光伏逆變器效率及電能質量測試與分析

■ 黃靜 劉江峰 劉林東 陳富東 余振 薛洪斐

(1.信陽師范學院建筑節能材料河南省協同創新中心 2.河海大學機電工程學院)

0 引言

并網逆變器作為光伏發電系統中的關鍵部件，其性能的好壞會直接影響整個發電系統的發電質量和投資收益。隨著國家“十三五”規劃對光伏發電的大力支持，光伏逆變器的評價方式及性能提高也越來越受到人們的關注[1-4]。光伏逆變器最重要的兩個電氣性能指標為效率和電能質量[5-8]。在光伏電站的實際運行中，高效率的逆變器不一定發電能力就強，這與周圍的資源環境有很大關系；高效率的逆變器也不一定同時具備好的電能質量，這與逆變器所采用的主電路拓撲和控制算法有關。

雖然國內對逆變器在實驗室條件下的性能指標等技術有規范要求[9]，但逆變器在實際運行時周圍工況復雜，有些性能指標可能達不到說明書上給出的技術參數指標，因此，針對逆變器運行過程中的電氣性能指標進行檢測及有效評價是十分重要的。本文主要研究光伏逆變器運行中的電氣性能指標檢測技術，并結合實際電站，對2臺逆變器的效率及電能質量檢測結果進行對比分析，為逆變器在實際運行過程中的性能好壞提供了有效評價方式，也可為后期光伏電站設計中逆變器的應用選型提供參考依據。

1 逆變器性能指標

作為光伏發電系統中的關鍵功率設備，光伏并網逆變器將光伏陣列輸出的直流電逆變成交流電，并實現最大功率點跟蹤控制，其功率輸出直接決定著光伏系統的發電質量。在逆變器運行過程中，最關注的兩個性能指標是效率和電能質量：效率的大小直接關系到整個光伏電站的發電量，進一步還會影響光伏電站的收益和回收周期；電能質量的好壞直接關系到光伏電站的發電質量，進一步還會影響公用電網的質量，給用戶設備帶來損害。

1.1 效率

根據EN 50530-2010《Overall efficiency of grid connected photovoltaic inverters》的定義，逆變器效率可以分為3類：MPPT效率、轉換效率和總效率。本文所研究的轉換效率是逆變器的總瞬時效率，已將標準EN 50530-2010所定義的MPPT效率和轉換效率包含在內。

逆變器轉換效率ηconv是指逆變器交流側(即并網接入側)輸出的瞬時功率Pac(t)與直流側(即PV接入側)輸入的瞬時功率Pdc(t)的比值，其公式為：

逆變器的最大轉換效率ηmax的負載點可以由制造商與用戶協議商定。北京鑒衡認證中心發布的CGC/GF 004TM.1-2012《并網光伏發電專用逆變器試驗方法：第1部分 電性能》中規定：無變壓器型逆變器的最大轉換效率應不低于96%，含變壓器型逆變器的最大轉換效率應不低于94%。

在實際工作中，由于逆變器的輸出功率會隨著太陽輻照度、環境溫度等條件的變化而變化，不會一直工作在最大轉換效率的負載點，且最大轉換效率高的逆變器不一定發電量就最大，所以，用最大轉換效率來評價逆變器的發電效率不夠科學和全面。

逆變器的輸出功率與很多因素相關，包括太陽輻照度分布、負載點下的轉換效率、最大功率點跟蹤效率等。雖然標準EN 50530-2010也提出用歐洲加權效率和加州加權效率來評價逆變器效率，但由于我國太陽能資源分布與歐美地區有較大的差異，所以不能用這兩種加權效率來評價中國地區的逆變器效率。

鑒衡認證中心王婷等[10]在我國全國范圍內選取了13個地區的年輻照度數據進行統計分析，給出了光伏逆變器“中國效率”ηChina的評價方式；CGC/GF 035-2013《光伏并網逆變器中國效率技術條件》[11]也給出了中國效率的加權公式，其公式為：

式 中，η5%、η10%、η20%、η30%、η50%、η75%和η100%分別為逆變器在負載點5%、10%、20%、30%、50%、75%和100%時的轉換效率。

