光伏逆變器室外檢測平臺建設研究

郭斌 王麗娟

摘 要：隨著新能源技術產業的興起，太陽能發電在我國被廣泛開發利用，結合國家建設和諧社會，堅持走綠色環保道路的可持續發展政策，太陽能發電產業將在我國掀起一陣熱潮。光伏發電系統作為太陽能發電的關鍵技術，其核心部件光伏逆變器的性能檢測一直被視為該行業的尖端技術，并被歐美國家幾大龍頭公司壟斷。光能發電的綠色道路要想持續健康長遠發展下去，逆變器性能測試平臺的完善勢在必行，甚至已到迫在眉睫的緊急狀態。而我國落后的光伏逆變器檢測技術一直停留在戶內實驗室檢測階段，該技術瓶頸嚴重阻礙發電行業發展。該文就該問題首先探討了光能發電產業在我國的發展現狀，在了解我國逆變器檢測平臺存在的問題后提出戶外檢測技術方案，并進一步闡述逆變器室外檢測平臺的建設目標。

關鍵詞：光伏逆變器 檢測平臺 戶外檢測 綠色 研究

中圖分類號：TK514 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0065-02

太陽能發電技術中，最具技術含量的一項莫過于光伏發電技術，近年來隨著太陽能發電產業的迅猛發展，光伏發電技術已成為該行業的技術熱門。我國自2005年頒布《可再生能源法》以來，逐步加強了全國高新技術院校、研究所等對光能發電技術滲透研究。尤其是在十八屆一中全會以來，全國人民在習主席的堅強領導下，堅持走綠色環保道路，深化企業改革，積極引進研究高新技術。太陽能發電在我國迎來春天，經過幾年的努力，我國太陽能發電產量已占據世界40%的份額。盡管光伏發電產業規模在不斷擴大，但是產業核心技術卻一直掌握在西方國家手里。目前最為業界人士重視的光伏逆變器的測試研究在我國就存在著重大的技術瓶頸。在國家政策的支持下，國內光能發電產業中也已成就不少逆變器生產企業，并且均在逆變器性能檢測技術方面涉足多年。因為我國工業技術起步晚，初期又缺乏技術人才和理論支持，就技術層面講，國內大部分企業的結構工藝、智能化程度、轉化效率等方面與西方國家還存在很大的差距。

1 我國光能發電產業的發展現狀

在全球環境持續惡化，不可再生資源消耗殆盡的今天，太陽能發電無疑是徹底解決“能源危機”“環境污染”的人類救星。應對可持續發展的全球戰略，光能發電成為世界最前沿的尖端技術。為了大力堅持鼓勵光伏發電產業在我國的發展，政府分別于2009年和2010年頒布了《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》《關于加快培育和發展戰略性新型產業的決定》，該政策都明確了我國將堅定發展多元化太陽能發電市場的決心，“十二五計劃”以來太陽能發電等新能源產業再次被提上重要議題[1]。

據國家能源統計局數據報告顯示，僅截至到2013年我國太陽能發電的電源裝機量就達到了335.1%的增幅。借助國家政策對太陽能發電產業的強大扶持力度，整個光伏發電產業鏈發生巨大變革，光能發電生產材料多硅晶及組件的成本降低又進一步推動了我國光伏發電工程、裝機規模的迅猛發展[2]。2013年的數據顯示在我國光伏發電的裝機數量已突破1500萬kW。

光伏發電整個產業鏈及相關產業在我國已初具規模，主要包含了光能發電主要材料多晶硅的制造生產，太陽能電池的制造封裝，光能專用材料、設備的制造安裝維護等。與我國飛速發展的光伏制造業相比，在光伏應用領域的前進步伐明顯滯后于我國光伏制造業。2000年，我國太陽能電池產量僅為3 MW，到2007年年底達到1088 MW，超過歐洲（1062.8 MW）和日本（920 MW），躍居世界第一位。2010年，我國太陽能電池產量達到8GW，約占全球光伏電池產量的一半，但2010年，我國新增光伏發電裝機約500 MW，累計僅800 MW。中國要達到國際能源署技術路線圖中提出的光伏發電比例的全球平均水平，累計光伏安裝量在2020年前需要達到60 GW光伏，2030年達270 GW[3]。

隨我國光伏市場外部環境的不斷變化，我國光伏產業的發展局限性日益凸顯出來，具體表現在如下幾方面。

（1）規模龐大實力軟弱，因為我國工業化程度低科研力量薄弱，我國光伏產業在國際市場難以掙得話語權，雖然全年產品出口量巨大，但不能把握產品的價格走勢，短期內會因全球市場的需求消耗而占據大部分市場份額，但這樣的情況會隨著技術落后差距逐漸消失。

