第１３卷第１期 南京工程学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｍａｌ ｎｆ Ｎａｎｊｉ“ｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｘ￣ｈｔｔｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｔｌｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．１３．Ｎｏ．１ Ｍａｒ．，２０１５ ２０１５年３月 ｄｏｉ：１０．１３９６０／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—２５５８．２０１５．０１．００９ 投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ｘｂ．ｎｊｉｔ．ｅｄｕ．ＣＢ 光伏并网逆变器检测方法分析与检测系统研究 周 宇，李先允 （南京工程学院电力工程学院，江苏南京２１１１６７） 摘要：介绍光伏并网逆变器性能指标的不同检测方法，分析比较几种光伏并网逆变器检测系统的优缺点．参考光 伏并网逆变器的技术要求和性能指标，设计光伏并网逆变器的检测系统．检测系统由计算机控制，通过ＧＰＩＢ和 ＲＳ４８５总线控制各检测单元．可编程式直流电源供应器用于模拟光伏列阵电池所模拟的直流电．可编程式交流电 源供应器用于电网模拟源．实验证明该系统具备光伏逆变器的自动检测能力，结构合理，精度高，可靠性强． 关键词：光伏并网逆变器；检测；系统 中图分类号：ＴＭ６１５：ＴＭ４６４ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｇｒｉｄ．Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ＺＨＯＵ Ｙｕ，ＬＩ Ｘｉａｎ—ｙｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １ １ １６７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ，ａ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｃａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｌ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｕｎｉｔｓ ｖｉａ ＧＰＩＢ ａｎｄ ＲＳ４８５．ＤＣ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｖｉａ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｂａｔｔｅｒｙ ａｒｒａｙ，ｗｈｅｒｅａｓ ＡＣ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ ｒｅｓｕｌｔａｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＰＶ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｉｔｈ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｇｒｉｄ・ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｙｓｔｅｍ 光伏并网逆变器是光伏发电系统必不可少的器件．太阳能电池组件输出的直流电，必须通过光伏逆变 器后才能接人电网或向负载供电．因此，光伏发电系统的可靠运行和电网的安全稳定与光伏并网逆变器的 质量有直接的关系 ． 我国光伏并网逆变器检测的有关国家标准和行业标准主要依据北京鉴衡认证中心发布的ＣＧＣ／ ＧＦ００１－２００９ｌ２ 技术规范，该技术规范对光伏逆变器在性能指标、安全性、电磁兼容等１５项技术指标有了 明确要求．