1.2 電能質量

由于光伏發電系統的輸出功率會隨著輻照度及環境溫度的變化而變化，不是穩定值，具有波動性，所以會對并網側造成一系列的電能質量問題，包括電壓波動、頻率波動及電壓閃變等。另外，由于光伏逆變器是功率變換設備，在將光伏陣列產生的直流電轉變成交流電的過程中，會帶來諧波及直流分量等問題，會對用戶設備造成損害，甚至會造成嚴重的經濟損失。因此，光伏逆變器在運行期間，其交流側的電能質量必須滿足國家的相關標準[12-15]，包括電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、諧波等電能質量參數。

2 逆變器效率及電能質量測試

本文結合信陽地區10 kW光伏電站，對2臺光伏逆變器的效率及電能質量進行了測試，并對測試結果進行對比分析。

2.1 10 kW光伏電站情況

信陽地區全年累計總輻照量為7198.9 MJ/m2，夏季平均氣溫約為26 ℃，冬季平均氣溫約為1～2 ℃，春季和秋季平均氣溫約為16 ℃。10 kW光伏電站位于某學校綜合實驗樓5樓天臺，地理坐標為 114°2′3′′E、32°8′31′′N，安裝方位為正南方向，固定傾角為27°。

系統總安裝容量為10 kW，使用40塊多晶硅光伏組件，其中，20塊組件的型號為TSM-250PC05A，另外20塊組件的型號為AP6-60-250/3BB，組件的額定功率都是250 W。每10塊組件串聯為1路組串，共4路組串；組串1和組串3接入逆變器1，組串2和組串4接入逆變器2；最后經逆變器交流側輸出并入到公共電網。10 kW光伏電站系統接線圖如圖1所示，逆變器電性能參數如表1所示。

圖1 10 kW光伏電站系統接線圖

表1 逆變器電性能參數

2.2 效率測試

10 kW光伏電站裝有光伏監控系統，系統已正常運行2年多，可以采集方陣面輻照度、環境溫度、組件溫度，各組串直流電壓、電流和功率，逆變器交流電壓、電流和功率，以及總電能等參數，數據采集間隔為5 s。本文從電站監測數據的歷史數據中，選取2017年5月28日(天氣類型為晴天)這天的數據，分析計算出2臺逆變器全天14個整點時刻的轉換效率和負載率，如表2所示；并對2臺逆變器全天轉換效率和負載率進行對比，如圖2所示。

表2 逆變器全天轉換效率及負載率

從表2可以看出，在2017年5月28日這天，逆變器1的最大轉換效率為91.74%，而逆變器2的最大轉換效率為93.66%，2臺逆變器的效率都達不到廠家所提供的最大效率技術指標要求。

圖2 2臺逆變器全天轉換效率及負載率對比圖

由圖2可以看出，逆變器2全天的轉換效率都略高于逆變器1，而其負載率都略低于逆變器1。剛開始時，2臺逆變器的轉換效率跟負載率基本上呈正比，但隨著負載率的逐漸增大，2臺逆變器的轉換效率并不是一直增大，在負載率超過65%左右時，逆變器轉換效率反而有所降低。所以，在實際運行中，由于受輻照度和環境溫度的影響，逆變器并不一定工作在最大轉換效率負載點，用最大轉換效率來評價逆變器效率不夠全面，也不夠科學。

將2017年5月28日這天2臺逆變器的轉換效率按照7個負載點進行統計，并根據公式(2)計算出中國效率ηChina，統計及計算結果如表3所示，其中，5%、10%、20%、30%、50%、75%這6個負載點的取值范圍均為“該值大小± 2.5%”。由于逆變器在選取時一般都留有一定功率余量，所以正常運行的情況下難以達到滿載，特別是有云天氣或者在輻照不好的地區，更難以達到90%以上的負載點。5月28日這天，逆變器1最大負載點為79.826%，所以其滿載時的效率取負載點為79.011%～79.826%范圍內時的效率；逆變器2最大負載點為76.11%，所以其滿載時的效率根據經驗近似取為91%。

從表3可以看出，逆變器2的ηChina高于逆變器1；逆變器1在50%和75%負載點時的轉換效率最大，逆變器2在30%和50%負載點時的轉換效率最大。根據公式(2)可以看出，50%和75%負載點時的轉換效率占權重系數比較大，所以從選擇逆變器的角度而言，要多關注逆變器在這兩個負載點時的轉換效率，選取在這兩個負載點時轉換效率高的逆變器可以提高整個光伏系統的發電量。

