(shí)，集中式逆變器系統(tǒng)整體效率會(huì)受到影響；而且一旦逆變器意外宕機(jī)，會(huì)使當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)產(chǎn)生巨大的供電缺口。

為了克服集中式逆變器存在的問題， 現(xiàn)在行業(yè)中更多流行分布式組串逆變器式結(jié)構(gòu)，將光伏電池分成若干組，通過多個(gè)中小功率的逆變器（15-100KW）匯流后再并入電網(wǎng)。當(dāng)個(gè)別逆變器出現(xiàn)異常，或者局部被遮擋，不會(huì)造成集中式類似的供電影響。

同時(shí)，為使光伏發(fā)電項(xiàng)目在招投標(biāo)項(xiàng)目中能夠贏得與煤炭、天然氣等其他能源的競(jìng)爭(zhēng)，1500V高電壓系統(tǒng)和多MPPT輸入的組串式逆變器方案成了光伏電站的必然選擇。常見光伏逆變器具有4路MPPT、8路MPPT、甚至12路MPPT，甚至有些光伏逆變器的標(biāo)稱MPPT效率已經(jīng)高達(dá)99.99%！

那究竟什么是MPPT，針對(duì)如此高功率、高效MPPT效率測(cè)試的高精度測(cè)試， 究竟有何講究呢？這還得先從光伏電池的輸出特性開始……

01

光伏電池通常是采用硅基材料制作，典型的有單晶硅、多晶硅電池，其等效電路如下：

在光伏電池的I-V曲線上，最重要的三個(gè)點(diǎn)（不包括0， 四個(gè)參數(shù)Isc/Voc/Imax/Vmax）：

按照公式，光伏模擬器只需要知道Isc,Voc,Imax,Vmax，就可以計(jì)算出從0V到Voc所有電壓和電流值，同時(shí)繪制出光伏電池的曲線。

光伏電池的輸出I-V曲線受光照強(qiáng)弱（Isc變化顯著）、溫度高低（Voc變化顯著）變化非常巨大。

因此，為了保證投資效益，光伏發(fā)電系統(tǒng)必須時(shí)刻保持在最大的功率輸出，這就是最大功率追蹤MPPT！

02

MPPT測(cè)試就是要驗(yàn)證光伏逆變器是否能夠追蹤和時(shí)刻保持在光伏電池最大的功率點(diǎn)Pmax，下圖為DG9000A軟件中光伏曲線和當(dāng)前逆變器工作點(diǎn)（紅點(diǎn)）和效率。

MPPT測(cè)試時(shí)，需要使用模擬光伏特性的電源(通常之為光伏模擬器SAS)，如是德科技的E4360A，N8957APV，PV8922A等 , 并配合模擬器控制和測(cè)量軟件完成復(fù)雜的綜合MPPT效率測(cè)量。

03

考慮到太陽(yáng)光照射到光伏電池隨季節(jié)和氣候的變化，甚至一天內(nèi)早、中、晚光照強(qiáng)度和角度變化的影響，必須測(cè)試光伏逆變器在各種條件下的MPPT效率。

因此，光伏逆變器行業(yè)協(xié)會(huì)將MPPT測(cè)試分成靜態(tài)MPPT和動(dòng)態(tài)MPPT，給每種狀態(tài)不同的權(quán)重（系數(shù)），計(jì)算出綜合加權(quán)MPPT效率值。

如下表為CGC定義的各種光照強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的系數(shù)，負(fù)載點(diǎn) = 1.0 表示最強(qiáng)光照條件下， 對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為0.15(15%)，0.75光照強(qiáng)度的權(quán)重為37%。

對(duì)策

01 光伏模擬器（SAS）的方案

2016年是德科技發(fā)布了業(yè)界第一款1500V光伏模擬器N8957APV，解決了當(dāng)時(shí)光伏逆變器從低電壓 (600V / 1000V) 向1500V高電壓演進(jìn)的燃眉之急，受到了光伏業(yè)界的追捧。

但隨著這些年光伏逆變器技術(shù)水平的不斷提升，更高電壓、功率和精度的光伏模擬器迫在眉睫，主要原因有以下兩條：

1）更高精度的要求：

剛才提到目前逆變器效率可以提升到99.9%！這就需要更穩(wěn)定和精確的SAS。但傳統(tǒng)的SAS，例如N8957APV，其輸出和測(cè)量電壓精度0.1%*FS，電流精度 0.2%*FS，其測(cè)試誤差隨著功率的減小而明顯增大，如1000V，15A，15KW時(shí)精度為0.55%；而功率減小至1.5KW，功率測(cè)量誤差已經(jīng)到達(dá)4.15%，明顯無(wú)法精確測(cè)量99.9% 的轉(zhuǎn)換效率（參考PV8922A與N8957APV精度對(duì)比表格）。

2）當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中多MPPT組串式逆變器效率測(cè)試方法存在的問題。

還記得上文提到的集中式逆變器存在2個(gè)缺陷嗎？其中之一就是光伏逆變器局部遮陽(yáng)或損壞時(shí)，逆變器整體效率大大降低。然而，當(dāng)前光伏逆變器測(cè)試規(guī)范EN50530以及國(guó)內(nèi)等同標(biāo)準(zhǔn)中，如下圖所示，卻是將光伏模擬器的功率平均分配到各MPPT輸入端進(jìn)行效率測(cè)試。這種方法不知道究竟測(cè)的是集中式逆變器效率還是組串式逆變器的效率？

02 新型光伏模擬器（SAS）：為更為科學(xué)的測(cè)試提供了必要的手段

為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來(lái)光伏技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，是德科技在2020年6月再次刷新光伏模擬器性能記錄，推出功能更強(qiáng)的光伏模擬器。功率20KW，電壓等級(jí)高達(dá)2000V，電壓精度0.04%， 電流精度0.03%，以及正負(fù)電流雙向無(wú)縫切換等，助力新一代光、儲(chǔ)一體化系統(tǒng)。

DG9000A光伏模擬器軟件支持多達(dá)12路獨(dú)立MPPT輸入，以及靈活的光伏模擬和MPPT的連接方式，研發(fā)和測(cè)試工程師可以模擬任意的光伏電池矩陣的異?；蛘诒吻闆r。

PV8922A 2000V，30A，20KW

1）下表為PV8922A與目前市場(chǎng)上主流的N8957APV電壓、電流和功率精度指標(biāo)的對(duì)比，不難看出，PV8922A在15KW時(shí)，功率輸出和測(cè)量誤差僅0.098%，只有N8957APV的20%；在功率1.5KW時(shí)，精度0.218%， 更是只有N8957APV的5%。

2）此外，全新的DG9000A光伏模擬器控制和MPPT測(cè)試軟件，支持多達(dá)12路MPPT獨(dú)立控制，并實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄每一路MPPT效率、逆變器綜合效率和長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的MPPT、逆變器效率的變化趨勢(shì)，助力光伏逆變器性能的進(jìn)一步提升。

3）下圖為光伏模擬器主從并機(jī)后，再同時(shí)連接到光伏模擬器的MPPT，模擬復(fù)雜光伏曲線。

數(shù)據(jù)采集最小間隔為50mS，工程師可設(shè)定任意的記錄時(shí)間周期，如下為4路MPPT，MPPT1保持不變，MPPT2-4 按照不同斜率變化時(shí)，各MPPT效率和逆變器綜合MPPT效率表。