澳大利亚及新西兰政府授权的Ｓｔａｎｄａｒｄ Ａｕｓｔｒａｌｉａ公司制订了关于能源系统中逆变器并网测试 的ＡＳ ４７７７．３＿２００５＿３ 标准和德国ＶＤＥ ０１２６＿４ 标准都给出了光伏并网逆变器防孤岛效应的检测方法和 收稿日期：２０１４—０５—２１：修回日期：２０１４—０６—２３ 作者简介：周宇，硕士研究生，研究方向为光伏并网逆变器检测． Ｅ－ｍａｉｌ：１０６２４７０５８３＠ｑｑ．ｃｏｎｌ 引文格式：周宇，李先允．光伏并网逆变器检测方法分析与检测系统研究［Ｊ］．南京工程学院学报：自然科学版，２０１５，１３（１）：４２—４８ 第１３卷第１期 周宇，等：光伏并网逆变器检测方法分析与检测系统研究 ４３ 设备要求． 本文首先介绍光伏并网逆变器的检测方法，对比和分析已有光伏并网逆变器的检测平台，然后设计一 套具有良好稳定性和可使用性的光伏并网逆变器检测系统． １ 光伏并网逆变器检测方法的分析与比较 光伏并网逆变器每项功能检测在整个平台中所用的设备和实现方式不完全相同，适用于实验室检测 的基本上可分为性能指标检测、转换效率试验、逆变器保护功能试验和防孤岛效应试验． １．１性能指标检测试验 性能指标检测是光伏逆变器检测的主要部 分，是判断光伏逆变器各项性能是否达标的依 电能 模拟 据．性能指标检测平台两端有直流输入和电网模 质量 分析仪 电网 拟器，通过电能直流分析仪检测出光伏逆变器的 各项性能指标．性能检测的方法如图１所示． 图１ 性能指标检测方法 １．２转换效率试验 ＋ — 少 、，’ 电 光伏并网逆变器的转换效率是指规定运行 ｌ 时间内交流侧输出的能量与直流侧输入能量的 ＰＳ ＵＵＴ ◇∈ 比值．光伏并网逆变器的转换效率是最被关注的 Ｊ 指标，它直接关系到收回投资的年限．逆变器最 Ｐｓ一可调直流电源；ｕｕ１．＿待测逆变器；ｗｌ一直流功率表； ｗ２一交流功率表；Ｆ一频率表；ＰＦ一功率因数表 大效率应不低于９４％．转换效率平台如图２ 图２转换效率平台 所示． 当光伏并网逆变器处于待机状态时，会有待机损耗，这种损耗是逆变器转换效率时最主要的能量消 耗．待机损耗通过图２中交流功率表Ｗ２测出． １．３保护功能试验 表１异常电压下的响应时间 光伏并网逆变器的保护功能试验主要有过、欠电压 逆变器交流侧输出电压 最大分闸时间／ｓ （频率）试验，过流及短路保护试验等． Ｖ＜５０％ ０．１ １）过、欠电压（频率）试验．当逆变器交流输出端电压 ５０％ ≤Ｖ＜８５％ ２．０ 超出所规定的电压范围时，逆变器应能检测到异常电压并 ８５％ 称≤Ｖ＜１１０％ 称 继续运行 １１０％ ≤ ＜１３５％ 做出反应，停止向电网供电，同时发出警示信号，对应的动 ２．０ １３５％ ｛ｉ９：≤ 作和（或）动作时间应符合表１规定．当逆变器交流输出端 ０．０５ 电压的频率超出４７—５１．５ Ｈｚ这个频率范围时，逆变器应 注：Ｖ为逆变器交流侧输出有效电压 在０．２ ｓ内停止向电网供电． ２）过流及短路保护试验．光伏逆变器对交流输出应具备过流保护，在１５０％的额定电流内，光伏逆变 ｔ器连续可靠工作时间应不小于１０ ｓ；当逆变器的过电流大于额定电流的１５０％时，应在０．１ ｓ内停止向电 网供电．当光伏逆变器电网侧发生短路时，逆变器向电网输出的短路电流应不大于额定电流的１５０％． １．４防孤岛检测试验 孤岛效应（ｉｓｌａｎｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）是指电网突然失压时，并网光伏发电系统仍保持对电网中的临近部分线路 南京工程学院学报（自然科学版） ２０１５年３月 供电状态的一种效应．孤岛效应具有很大的危害，它不仅使孤岛区域所发生的供电电压与频率不稳定，对 用电设备造成破坏，还危及电力维修人员的生命安全．因此防孤岛效应保护是目前光伏并网逆变器的研究 热点．国际上的ＡＳ ４７７７．３—２００５和ＶＤＥ ０１２６—１—１标准都规定了光伏并网逆变器必须具有防孤岛保护 功能． １．４．１澳大利亚标准 澳大利亚ＡＳ ４７７７．３—２００５标准是国际上应用比较广泛的光伏并网逆变器防孤岛检测保护标准 ｊ． ＲＬＣ并联负载测试原理如图３所示．图３中接入的电网保护装置有ＲＬＣ并联负载和非线性负载两种 负载工况．