基于VDE-AR-N4105標準的光伏并網逆變器性能自動化測試系統開發

陳 棟, 顧凱鳴, 鐘名湖, 鮑安平, 韓 賓

(1. 南京信息職業技術學院 中認新能源技術學院, 江蘇 南京 210023；2. 南京中認南信檢測技術有限公司 技術部, 江蘇 南京 210023)

基于VDE-AR-N4105標準的光伏并網逆變器性能自動化測試系統開發

陳 棟1,2, 顧凱鳴1,2, 鐘名湖1, 鮑安平1, 韓 賓2

(1. 南京信息職業技術學院 中認新能源技術學院, 江蘇 南京 210023；2. 南京中認南信檢測技術有限公司 技術部, 江蘇 南京 210023)

并網性能和保護功能測試是光伏并網逆變器的設計重點,為驗證其是否滿足德國電器工程師協會(VDE)標準VDE-AR-N 4105(以下簡寫為VDE4105)的要求,同時為實現高效的自動化測試需求,利用LabVIEW軟件設計了基于VDE4105標準的光伏并網逆變器性能測試的自動化測試系統。目前該系統已在南京中認南信檢測技術有限公司用于光伏并網逆變器性能測試,測試表明該平臺搭建合理、測試精度高、運行穩定可靠、自動化程度高,提高了測試效率,減少了人員誤差。

光伏并網逆變器； 性能測試； VDE4105； LabVIEW

隨著能源危機的加深,太陽能作為一種取之不盡、用之不竭、清潔安全的可再生能源越來越受到人們的重視[1-3]。作為光伏發電系統核心器件的逆變器市場也伴隨整個光伏產業的發展而迅速興起。近年來,德國光伏分布式發電容量迅速增加,并網逆變器對電網運行的穩定性和電能質量的影響也日益增大[4]。為了保證電網的穩定運行和用戶安全,每臺出廠的光伏并網逆變器都需要進行并網性能和保護功能測試。

德國2011年8月發布了新的分布式發電系統低壓并網標準VDE-AR-N4105(以下簡稱為VDE4105),該標準應用在光伏逆變器產品認證中越來越廣泛,但其測試標準只給出了測試的技術要求,并未給出具體的測試方法[5]。同時滿足該標準的光伏并網逆變器性能測試時間較長,測試工程師工作強度很大,測試效率較低。

本文基于VDE4105標準,根據其技術要求研究了性能試驗的測試方法和步驟,開發了用于光伏并網逆變器性能試驗的自動化測試系統,所有測試數據通過計算機自動采集和處理,測試表明該系統大大提高了測試效率,同時能夠保證測試的精確性。同時,由于系統軟件開發平臺LabVIEW具有可擴展性,可以方便用戶針對不同的標準開發相應的測試軟件。

1 VDE4105標準并網性能測試內容及測試方法分析

VDE4105標準提出的并網性能測試要求主要有以下測試:有功-頻率控制、電網過欠壓/過欠頻保護、功率恢復斜率、閃變、諧波、無功功率、短時中斷等測試。本文重點介紹有功-頻率控制和電網過欠壓/過欠頻保護2個具有代表性的測試。

1.1 有功-頻率控制特性測試

VDE4105標準中明確提出分布式發電系統需根據電網頻率值調節電源的有功功率輸出,從而避免因電網出現故障或功率過剩等情況引起電網頻率變化而造成電網發生不穩定現象。

分析有功-頻率控制功能測試要求,含有3層含義:一是當電網頻率在50.2～51.5 Hz之間時,逆變器應以40%PM/Hz的斜率隨頻率的增加降低其輸出功率,或在頻率減小時增加其輸出功率,如圖1所示,圖中P為逆變器輸出功率,PM為頻率50.2 Hz時的輸出功率,fmains為電網頻率；二是當頻率降回至50.2 Hz以下時,若此時所設置的輸出的功率大于PM,則功率恢復的速度不應超過10%PAmax/min；三是電網頻率大于51.5 Hz或小于47.5 Hz時,逆變器應立即從電網斷開。

圖1 有功-頻率控制測試曲線圖

此測試的目的是為了驗證逆變器執行頻率特性要求的良好程度。測試在逆變器運行在半功率和滿功率兩種情況下分別進行。設計測試方法及其步驟如下:

(1) 設置光伏陣列模擬器和電網模擬器使逆變器運行在半(滿)功率工作條件下。

(2) 改變電網模擬器頻率為50.2 Hz,等待1 min后,測量逆變器的輸出功率1 min并計算平均值作為逆變器在50.2 Hz處的輸出功率PM。

(3) 逐步升高電網模擬器的頻率,步長為0.05 Hz。在每一個新的頻率點處,先等待1 min,再測量計算逆變器輸出功率的1 min平均值作為該頻率點的輸出功率。當頻率升至51.45 Hz時,不再升高頻率。

