测试下一代太阳能逆变器

作者：KEN CHRISTENSEN，全球产品经理，电力和能源Keysight Technologies

并网分布式发电是全球公用事业电力生产组合中越来越重要的组成部分。随着越来越多的可再生能源生产系统和并网存储设备的安装和发电能力的实现，它们的贡献已被证明是一种可行的电力来源，有助于电网稳定。为了使这一趋势持续下去并与传统发电资源竞争，分布式发电机必须继续提高其效率和可靠性，以便为电力生产商提供最低的能源平准化成本 (LCOE)。

DER 测试手套并网发电机，例如风能和太阳能逆变器，以及双向并网存储被认为是分布式能源 (DER)，有时也称为分布式发电机 (DG)。测试和认证 DER 的时间和资源挑战是 DER 供应商日益增加的负担。最先进的实验室能够测试各种环境条件、电网电气特性和系统组件。这种复杂的可变参数集不可能在现实世界中及时进行测试。例如，在早晨启动条件下测试太阳能逆变器的性能，每天只能进行一次，使用一组天气条件和一种太阳能电池组件。如果条件不正确或测试设置有问题，测试必须等待更好的一天。受控实验室测试是应对 DER 供应商日益增长的上市时间压力的唯一合理方法。

任何并网发电机都需要进行大量测试。这些测试可分为四个领域（括号中为北美太阳能逆变器的每个领域的示例）：

产品设计验证

安全/电气规范/政府法规（NFPA70/NEC、FCC）

行业标准（IEEE 1547/UL1741、CEC 逆变器效率）

电网连接要求（CAISO 规则 21、ERCOT、WECC）

此外，分布式发电机的供应商被要求对发电机在各种运行条件下的性能进行完整的表征，当设备在项目生命周期（通常超过 20 年）内运行时，可以体验到这些运行条件。在所有这些操作条件下，工程师都需要测量电能质量、谐波、能量产生和电源转换效率。 

太阳能逆变器：DER 测试示例太阳能逆变器是 DER 的绝佳示例。对前面列出的所有领域进行测试通常会占用开发太阳能逆变器所需时间的 30% 到 40%。太阳能逆变器必须在最恶劣的环境条件下可靠地发电——从一月份在加拿大北部屋顶吹雪到八月份在美国西南部沙漠吹沙。逆变器必须能够检测异常电压和频率条件，并根据电网运营商的判断“穿越”或断开连接。

太阳能发电站财务可行性的最重要方面之一是太阳能逆变器如何最大限度地提高从直流到交流电的转换效率。在发电机的整个生命周期内，能源产量增加的百分之几可能导致公用事业规模项目的能源增加数百或数千美元，甚至数百万美元。由于当今能源经济的利润微薄，这些财务收益通常会影响项目的可行性。

太阳能逆变器的整体转换效率主要由两个关键部分决定：最大功率点跟踪 (MPPT) 效率和直流到交流电源转换效率。太阳能电池板产生的功率取决于其运行位置及其特征电流 - 电压 (IV) 曲线上的位置（图 1）。面板产生的电流随着辐照的增加而增加。电压随温度升高而降低。一整天，温度和辐照度都在不断变化。准确有效地跟踪最大功率点 (MPP) 是逆变器中嵌入的控制固件的工作。在某种程度上，这些控制算法是每个逆变器的“秘密武器”。

图 1：太阳能电池板的典型 IV 和功率曲线示例显示了最大功率点跟踪在不同辐照度情况下必须如何变化。

为了测试逆变器跟踪太阳能阵列最大功率点的能力，测试工程师可以使用光伏 (PV) 阵列模拟器来模拟其目标阵列技术的行为。PV 阵列模拟器产生与特定太阳能电池板的功率生产特性相匹配的功率曲线，因为每个太阳能电池板模型都有其独特的 IV 曲线，具体取决于其技术（薄膜、多晶硅等）和太阳能电池设计特性. （想象一下在没有光伏阵列模拟器的情况下尝试测试每个可能的太阳能电池板/逆变器组合的复杂性和成本！）

先进的光伏阵列模拟器还可以根据 EN50530（测量 MPPT 性能的行业标准）自动执行测试和报告。EN50530 协议在静态和动态模式下运行逆变器的 MPP 跟踪器，以持续测量逆变器的 MPPT 效率，这个过程需要近七个小时才能完全完成！当然，EN50530 协议的自动化和标准中规定的报告的自动生成可以提高测试工程师的效率。

直流到交流电源转换测试通常遵循桑迪亚逆变器测试协议和/或 IEC 61683，该国际标准规定了测量功率调节器效率的程序。这些是需要环境测试室和精密测量仪器的复杂程序。与所有测量一样，测试仪器必须具有比您想要进行的测量更好的精度。大多数现代太阳能逆变器的峰值转换效率都在 98% 以上，工程师们正试图在他们的设计中看到 0.1% 的转换效率提升。因此，需要使用精度至少为 0.05% 的功率分析仪来测量直流输入和交流输出。

为了增加所有这些测试的复杂性，太阳能逆变器技术也在不断变化。为了降低组件成本、安装成本和 I 2 T 损耗，太阳能阵列的直流电压不断增加。包括太阳能电池板和逆变器在内的下一代太阳能发电机的运行电压为 1,500 Vdc。因此，测试实验室必须升级他们的功率分析仪、光伏阵列模拟器和电源，以便在这种更高的直流电压下运行。

Keysight Technologies 测试解决方案示例能够测试下一代 1,500-Vdc 逆变器以及当前的 600-和 1,000-Vdc 逆变器，包括 Keysight N8937APV PV 阵列模拟器和连接到 12-Vdc 的 Keysight IntegraVision PA2203A 功率分析仪kVA，三相太阳能逆变器（图2）。借助此解决方案，工程师可以模拟真实环境条件并评估其对逆变器各个方面的影响，如http://bit.ly/29hFpji上的视频所示。该逆变器测试解决方案与交流电网模拟器相结合，使工程师能够测试电能质量问题、发电机电能质量和效率。 

图 2：在本测试示例中，使用 N8900APV 光伏阵列模拟器（所示为 60 kW 配置）和 PA2203A IntegraVision 功率分析仪对 12 kVA 三相逆变器进行测试。

测试分布式能源发电机的挑战可能令人生畏。除了风能和太阳能逆变器之外，并网电池存储、电动汽车和电动汽车充电器最近也被添加到 DER 列表中。随着分布式能源和微电网在电网上的普及，电网运营商所需的资格测试无疑会增加。电网运营商的主要职责之一是为其成员提供清洁、可靠的电力。如果在将产品连接到电网之前没有进行适当的测试，电网就会变得不那么可靠。寻找测试和测量领导者与这些设备的供应商合作，以站在发电行业这场革命的前沿。

审核编辑 黄昊宇