ＲＬＣ并联负载包含并联阻性、感性和容性负载．阻性负载与逆变器的实际有功功率输出相匹 配，感性负载的选择使其能够从电网吸收１００ Ｖａｒ，容性负载的选择使其能够向电网提供１００ Ｖａｒ．通过调 整Ｌ、Ｃ的参数，使逆变器输出的无功功率能够 近乎完全被本地负载吸收，使测试系统与电网 的无功交换近似为零．此时断开图３中系统与 电网连接的断路器ｓ，即可测试出从Ｓ断开到 ………………… Ｄｅｖｉｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｅｓｔ ； Ｓ 逆变器停止运行的时间作为孤岛检测的动作 时间．测试中 、Ｃ参数的计算公式为 ，ｃ＝ （１） ｓＩｕｎｐｐｕｌｔｙ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ 莘 Ｔ Ｉ／ ‘ａＰｎｏａｗｌｖｅｓｒ 由 ｌ图３ ＲＬＣ并联负载测试原理图 …………——…—。—————。————……一 在某些场合下，电网中会存在一定容量 的非线性负载，所以在选择负载工况时，将 Ｄｅｖｉｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｅｓｔ ： Ｓ 电力电子装置作为其中的非线性负载加以测 试．电路中接入全波整流桥，且并联一个１００ Ｆ的电容和一个５６０ Ｑ电阻，调整直流侧电 压输人，按照上文中的叙述，记录从Ｓ断开到 逆变器停止运行的时间，作为孤岛检测的动 …………………一一 图４ 非线性负载测试原理图 作时间．非线性负载测试原理如图４所示． ＲＬＣ并联型负载和非线性负载这两种负载条件下所记录的全部保护动作时间均在标准范围２ Ｓ之 内，才可以认定该逆变器通过了澳大利亚、新西兰等大洋洲国家关于逆变器孤岛效应保护测试试验，达到 标准． １．４．２德国ＶＤＥ标准 德国ＶＤＥ标准防孤岛测试原理如图５所示．与澳大利亚标准不同的是，它有Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３三个断路器， 且不需要光电子负载电路；在校准本地负载时，不需要接入并网逆变器．ＲＬＣ谐振回路的质量因数不能小 于２，且被谐振回路吸收的有功功率必须是逆变器输出功率的９７％至１０３％，感性电流的非失真系数在 额定电压时必须小于３％ｆ４］． 在对本地负载进行校准时，通过调整ＲＬＣ的参数，观察功率检测仪，使其示数与逆变器的实际输出有 功功率和无功功率在示数上相等，符号相反．理论上ＲＬＣ负载可以完全吸收逆变器逆变输出的有功功率 和无功功率，此时本地负载与逆变器输出达到匹配．断开系统与电网连接的断路器Ｓ３，即可测试出从Ｓ３ 断开到逆变器停止运行的时间，作为孤岛检测的动作时间．测试中Ｌ、Ｃ参数的计算公式为 第１３卷第１期 周宇，等：光伏并网逆变器检测方法分析与检测系统研究 ４５ ，ｃ－ 当测试的断开时间小于２ ｓ，测试就认定为 通过． １．５检测系统的分析与比较 文献［５］所提并网逆变器检测系统原理如 ／ ， Ｎ 电网 Ｊ ｓ１ ＼ ／功率仪 图５ ＶＤＥ标准防孤岛测试原理图 图６所示．该系统操作简单，精度高，可靠性强， 通过ＲＳ４８５和ＧＰＩＢ总线完成各模块间的通讯，实现全数据自动采集和智能分析．该系统的可编程交流线 性电源可以模拟电压波动和闪变、电压骤升和骤降、电压频率变化、电压谐波及三相不平衡等多种电网的 变化，可操控性高．但是该系统没有接人模拟阻抗网络，不适合进行一些需要逆变器端口的电能环境接近 真实电网的测试，例如电压上升抑制测试、交流电压追从测试、运转功率因数测试等． 光伏并网逆变器测试系统软件 ＧＰＩＢｌ ｌＲ￥４８５Ｉ Ｉ Ｉ １ＧＰＩＢ １ｌＧＰＩＢ 总线 总线１ Ｉ Ｊ ｌ总线 Ｊ ｌ总线 ４通道 电能分析仪 波形ｌ ｌ６通道 记录仪ＩＪ电能分析仪 ［ ．， 面丽 厂，ｆ 主控电路 图６ 文献［５］并网逆变器检测系统原理图 图７ 文献［６］并网逆变器检测系统原理图 文献［６］所提并网逆变器检测系统原理如图７所示．该系统结构配置合理、设备可靠、精度高，可用于 光伏并网逆变器电气性能测试、保护功能测试、电磁兼容测试等．