測試下一代太陽(yáng)能逆變器

作者：KEN CHRISTENSEN，全球產(chǎn)品經(jīng)理，電力和能源Keysight Technologies

并網(wǎng)分布式發(fā)電是全球公用事業(yè)電力生產(chǎn)組合中越來(lái)越重要的組成部分。隨著(zhù)越來(lái)越多的可再生能源生產(chǎn)系統和并網(wǎng)存儲設備的安裝和發(fā)電能力的實(shí)現，它們的貢獻已被證明是一種可行的電力來(lái)源，有助于電網(wǎng)穩定。為了使這一趨勢持續下去并與傳統發(fā)電資源競爭，分布式發(fā)電機必須繼續提高其效率和可靠性，以便為電力生產(chǎn)商提供最低的能源平準化成本 (LCOE)。

DER 測試手套并網(wǎng)發(fā)電機，例如風(fēng)能和太陽(yáng)能逆變器，以及雙向并網(wǎng)存儲被認為是分布式能源 (DER)，有時(shí)也稱(chēng)為分布式發(fā)電機 (DG)。測試和認證 DER 的時(shí)間和資源挑戰是 DER 供應商日益增加的負擔。最先進(jìn)的實(shí)驗室能夠測試各種環(huán)境條件、電網(wǎng)電氣特性和系統組件。這種復雜的可變參數集不可能在現實(shí)世界中及時(shí)進(jìn)行測試。例如，在早晨啟動(dòng)條件下測試太陽(yáng)能逆變器的性能，每天只能進(jìn)行一次，使用一組天氣條件和一種太陽(yáng)能電池組件。如果條件不正確或測試設置有問(wèn)題，測試必須等待更好的一天。受控實(shí)驗室測試是應對 DER 供應商日益增長(cháng)的上市時(shí)間壓力的唯一合理方法。

任何并網(wǎng)發(fā)電機都需要進(jìn)行大量測試。這些測試可分為四個(gè)領(lǐng)域（括號中為北美太陽(yáng)能逆變器的每個(gè)領(lǐng)域的示例）：

產(chǎn)品設計驗證

安全/電氣規范/政府法規（NFPA70/NEC、FCC）

行業(yè)標準（IEEE 1547/UL1741、CEC 逆變器效率）

電網(wǎng)連接要求（CAISO 規則 21、ERCOT、WECC）

此外，分布式發(fā)電機的供應商被要求對發(fā)電機在各種運行條件下的性能進(jìn)行完整的表征，當設備在項目生命周期（通常超過(guò) 20 年）內運行時(shí)，可以體驗到這些運行條件。在所有這些操作條件下，工程師都需要測量電能質(zhì)量、諧波、能量產(chǎn)生和電源轉換效率。?

太陽(yáng)能逆變器：DER 測試示例太陽(yáng)能逆變器是 DER 的絕佳示例。對前面列出的所有領(lǐng)域進(jìn)行測試通常會(huì )占用開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能逆變器所需時(shí)間的 30% 到 40%。太陽(yáng)能逆變器必須在最?lèi)毫拥沫h(huán)境條件下可靠地發(fā)電——從一月份在加拿大北部屋頂吹雪到八月份在美國西南部沙漠吹沙。逆變器必須能夠檢測異常電壓和頻率條件，并根據電網(wǎng)運營(yíng)商的判斷“穿越”或斷開(kāi)連接。

太陽(yáng)能發(fā)電站財務(wù)可行性的最重要方面之一是太陽(yáng)能逆變器如何最大限度地提高從直流到交流電的轉換效率。在發(fā)電機的整個(gè)生命周期內，能源產(chǎn)量增加的百分之幾可能導致公用事業(yè)規模項目的能源增加數百或數千美元，甚至數百萬(wàn)美元。由于當今能源經(jīng)濟的利潤微薄，這些財務(wù)收益通常會(huì )影響項目的可行性。

太陽(yáng)能逆變器的整體轉換效率主要由兩個(gè)關(guān)鍵部分決定：最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 效率和直流到交流電源轉換效率。太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的功率取決于其運行位置及其特征電流 - 電壓 (IV) 曲線(xiàn)上的位置（圖 1）。面板產(chǎn)生的電流隨著(zhù)輻照的增加而增加。電壓隨溫度升高而降低。一整天，溫度和輻照度都在不斷變化。準確有效地跟蹤最大功率點(diǎn) (MPP) 是逆變器中嵌入的控制固件的工作。在某種程度上，這些控制算法是每個(gè)逆變器的“秘密武器”。

