摘要

在最近的十余年里，太陽(yáng)能光伏逆變技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。與此同時(shí)，人們普遍開(kāi)始擔(dān)憂隨著光伏逆變器的占比越來(lái)越高，整個(gè)電力供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)受到極大影響。但最近的研究顯示，例如在歐洲，那些采用了高級(jí)功能的逆變器的電力系統(tǒng)的品質(zhì)事實(shí)上反而得到了提高。美國(guó)當(dāng)前已有的光伏標(biāo)準(zhǔn)如IEEE1547和加州Rule 21都是針對(duì)低占比的情況，而現(xiàn)在隨著光伏的占比越來(lái)越高，對(duì)于逆變器而言，支持電網(wǎng)接受高占比的高級(jí)功能的需求已經(jīng)顯著地增加。而這些高級(jí)功能在原有的標(biāo)準(zhǔn)中并無(wú)體現(xiàn)，例如無(wú)功電壓控制、電壓穿越能力、頻率穿越能力、有功頻率控制、緩變率控制以及通訊等。

本文首先討論了一兩年前做的一系列測(cè)試，揭示了“傳統(tǒng)”逆變器的典型表現(xiàn)，包括他們對(duì)電網(wǎng)的失真的貢獻(xiàn)、防孤島問(wèn)題以及潛在的更嚴(yán)重的干擾。其次我們給出使用一臺(tái)已經(jīng)在商業(yè)化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)光伏逆變器的測(cè)試結(jié)果，該逆變器是按照最近的德國(guó)電網(wǎng)規(guī)則設(shè)計(jì)的,所采用的高級(jí)功能是當(dāng)前美國(guó)的規(guī)則所沒(méi)有要求的。我們測(cè)試了該逆變器在一系列典型的電壓和頻率波動(dòng)情況下的表現(xiàn)，以評(píng)估其在電網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)性能。相當(dāng)一部分的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)報(bào)告(如IEC61000-3-15，CEI 0-21等)都提到光伏逆變器可能用于提升電力品質(zhì)，而本文展現(xiàn)的這些測(cè)試結(jié)果指出光伏逆變器的確可以提升電力品質(zhì)和電網(wǎng)穩(wěn)定性。

測(cè)試方案

首先我們針對(duì)傳統(tǒng)逆變器進(jìn)行測(cè)試，以證實(shí)這些逆變器能夠遵照美國(guó)以及其他國(guó)際規(guī)范安全運(yùn)行。測(cè)試方案如圖1所示。電網(wǎng)模擬器用于處理雙向的能量流動(dòng)，就像真實(shí)的電網(wǎng)。逆變器接受來(lái)自于光伏模擬器的直流能量注入。電子負(fù)載產(chǎn)生線性和非線性的電流負(fù)載，有效地模擬各種典型的家用負(fù)載的行為，例如電腦、廚房電器、電視、空調(diào)等設(shè)備。功率分析儀用于分析負(fù)載、逆變器以及電網(wǎng)之間的電流流動(dòng)。

圖1 用于評(píng)估光伏逆變器的測(cè)試方案

圖2展示了功率分析儀上的典型顯示。上方的圖形是電網(wǎng)模擬器即電網(wǎng)端的電壓(綠色)和電流(黑色)波形，下方的圖形是負(fù)載的電流(紅色)和逆變器的電流(藍(lán)色)。逆變器輸出1274.9瓦給家用負(fù)載，輸出1766.5瓦給電網(wǎng)。

圖2 逆變器輸出3KW

公共電網(wǎng)的真實(shí)電壓波形一般都不可能像圖2所示是那么完美的正弦波形，2-5%的電壓總諧波失真極為常見(jiàn)。為了評(píng)估逆變器對(duì)于失真電壓的響應(yīng)，我們控制電網(wǎng)模擬器以1%的步進(jìn)來(lái)設(shè)置第9階次諧波從3%到9%的電壓失真。如圖3顯示了7%失真設(shè)置時(shí)的波形。

