太阳能电池阵列模拟器对逆变器进行测试

以几乎任何标准衡量，太阳能都很热。根据太阳能产业协会 （SEIA） 的数据，2016 年装机容量超过 15 吉瓦，虽然预计 2017 年装机量将放缓，但很明显趋势是未来五年太阳能装机容量增加。SEIA 预测，到 2022 年，每年将安装超过 17 吉瓦的太阳能。

推动太阳能系统销售的因素之一是光伏 （PV） 阵列的降价。2016年，光伏阵列价格首次跌破1美元/W。另一个因素是改进的逆变器设计，更好的设计的一个重要贡献者是更好的测试设备来测试它们。包括 AMETEK Programmable Power、Chroma Systems Solutions 和 Keysight Technologies 在内的几家公司都生产太阳能电池阵列模拟器。

在 MPP 进行测试 为了从太阳能电池板或阵列提供最大功率，独立逆变器和并网逆变器会在给定条件下找到最大功率点 （MPP）。他们改变太阳能电池板或阵列上的负载，直到它在电池板或阵列的 IV 曲线上找到将提供最大功率的点。然后逆变器将这种直流电转换为交流电，然后在本地使用或馈入电网。图 1 显示了典型太阳能电池阵列的 IV 曲线以及沿曲线各点的可用功率。

图 1：该图上的蓝线显示了典型太阳能电池的 IV 曲线。红线显示了曲线沿线各点的可用功率。

为了有效地测试光伏逆变器的效率，您需要一个太阳能阵列模拟器来准确模拟太阳能电池板或阵列的输出。使用实际的太阳能电池板或阵列是不切实际的，因为您无法将它们的输出控制到模拟所有条件所需的程度。

为了模拟太阳能电池板或阵列，逆变器设计人员和制造商使用现代数字控制电源。当与控制软件结合使用时，这些系统可以模拟高达 1 MW 的太阳能电池板阵列。

准确模拟太阳能电池阵列来测试逆变器可能是一个相当大的挑战。如前所述，逆变器不断改变其输入阻抗，寻找 MPP。模拟器必须像太阳能电池阵列那样响应这些负载变化。模拟器不仅必须保持其功率输出，还必须跟踪它正在模拟的太阳能电池板或阵列的 IV 曲线。

更复杂的是，许多太阳能逆变器在其连接到光伏阵列的直流输入上产生交流纹波。对于单相逆变器，纹波频率是线路频率的两倍（美国型号为 120 Hz）。通常，您需要电源来抑制这种纹波，但太阳能电池阵列模拟器的电源一定不能抑制它。这是因为越来越多的逆变器（以及几乎所有的微型逆变器）可以准确测量纹波电压和电流的幅度和相位，以快速确定阵列的 MPP。这种方法让逆变器比使用传统抖动技术（有时称为“扰动和观察”）的转换器更快地找到 MPP。在辐照度不断变化的多云条件下，更快的 MPP 跟踪可提高效率。

现代太阳能电池阵列模拟器的另一个要求是灵活性。每个太阳能电池板都有自己的特点。太阳能阵列模拟器必须是可编程的，让他们确定逆变器设计将如何与所有这些不同类型的太阳能阵列一起工作。

最后，太阳能电池阵列模拟器需要测量和记录逆变器的交流输出，并将该数据与直流电源输入相关联。这会关闭测试循环，让您看到逆变器设计的效率。完整系统的框图如图2所示。

图 2：能够在离网模式下测试光伏逆变器的系统由模拟光伏阵列的直流电源、功率计、交流负载和控制测试系统的计算机组成。您可能还需要数字示波器 （DSO） 来监控逆变器的输出波形。

保持在曲线上 为了进行准确的测试，太阳能电池阵列模拟器的输出必须忠实地遵循太阳能电池阵列或太阳能电池板的 IV 曲线。也就是说，它必须像太阳能电池阵列一样响应被测逆变器施加的不断变化的负载条件。要评估仿真器的性能如何，您需要考虑三个参数：MPP 跟踪精度、输出噪声电流以及输出电压和电流之间的相位误差。

MPP 跟踪精度是衡量模拟器在动态条件下偏离编程 IV 曲线的程度。跟踪不佳的模拟器无法准确模拟光伏阵列。

过大的输出噪声电流和相位误差将使逆变器很难找到 MPP，如果不是不可能的话。在现实世界中，太阳能电池板或阵列的输出电压和输出电流之间的相位差基本上为零，即使逆变器使用快速改变负载的 MPP 跟踪策略也是如此。当存在明显的相位误差时，逆变器可能会锁定在不是 MPP 的曲线位置。

软件注意事项

除了电气规格外，太阳能电池阵列模拟器还需要易于使用且能够提供所需测试数据的软件。这包括：

更新速度快。每秒 20 次的更新速率允许您实时监控逆变器的行为（工作点和扫描幅度）。

易于编程。在开发环境中，需要快速更改测试曲线或开发自定义 IV 曲线。用户应该能够简单地输入参数数据或从其他来源导入数据。

PV曲线/辐照度曲线库。拥有太阳能电池板曲线库意味着您不必生成自己的 IV 曲线，并且您可以轻松测试逆变器设计如何与各种太阳能电池板一起工作。拥有一组辐照度配置文件可以让用户模拟几乎任何类型的环境条件。

阵列建模。模拟器软件应该模拟太阳能电池板阵列以及单个电池板。您应该能够构建该数组，然后让模拟器输出反映整个数组的输出。为了使这个模拟更加真实，您应该能够模拟阴影、老化和故障模块的影响。

获得可靠逆变器测试结果的唯一方法是使用光伏阵列模拟器，该模拟器将复制太阳能电池板或阵列的输出。模拟器不仅必须能够提供大量的输出功率，而且必须足够灵活，能够快速响应负载阻抗的变化并保持在 IV 曲线上。可以做到这一点的模拟器将保持在曲线上并产生最佳测试结果。

审核编辑：郭婷