（2）專業技術薄弱，我國的光伏產業一直受制于西方國家，其根本原因就是相關高新技術的缺失，在我國尚未建立一套全面完整的光伏科研創新體系，全國范圍內與光伏相關的支撐產業如精密儀器、多晶硅材料等幾乎全部依賴于進口，這就使得整個光伏產業只能屈服于整個產業鏈的低端，缺乏國際競爭力的產品往往只能獲得薄弱的利潤[4]。

（3）國內需求不足，技術薄弱導致大部分生產原材料依靠進口，這大大增加了國內光伏發電成本，加之相關國家政策的短缺，目前為止我國當年裝機量還不能達到全年產能的10%，這顯示出我國國內光伏發電應用市場的嚴重不足。

2 國內光伏逆變器檢測平臺的應用與存在的問題

光能發電創造可再生節能能源，符合全球應對壞境惡化的整體趨勢，將成為世界技術領域最炙手可熱的科研項目是毋庸置疑的。在光伏發電系統中最為關鍵的一個組成部件叫做“光伏逆變器”，其功能用最專業的解釋為：將光伏發電產生的直流電源通過內部結構的調整轉換為交流電，以便將光能轉換來的電接入實際應用中的電力網絡和負載[5]。近年來受生產組件價格的大幅降低和國內標桿電價政策的出臺，光伏逆變器產業的發展得到了巨大的提升。據業界專家介紹，逆變器是光伏發電系統中起功率調節的核心器件，因其特殊的功能地位使得行業對逆變器的生產加工等質量的要求極高，僅造價成本就占據了整個系統15%左右的費用。逆變器市場在我國雖具有光明的前景，但是國內逆變器的生產質量卻令人擔憂。在不完善的市場體制下，層次不齊的生產廠家根據不同的客戶需求及應用要求生產質量水準不一致的產品，逆變器的技術改進一直得不到市場推動，緩慢的產品更新速度嚴重制約著我國整個光伏發電行業的飛躍。展望光伏產業未來的無限前景，立足國際市場，我國的逆變器生產不僅僅需要量的激增，更加迫切需要質的提高。

中國光伏專業委員介紹說，光伏發電系統能否長期穩定運行很大部分上取決于逆變器的工作性能，其綜合性能直接關系到光伏系統的安全可靠性、能源利用率和負載供電質量等[6]。為保證光伏系統的安全運行，逆變器在投入使用前都會進行性能檢測實驗，目前國內的逆變器性能檢測平臺多是采用室內實驗室的檢測方案。即通過利用人工模擬的光伏電池組進行輸出試驗，該模擬光伏電源可以簡便幫助實驗人員完成逆變器的功率轉換實驗。而實際上，逆變器在被應用到光伏系統中去后將要應對各種復雜的外界環境，比如：陽光強度，空氣濕度，環境溫度，電網及設備的運行狀況等因素。實驗室中人工設定的實驗環境和電網條件根本無法模擬逆變器實際應用中的各種客觀問題。這就導致國內大部分逆變器出現能通過國實驗室質量認證卻能以長期穩定的保證光伏系統運行的情況發生。為保證光能產業長期安全的發展，盡快展開逆變器的室外研究、檢測是我們不能逃避的路障。但是在我國，逆變器的室外檢測平臺技術幾乎屬于空白內容，由此可見，深化發展我們新能源技術尤其是光伏發電技術，當務之急是加快逆變器的室外檢測平臺建設。

3 光伏逆變器戶外檢測技術方案

3.1 逆變器戶外檢測平臺設計方案

平臺的設計建設應當依托現有光伏電站開展，整個平臺系統由三部分組成：光伏發電系統即光伏電站，逆變器測試設備和逆變器綜合性能的分析系統。

其中光伏發電系統包括了光伏電站的部分內容，光伏陣列、光伏防雷匯流箱、變壓器、負載電網等。對逆變器性能的檢測設備包括：氣象站、電能質量分析儀、功率分析儀等。逆變器性能綜合分析系統將采集電站運行及被檢測逆變器的測試信息，通過分析處理有效數據對逆變器在室外實際工作環境的性能表現做出評價。

3.2 逆變器綜合性能分析系統

逆變器綜合性能分析系統將采用LabVIEW和QT等軟件開發工具進行開發設計。在該平臺做逆變器檢測時，分析系統可以根據檢測要求調整出符合條件的具體工作環境，同時，分析系統還將自動收集、分析、處理相關數據。測試結束后，整個實驗過程的實際數據都將儲存在分析系統中，由系統根據預定的性能要求標準給予被檢測逆變器綜合評分。