(4) 逐步降低電網模擬器的頻率,步長為0.05 Hz。采用步驟(3)相同的方法測量各個頻率點下的輸出功率。當頻率下降至50.2 Hz時,不再下降頻率。

(5) 恢復電網模擬器頻率至額定頻率50 Hz,等待1 min后測量逆變器在50 Hz處的1 min平均輸出功率。

上述測試步驟的目的是驗證測試曲線是否滿足圖1的要求,VDE4105標準中要求此測試的精度為10 mHz,有功功率測試結果允許有±10%的公差。

1.2 過欠壓/過欠頻保護性能測試

VDE4105標準中要求,當電網電壓或頻率偏離規定條件出現異常情況時,光伏并網逆變器應該停止向電網供電或從電網中切斷；如果電壓或頻率在規定的最大跳閘時間(從逆變器異常狀態發生到停止工作的響應時間)內恢復到正常電網連續運行時則不必停止供電。此要求適用于多相系統中的任何一相。

光伏并網逆變器對異常電壓或頻率響應時間的相關限值分別見表1和表2。

表1 光伏并網逆變器對異常電壓響應時間

表2 光伏并網逆變器對異常頻率響應時間

該測試的目的是為了驗證逆變器具有一定的耐受系統電壓或頻率異常的能力。以過欠頻保護功能測試為例,設計測試方法及其步驟如下:

(1) 設置光伏陣列模擬器和電網模擬器使逆變器正常啟動,等到逆變器工作穩定后開始進行測試；

(2) 設置電網模擬器頻率從50 Hz直接跳變到小于47.5 Hz,保持4 s后恢復至50 Hz,逆變器應在0.2 s內停止運行,且在頻率恢復正常后重新并網，在數字示波器上觀察跳脫時間和重連時間,記錄數據并保存示波器波形圖像，此測試重復3次；

(3) 設置電網模擬器頻率從50 Hz直接跳變到小于47.5 Hz,保持4 s后恢復至50 Hz,逆變器應在0.2 s內停止運行,且在頻率恢復正常后重并網，在數字示波器上觀察跳脫時間和重連時間,記錄數據并保存示波器波形圖像，此測試重復3次；

(4) 設置電網模擬器頻率從50 Hz直接跳變到大于51.5 Hz,保持4 s后恢復至50 Hz,逆變器應在0.2 s內停止運行,且在頻率恢復正常后重并網，在數字示波器上觀察跳脫時間和重連時間,記錄數據并保存示波器波形圖像，此測試重復3次。

2 系統構成與設計

2.1 系統構成

整個系統由光伏陣列模擬器(可編程直流電源)、電網模擬器(可編程交流電源)、功率分析儀、數字存儲示波器、工控機等硬件構成，整個系統結構框圖見圖2。基于LabVIEW平臺編寫自動化性能測試軟件,通過RS485、LAN等總線控制光伏陣列模擬器、電網模擬器、功率分析儀等設備進行各種性能實驗。

圖2 系統結構框圖

2.2 系統硬件設計

系統硬件平臺搭建最重要的是要進行測試設備的選型,各個測試設備的技術指標必須要滿足VDE4105標準的測試要求。

該系統中工控機選用美國NI公司的PXIe-1082機箱和PXIe-8133控制器,兩者配合使用可以使數據吞吐量從4 GB/s躍升至8 GB/s,用于系統更大的數據記錄和回放。選用NI PXIe-8431/8模塊用于實現工控機與光伏陣列模擬器的RS485連接。選用NI PXI-6280數據采集卡用于采集電網模擬器的觸發信號和各通道電流信號。

光伏陣列模擬器選用瑞士Regatron公司的可編程直流源TCP.32.1000.400S,用來模擬不同光伏陣列在不同環境條件下的伏安特性。

電網模擬器、功率分析儀、數字存儲示波器與工控機之間均采用LAN連接。電網模擬器用來模擬真實電網電壓、頻率等多種電網的變化情況。本系統電網模擬器選用美國AMETEK公司的可編程交流源RS90,在進行逆變器性能測試時該電源能夠吸收逆變器的反灌能量,可以直接連接逆變器交流側,無需連接RLC負載,極大地簡化了測試平臺的構建[6]。

功率分析儀選用日本YOKOGAWA公司WT3000,同時選配日本HIOKI公司的電流傳感器CT6863用來讀取逆變器直流側和交流側的電參數值,如電流、電壓、功率和頻率等。

數字存儲示波器選用美國Tektronix公司的MSO4054B,具有高達1 GHz的帶寬和5 GS/s的采樣率,用來察看逆變器交流側電壓、電流和電網模擬器的觸發等信號。

2.3 系統軟件設計

此平臺系統軟件的設計才是整個自動化測試系統設計的關鍵。系統軟件是基于LabVIEW平臺開發的,LabVIEW是由NI公司推出的虛擬儀器設計開發平臺,具有圖形化編程容易入門、豐富的擴展函數庫和分析子程序,使之在開發虛擬儀器(VI)上具有獨特優勢[7]。系統軟件主界面設計如圖3所示。系統軟件運行流程框圖見圖4,軟件在測試過程中無需人為進行任何干預。測試項目會按照VDE4105標準的測試要求完成測試,大大提高了測試效率,節約了人力成本。