表3 逆變器效率統計及中國效率ηChina

2.3 電能質量測試

由于光伏組件、逆變器設備和電能質量測試設備對環境條件比較敏感，為了避免測試環境對測試結果造成影響，測試環境必須滿足以下要求：環境溫度為0～50 ℃，環境濕度不超過90%。本文選取2017年12月20日和21日(天氣類型都為晴天)這兩天中午，太陽輻照度比較穩定，基本維持在800～1200 W/m2之間。使用Fluke 435-II電能質量分析儀分別對逆變器1和逆變器2交流側進行電能質量監測，測試時長為2 h，記錄數據間隔為30 s。監測的電能質量參數包括：電壓有效值、頻率、功率因數、基波電流、電流總畸變率(THD)和2～25次電流諧波畸變率，并通過電能質量分析儀配套的Power Log 430-II分析軟件對記錄的數據進行分析，分析數據如表4、表5所示。

表4 逆變器交流側電能質量參數

從表4可以看出，逆變器1所測的幾個電能質量參數都能滿足國標GB/T 12325-2008《電能質量：供電電壓偏差》、GB/T 15945-2008《電力系統頻率偏差》、GB/T 14549-1993《電能質量：公用電網諧波標準》的相關要求；而逆變器2除電流THD不滿足國標要求以外，其他參數也都能滿足國標要求。測試期間，逆變器1的輸出功率波動范圍較大，其負載率范圍為17.6%～80.4%，電流THD控制在5%以內；與此相對，逆變器2的輸出功率波動范圍較小，其負載率范圍為69.2%～75.4%，電流THD超過5%，達到18.38%。所以，在實際運行過程中，逆變器2的電流諧波畸變率達不到廠家所提供的技術參數要求。

表5 2～25次電流諧波畸變率

根據表5可以得到2臺逆變器2～25次電流諧波畸變率的對比圖，如圖3所示。從圖3可以看出，逆變器2的電流在7、9、11和13次的諧波畸變率分別是9.25%、11.03%、9.26%和5.28%，遠遠高于逆變器1。由于接入逆變器2的光伏方陣的額定功率與逆變器2的額定功率是匹配的，并且在電能質量測試期間，太陽能輻照度比較穩定，逆變器負載率基本穩定在72%左右，所以，造成逆變器2電流諧波畸變率高的主要原因還是逆變器本身，應該與逆變器的元器件選型和控制算法有關，但也不能排除電網對測試結果的影響，后續還會對此繼續進行研究。

圖3 電流諧波畸變率對比圖

3 結論

在逆變器實際運行過程中，既要關注效率指標，也要關注電能質量指標。逆變器實際運行工況復雜，受周圍資源環境條件的影響，其運行過程中的電氣性能指標未必能滿足技術指標要求。本文結合10 kW光伏電站，利用電站監控系統的歷史數據，整理得到2臺逆變器的全天效率及負載率曲線，并根據效率加權公式計算出中國效率；使用Fluke 435-II電能質量分析儀對逆變器交流側的電能質量進行監測，然后對結果進行分析，可以得到以下結論：

1)在實際運行過程中，2臺逆變器的效率都達不到廠家所提供的最大效率技術指標；且由于受輻照度和環境溫度的影響，逆變器并不一定都工作在最大轉換效率負載點。

2)從選擇逆變器的角度而言，要多關注逆變器在50%和75%這兩個負載率點時的轉換效率，選取在這兩個負載點轉換效率高的逆變器可以提高整個光伏系統的發電量。

3)在實際運行過程中，逆變器2的電流諧波畸變率達不到廠家所提供的技術參數要求；造成逆變器2電流諧波畸變率高的主要原因在于逆變器本身，應該與逆變器的元器件選型和控制算法有關，但也不能排除電網對測試結果的影響。

后續將根據信陽地區太陽輻照度的分布情況對研究進一步完善，整理出適用于信陽地區逆變器效率評價的加權公式，并結合實際測試，進一步分析逆變器2電流諧波畸變率高的影響因素。