3.3 逆變器戶外測試方案

目前專業的光伏測試系統對逆變器的監測項目包括：逆變器跟蹤太陽輻照度，轉換效率，功率因數、輸出電壓穩定度、輸出電能質量，軟啟動，通訊功能等，該文就幾項重要性能測試方案給予闡述。

3.4 逆變器跟蹤太陽輻照度的性能測試

按照逆變器的功能要求設計，逆變器應當對發生劇變的氣象參數尤其是輻照度及時有效的做出相應，以滿足光伏系統的發電要求。但是輻照度急劇的變化會產生震蕩功率，這將沖擊逆變器內部元件甚至導致逆變器跳機情況發生[7]。逆變器如果響應遲鈍失效最終將影響光伏系統的產量。測試方案是利用分析系統對比分析氣象監測系統和功率分析儀、電能分析儀的三方數據。通過系統對比輻照度和功率波形之間的變化關系最終評定逆變器跟蹤輻照度的性能指數。

3.5 轉換效率實驗

轉換效率最直接的代表了逆變器的本質功能，即光能轉換的直流電再轉換為交流電的效率。目前業界普遍采用的是“歐洲效率”進行計算測試，歐洲效率是加和逆變器分別在i%額定輸出功率下的轉換效率的一種加權平均值[8]。功率試驗利用分析系統綜合計算、分析功率分析儀實時監測到的全部數據，并最終給予功率轉換性能指數。

3.6 輸出電壓穩定度測試

輸出電壓穩定度表征了逆變器輸出穩定電壓的能力。當前大部分逆變器的性能要求中普遍存在電壓調整率一項，電壓調整率表示給逆變器輸入在允許范圍內的波動電壓時，逆變器得到的輸出電壓的偏差百分比。而工作要求嚴格的逆變器還需要提供一項敷在調整率的參數，表示逆變器負載在0%到100%范圍內變動時，其輸出電壓的偏差百分比。

3.7 諧波測試

按照國際要求，逆變器在額定功率負載下運轉，注入電流諧波的總畸變概率不得超過5%，其他負載狀況下，逆變器注入電網的各次諧波電流值不得逆變器額定功率運轉時可接受的各次諧波電流值[9]。在該檢測平臺中將利用電能質量分析儀實時監測并記錄逆變器的諧波情況，最后將數據輸送給逆變器綜合性能分析系統，并對逆變器的諧波性能做出分析評價。

4 光伏逆變器戶外檢測平臺建設目標

長期以來，我國光伏發電產業具有巨大發展潛能，無論時經濟市場融資組建光伏產業，還是我國豐富的光照資源，都為光伏產業的擴展奠定了物質基礎。但是因我國工業化進程起步晚，專業人才缺失，大部分理論知識被歐美國家壟斷，我國光能事業的進一步拓展被緊緊的捆綁在技術落后的小辮子上。逆變器室外檢測平臺作為國內技術空白的突破性科研項目，其被賦予和寄托了多方面的目標和希望。

技術目標：光伏逆變器戶外測試平臺的建立不僅彌補了我國在太陽能利用方面的技術空白，通過戶外測試平臺的測試研究將進一步完善光伏產業整體產品質量和服務水準[10]。戶外測試平臺將徹底解決逆變器室內檢測達標實際應用不過關的情況，在對逆變器的整體測試實驗中，逆變器與光伏電站運營變化的對應反映，將有助于電站的進一步提升，所得實驗數據是將成為光能開發利用理論研究的寶貴資料。

經濟目標：戶外測試平臺一旦開發建設成功，可將其投入商業運作，開放式的管理模式既能規范我國逆變器生產市場又能帶動一大批新的高科技產業。戶外檢測平臺將被納入到光伏產業鏈中，立足于前景無限的新能源市場，戶外檢測平臺將引領新一批的光能產業經濟高潮。

社會效益目標：光伏逆變器檢測平臺在研究之初就被賦予眾望，我國光伏市場仍處于雜散亂多的狀況中，市場的深化改革需要技術的支持，只有不斷保障逆變器的性能指標，整個光伏市場才能夠向更高更科學的遠方前進。

5 結語

光伏發電在我國還有很遠的路要走，就目前國際形勢來看，光伏發電無論是在中國還是在全世界都有廣闊的發展前景，但是我國的光伏產業不僅僅需要政府、政策的積極引導和支持，廣大科研人員應當擔負起重任，勵志攻克技術難關，突破國外產權枷鎖，為我國的光伏產業塑造強勁的“發動機”，作為光伏產業的一員，光伏企業更應當積極配合國家相關法律法規的實施要求，承擔社會責任，努力營造良好的光伏發展氛圍。

參考文獻

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[10]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].北京：化工工業出版社，2004.