圖3 帶有7%電壓失真的波形

如圖4所示，注入電網(wǎng)的電流失真大約是設(shè)置的電壓失真的兩倍。這是由于逆變器“追蹤”電網(wǎng)的電壓，疊加上了與電壓失真程度相同的電流失真。

圖4 逆變器對(duì)于失真的貢獻(xiàn)

如果逆變器能夠被“許可”進(jìn)行補(bǔ)償，它就能減少注入公共電網(wǎng)的電流失真。新型的逆變器已經(jīng)具備了該功能。

再來(lái)看傳統(tǒng)逆變器的另一個(gè)不良應(yīng)對(duì)，出于對(duì)早期防孤島要求而采取的對(duì)電壓跌落和短時(shí)擾動(dòng)的響應(yīng)。早期標(biāo)準(zhǔn)要求逆變器在電網(wǎng)電壓超出限值(一般為標(biāo)準(zhǔn)值的±10%)后的160毫秒內(nèi)應(yīng)當(dāng)切斷連接。圖5展示了逆變器對(duì)于短時(shí)電壓跌落的響應(yīng)。該逆變器在10毫秒內(nèi)斷開(kāi)連接并且維持在離線狀態(tài)，有時(shí)離線狀態(tài)會(huì)持續(xù)好幾分鐘。而這樣的響應(yīng)方式會(huì)進(jìn)一步加劇電網(wǎng)的電壓跌落問(wèn)題。所以這就要求逆變器能夠具有一定的低電壓穿越能力。

圖5 逆變器對(duì)于電壓跌落的響應(yīng)

高級(jí)光伏逆變器能力

為了評(píng)估高級(jí)光伏逆變器對(duì)于電網(wǎng)的影響，南加州愛(ài)迪生(SCE)購(gòu)買(mǎi)了若干個(gè)遵照德國(guó)電網(wǎng)規(guī)則設(shè)計(jì)的家用及商用逆變器。這些逆變器具有那些美國(guó)規(guī)則所不要求的高級(jí)功能。以下內(nèi)容介紹這些逆變器在SCE DER實(shí)驗(yàn)室的部分測(cè)試項(xiàng)目。

新的逆變器設(shè)計(jì)允許電壓穿越能力，例如在40%至100%范圍內(nèi)可調(diào)的低電壓穿越。當(dāng)系統(tǒng)電壓高于下限時(shí)，逆變器維持功率輸出，不從電網(wǎng)中切開(kāi)。當(dāng)系統(tǒng)電壓跌至下限以下時(shí)，逆變器停止功率輸出，但仍然在一段可調(diào)的時(shí)間內(nèi)(在SCE的測(cè)試時(shí)最短為 0.04秒，最長(zhǎng)為10秒)維持與電網(wǎng)的連接，在電壓恢復(fù)至高于下限一定程度(余量)之后再輸出功率。

圖6展示了該功能。電壓(藍(lán)色線)跌至標(biāo)準(zhǔn)值的47%，使得逆變器(綠色線)停止輸出功率，但是當(dāng)電壓回復(fù)至47%加上3%余量后，逆變器立即恢復(fù)提升其功率(第8秒前的時(shí)刻)。當(dāng)公共電網(wǎng)電壓在第17秒超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，逆變器相應(yīng)縮減其功率輸出，直到電壓穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)值后(第27秒)逆變器恢復(fù)滿功率輸出。

圖6 新型光伏逆變器的低電壓穿越能力

對(duì)照傳統(tǒng)的響應(yīng)方式--逆變器在電網(wǎng)電壓跌落至90%以下后就直接切斷連接并維持離線狀態(tài)若干分鐘，很明顯現(xiàn)在的這種方式是一種更佳的應(yīng)對(duì)策略。