圖 1：太陽(yáng)能電池板的典型 IV 和功率曲線(xiàn)示例顯示了最大功率點(diǎn)跟蹤在不同輻照度情況下必須如何變化。

為了測試逆變器跟蹤太陽(yáng)能陣列最大功率點(diǎn)的能力，測試工程師可以使用光伏 (PV) 陣列模擬器來(lái)模擬其目標陣列技術(shù)的行為。PV 陣列模擬器產(chǎn)生與特定太陽(yáng)能電池板的功率生產(chǎn)特性相匹配的功率曲線(xiàn)，因為每個(gè)太陽(yáng)能電池板模型都有其獨特的 IV 曲線(xiàn)，具體取決于其技術(shù)（薄膜、多晶硅等）和太陽(yáng)能電池設計特性. （想象一下在沒(méi)有光伏陣列模擬器的情況下嘗試測試每個(gè)可能的太陽(yáng)能電池板/逆變器組合的復雜性和成本?。?/p>

先進(jìn)的光伏陣列模擬器還可以根據 EN50530（測量 MPPT 性能的行業(yè)標準）自動(dòng)執行測試和報告。EN50530 協(xié)議在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模式下運行逆變器的 MPP 跟蹤器，以持續測量逆變器的 MPPT 效率，這個(gè)過(guò)程需要近七個(gè)小時(shí)才能完全完成！當然，EN50530 協(xié)議的自動(dòng)化和標準中規定的報告的自動(dòng)生成可以提高測試工程師的效率。

直流到交流電源轉換測試通常遵循桑迪亞逆變器測試協(xié)議和/或 IEC 61683，該國際標準規定了測量功率調節器效率的程序。這些是需要環(huán)境測試室和精密測量?jì)x器的復雜程序。與所有測量一樣，測試儀器必須具有比您想要進(jìn)行的測量更好的精度。大多數現代太陽(yáng)能逆變器的峰值轉換效率都在 98% 以上，工程師們正試圖在他們的設計中看到 0.1% 的轉換效率提升。因此，需要使用精度至少為 0.05% 的功率分析儀來(lái)測量直流輸入和交流輸出。

為了增加所有這些測試的復雜性，太陽(yáng)能逆變器技術(shù)也在不斷變化。為了降低組件成本、安裝成本和 I 2 T 損耗，太陽(yáng)能陣列的直流電壓不斷增加。包括太陽(yáng)能電池板和逆變器在內的下一代太陽(yáng)能發(fā)電機的運行電壓為 1,500 Vdc。因此，測試實(shí)驗室必須升級他們的功率分析儀、光伏陣列模擬器和電源，以便在這種更高的直流電壓下運行。

Keysight Technologies 測試解決方案示例能夠測試下一代 1,500-Vdc 逆變器以及當前的 600-和 1,000-Vdc 逆變器，包括 Keysight N8937APV PV 陣列模擬器和連接到 12-Vdc 的 Keysight IntegraVision PA2203A 功率分析儀kVA，三相太陽(yáng)能逆變器（圖2）。借助此解決方案，工程師可以模擬真實(shí)環(huán)境條件并評估其對逆變器各個(gè)方面的影響，如http://bit.ly/29hFpji上的視頻所示。該逆變器測試解決方案與交流電網(wǎng)模擬器相結合，使工程師能夠測試電能質(zhì)量問(wèn)題、發(fā)電機電能質(zhì)量和效率。?

圖 2：在本測試示例中，使用 N8900APV 光伏陣列模擬器（所示為 60 kW 配置）和 PA2203A IntegraVision 功率分析儀對 12 kVA 三相逆變器進(jìn)行測試。

測試分布式能源發(fā)電機的挑戰可能令人生畏。除了風(fēng)能和太陽(yáng)能逆變器之外，并網(wǎng)電池存儲、電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)充電器最近也被添加到 DER 列表中。隨著(zhù)分布式能源和微電網(wǎng)在電網(wǎng)上的普及，電網(wǎng)運營(yíng)商所需的資格測試無(wú)疑會(huì )增加。電網(wǎng)運營(yíng)商的主要職責之一是為其成員提供清潔、可靠的電力。如果在將產(chǎn)品連接到電網(wǎng)之前沒(méi)有進(jìn)行適當的測試，電網(wǎng)就會(huì )變得不那么可靠。尋找測試和測量領(lǐng)導者與這些設備的供應商合作，以站在發(fā)電行業(yè)這場(chǎng)革命的前沿。

審核編輯 黃昊宇