圖3 系統軟件主界面

本系統中主要用戶界面功能模塊對應的VI均采用生產者-消費者設計模式實現,由生產者、消費者2個循環和1個消息隊列組成[8-12]。生產者循環監測用戶界面,根據界面操作通過消息隊列給消費者循環指定執行任務以及執行順序,消費者循環負責任務的實現。該模式是目前最為理想的編程結構,能夠邏輯嚴密地響應用戶界面操作,在不同VI間實現通信和互動,也易于軟件的功能擴展和維護。

圖4 系統軟件運行流程框圖

本系統中集成調用儀器廠商提供的第三方驅動程序或動態鏈接庫(DLL)實現對光伏方陣模擬器和電網模擬器等設備的控制,如調用tcio.dll、TcioWrapper.dll和TopConAPI.dll對TCP.32.1000.400S進行程控,調用cicmx.dll和cicmx.llb對RS90進行程控,大大縮短了系統的開發時間。

3 系統功能驗證實例

本文選擇國內某知名廠家生產型號為TLC5K單相5 kVA并網逆變器作為樣品來驗證系統測試功能的準確性和有效性。設置光伏陣列模擬器MPPT電壓為400 V,開路電壓為500 V,輸入功率為5 kW,保護電壓為550 V,設置電網模擬器交流電壓為230 V,逆變器正常啟機。根據前述的有功-頻率控制特性測試方法進行測試,以逆變器工作在滿功率為例,測得其特性曲線見圖5,完全滿足了VDE4105標準測試要求,系統功能測試正常。

根據前述的過欠壓/過欠頻保護性能測試方法,對逆變器的過頻保護功能進行測試,測試曲線見圖6,測得最大跳閘時間為195 ms,同時人工從數字存儲示波器上截取到的波形如圖7所示,最大跳閘時間顯示為192.4 ms,可以看出,自動化軟件測試值偏差僅為1.4%,表明軟件算法優良,完全能夠滿足VDE4105標準測試要求。

圖5 滿功率下有功-頻率控制特性測試曲線

圖6 過頻保護性能測試曲線

圖7 從示波器上截取的逆變器過頻保護性能測試曲線

4 結束語

本文提出的光伏并網逆變器性能自動化測試系統是依據德國VDE4105標準、LabVIEW平臺開發的,具有測試準確、運行穩定和自動化程度高等優點,該系統在運行過程中無需人為進行任何干預,將測試人員從單調繁瑣的機械測試工作中解脫出來,大大提高了測試效率和測試質量。

References)

[1] 陳志磊,牛晨暉,李臻,等.光伏發電并網標準發展[J].電力電子技術,2013,47(3):15-17.

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[3] 魏博,羅智文,馬小晶.太陽能吸收裝置超調跟蹤系統效能分析[J].河北科技大學學報,2013,34(4):377-379.

[4] 楊新法,蘇劍,呂志鵬,等.微電網技術綜述[J].中國電機工程學報,2014,34(1):57-70.

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[9] 王維喜,李智.基于生產者/消費者設計模式的連續音頻信號采集系統[J].現代電子技術,2009(7):129-132.

[10] Blume Peter A. The LabVIEW style book[M].Prentice-Hall, Inc,2007.

[11] 雷晏瑤,李智.基于生產者/消費者的數據采集系統設計[J].機械,2011(9):39-43.

[12] 唐進元,李松,邵文.基于LabVIEW生產者-消費者模式的齒輪轉動振動測試系統[J].機械傳動,2011,35(1):5-7.

Development of performance automatic test system for photovoltaic grid-connected inverter based on VDE-AR-N4105 standard

Chen Dong1,2, Gu Kaiming1,2, Zhong Minghu1, Bao Anping1, Han Bin2

(1. Faculty of CQC New Energy Technology, Nanjing Vocational College of Information Technology, Nanjing 210023, China; 2. Technical Department, Nanjing CQC-Trusted Testing Technology CO., LTD, Nanjing 210023, China)

The grid performance and protection function test is the focal point in the development of photovoltaic grid-connected inverter. To verify whether it meets the German Electrical Engineers Association (VDE) standard VDE-AR-N 4105(VDE4105), and to achieve efficient automated testing requirements, the performance automatic test system for photovoltaic grid-connected inverter based on VDE4105 standard is designed by using LabVIEW. Nowadays, this automatic test system has been put into use for Nanjing CQC-Trusted Testing Technology CO., LTD. The practical results indicate that it works well and has high test precision, high stability and reliability. And it can improve the test efficiency and reduce the personal errors.

photovoltaic grid-connected inverter; performance test; VDE4105; LabVIEW

2015- 08- 07 修改日期：2015- 08- 31

江蘇省“六大人才高峰”高層次人才選拔資助項目(DZXX-024)；南京信息職業技術學院工程研發中心開放基金資助項目(KF20130703)

陳棟(1980—)，男，江蘇南京，工學碩士，講師，項目工程師,主要從事光伏發電檢測技術研究.

E-mail：chendong.dz@njcit.cn

TM464;TP273

A

1002-4956(2015)12- 0107- 05