圖7的測(cè)試結(jié)果表明，光伏逆變器能夠顯著地提升“不良電網(wǎng)”的電壓穩(wěn)定性。在該測(cè)試中，電網(wǎng)模擬器設(shè)置為比較弱的電源，其輸出電流每隔5秒就會(huì)被進(jìn)一步的限制，目的是逐步降低該測(cè)試平臺(tái)的發(fā)電/負(fù)荷比率，以使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)步降低(比如在偏遠(yuǎn)地區(qū)的不良電網(wǎng)環(huán)境)。這樣我們可以測(cè)出逆變器的無(wú)功電壓支撐能力。圖7 展示了3種場(chǎng)景：逆變器電壓支撐開(kāi)啟在3%斜率(綠色軌跡)，電壓支撐開(kāi)啟在1%斜率(橙色軌跡)，以及電壓支撐關(guān)閉(藍(lán)色軌跡)。

圖7 逆變器在欠壓時(shí)的電壓支撐

當(dāng)電壓支撐處于開(kāi)啟狀態(tài)，電網(wǎng)電壓跌落至98%以下時(shí)(約第五秒)，逆變器立即提升其無(wú)功輸出，抬升系統(tǒng)電壓。測(cè)試數(shù)據(jù)很清楚地表明了采用電壓支撐技術(shù)的光伏逆變器的好處，系統(tǒng)電壓能夠被維持在偏離標(biāo)準(zhǔn)值5%以內(nèi)。

而在過(guò)電壓的情況下，逆變器則以相反的方式應(yīng)對(duì)，能夠減少過(guò)電壓的效果(比如斷開(kāi)負(fù)載時(shí)會(huì)發(fā)生的情況)。圖8展示了這種測(cè)試的波形圖。

圖8 逆變器在過(guò)壓時(shí)的無(wú)功支撐

對(duì)于圖7和圖8的測(cè)試項(xiàng)目，我們是通過(guò)該逆變器提供的通訊方式(例如通過(guò)串口、藍(lán)牙等接口)，將其設(shè)置為如下的參數(shù)并啟用電壓支撐功能：

l無(wú)功支撐：最大50%滿功率

lQ/V梯度: 0% (沒(méi)有無(wú)功), 1%, 以及 3% (該梯度是定義無(wú)功功率與電壓的關(guān)系)

在圖8的測(cè)試開(kāi)始之前，電網(wǎng)模擬器的電壓是被設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)值的120%，但是其允許輸出電流是受限的，因此負(fù)載會(huì)將電網(wǎng)電壓拉低至所需的標(biāo)稱值。在測(cè)試過(guò)程中，電網(wǎng)模擬器的輸出電流限值每隔5秒就會(huì)被手動(dòng)地抬升一次，來(lái)模擬提升發(fā)電/負(fù)荷比率的情況，從而使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)步升高，用于檢測(cè)逆變器的電壓支撐功能。與之前的測(cè)試相同，圖8也展示了三種場(chǎng)景：逆變器電壓支撐開(kāi)啟在3%斜率(綠色軌跡)，電壓支撐開(kāi)啟在1%斜率(橙色軌跡)，以及電壓支撐關(guān)閉(藍(lán)色軌跡)。當(dāng)電壓升高至超過(guò) 102%(第5秒鐘過(guò)一點(diǎn)點(diǎn))，逆變器立即從系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率，從而幫助系統(tǒng)電壓穩(wěn)定下來(lái)。顯而易見(jiàn)這樣的應(yīng)對(duì)是得到了更好的效果，否則當(dāng)不啟用電壓支撐功能時(shí)電網(wǎng)電壓是被大幅抬升至120%標(biāo)準(zhǔn)值。

作為這種低壓/高壓支撐功能的一部分，高級(jí)逆變器可以調(diào)整其功率因子。如圖9所示，逆變器根據(jù)其功率輸出來(lái)調(diào)整功率因子，在本例中其功率因子從60%輸出功率時(shí)的1.00變化到了80%輸出時(shí)的0.8。

圖9 逆變器的動(dòng)態(tài)電壓(功率因子)支撐

結(jié)論

以上測(cè)試的結(jié)果表明，如果我們將逆變器的這種高級(jí)功能的要求加入IEEE1547和加州Rule 21中，這將能夠幫助電網(wǎng)更好的運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

有一些IEC標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)以及某些具有高光伏裝機(jī)量的國(guó)家的全國(guó)委員會(huì)，已經(jīng)要求逆變器提供這些高級(jí)功能，以幫助提升公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量。