多通道的电能质量分析仪可适合直流侧、 交流测不同的电网环境，而整个系统通过ＬａｂＶＩＥＷ软件界面控制，具有良好的易用性、稳定性，保证软件 有良好的运行效率．与文献［５］中提出的系统相比，该系统功能更为完善，自动化程度更高． 文献［７］所提并网逆变器检测平台总体方案如图８所示．该光伏并网逆变器检测平台由天津电科院 搭建，设备配置合理，运行情况良好，今后可以对逆变器的保护功能、防孤岛检测等各项功能做进一步深入 测试研究 ．该测试平台所具备的光伏模拟器、电网模拟器也使平台具有分布式电源接人仿真实验能力． 模拟负载 仿真Ｌ— ｌ待检测ｌ： Ｉ阻抗ｌ Ｉ ｌ阻抗ｌ Ｉ仿真 直流电源Ｊ ：Ｊ变流设备Ｉ： ：ｌ网络Ａ Ｊ：Ｊ网络ＢＩ Ｉ交流电源 三国 ■＝＝＝：卤… 图８ 文献［７］并网逆变器检测系统原理图 图９文献［８］并网逆变器检测系统原理图 文献［８］所提并网逆变器检测平台总体方案如图９所示．该检测平台提出了光伏并网逆变器具体的 测试方法，实现光伏并网逆变器的入网检测，具有功能完善、设备配置合理、操作简单、精准度高等特点．与 南京工程学院学报（自然科学版） ２０１５年３月 前面三种光伏并网逆变器检测平台相比，该系统并网逆变器的保护检测功能更为完善，尤其在低电压穿越 和高电压穿越的功能检测以及方向功率保护检测方面，使光伏逆变器的保护检测更具稳定性，逆变器的质 量能够得到保证． ２并网逆变器检测系统的设计 ２．１结构设计 本文设计的光伏并网逆变器自动检测系统 包括检测模块、数据采集模块以及控制模块．系 统原理如图１０所示． 检测模块包括：１）可编程式直流电源供应 可编ｌ—— 程式Ｉ ｌ ｊ网 Ｉ 器，用于模拟光伏列阵电池所模拟的直流电，提 直流Ｈ电源 待测Ｊ逆变 器ｌ Ｌ 电源Ｉ Ｉ控制 Ｋ１ ＿１器 器Ｉ供待测物的输入电源；２）电源控制器，用来控 供应ｒ制输人的直流电源；３）可编程式交流电源供应 器，用于电网模拟源，根据不同电网要求提供各 种交流电网特性；４）过电压保护及短路测试 器，用于模拟逆变器过电压及短路情况；５）可 调式交流电子负载，用于对光伏逆变器的孤岛效应的检测． 图ｌ０ 光伏并网系统原理图 数据采集模块包括：１）功率分析仪，用于测量逆变器输人端各种电气特性参数，如电流、电压、功 率、频率，配合输出端还可测得整机的效率；２）电能质量分析，用于测量逆变器输出端电能质量；３）数 位式存储示波器及万用表，用于检测和显示逆变器输入输出端的电压电流及波形，并记录和存储． 控制模块由控制电脑、接口总线ＧＰＩＢ组成，通过命令控制各控制单元．ＲＳ４８５总线系统用来控制ＲＬＣ 可调负载，用于模拟孤岛效应的环境． ２．２性能指标 性能指标检测作为本光伏逆变器检测系统的主要部分，其检测结果需符合国家相关标准 Ｊ．１）额定 输出电压、电流．对于并网逆变器，根据ＧＢ／Ｔ １９９３９－－２００５（光伏系统并网技术要求》，其三相电压的允许 偏差为额定电压的±７％，单相电压的允许偏差为额定电压的＋７％、一１０％．额定输出电流表示在规定 的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流．有些逆变器给出的是额定输出容量．逆变器的额定容量是 当输出功率因数为ｌ（即纯阻性负载）时，额定输出电压与额定输出电流的乘积．２）输出电压稳定度．高性 能的逆变器应同时给出当负载在０％～１００％变化时，该逆变器输出电压的偏差百分数，通常称为负载调 整率．性能良好的逆变器的电压调整率在４－３％内，负载调整率在±６％内．３）谐波和波形畸变．光伏发电 系统的输出应有较低的电流畸变，以避免对连接到电网的其他设备造成不利影响．并网逆变器总谐波电流 应小于逆变器额定输出的５％．４）电压不平衡度．光伏发电系统并网运行（仅对三相输出）时，电网接口 处的三相电压不平衡度不应超过规定的数值２％，短时不得超过４％．５）直流分量．光伏发电系统并网运 行时，逆变器向电网馈送的直流电流分量不应超过其交流额定值的０．５％，对于不经变压器直接接人电网 的光伏逆变器，因逆变器效率等特殊因素可放宽至１％． ２．３防孤岛检测具体测试步骤 当孤岛效应发生时，光伏供电系统须在２ ｓ内停止向电网供电．系统防孤岛检测原理如图１１所示，其