新能源發(fā)電的核心-逆變器的性能診斷

一、   2020年新能源發(fā)電的發(fā)展

新能源主要包含風能、太陽能、生物質(zhì)能、核能等。近年，在傳統(tǒng)能源供應日趨緊張，環(huán)境保護壓力加大的背景下，新能源成為我國重要的能源戰(zhàn)略。十三五期間國家依舊“主打”低碳綠色，從產(chǎn)業(yè)角度來看，光伏、風電與核電等清潔發(fā)電產(chǎn)業(yè)將獲得利好。

圖 1  2008-2018年全球光伏歷史新增裝機變化

二、核心設備逆變器的測試難點

光伏風電作為新能源發(fā)電中兩種主要形式，作為發(fā)電的核心設備，逆變器的功率與轉(zhuǎn)換效率的提升就成為設計與生產(chǎn)的重點。這里我們針對光伏風電發(fā)電，來跟大家分享下測試的難點到底在哪里呢？

難點1：功率、效率測試

光伏風電通過逆變器轉(zhuǎn)換時容易使波形信號容易發(fā)生畸變。這些畸變的波形都是非正弦信號，如含有豐富的高頻諧波分量。如果沒有高采樣率與高帶寬，則無法對高頻成分進行準確測量，因此其測量值與真實值存在巨大差距。

難點2：光伏與風電行業(yè)低電壓穿越（LVRT）測試

低電壓穿越規(guī)定，當電網(wǎng)電壓跌落一段時間內(nèi)，并網(wǎng)裝置如太陽能逆變器或風力發(fā)電仍需維持輸出，直到電網(wǎng)電力恢復正常。測試時要將這個過程波形全部保持記錄，需要在保證采樣率的情況下長時間記錄，再針對數(shù)據(jù)進行分析。

難點3：諧波測試標準

電源系統(tǒng)及并網(wǎng)設備的諧波、間諧波測量方法和測量儀器技術(shù)標準，是國際電能質(zhì)量測量標準中能準確測量電網(wǎng)諧波的標準，由于光伏風電產(chǎn)生的電能一般會含有大量的諧波，所以需要通過諧波測試標準才能準入并網(wǎng)。

圖 2  光伏風電行業(yè)發(fā)電的測試圖

三、解決方案：

1.   功率、效率測試

如圖3所示我們可以看到光伏發(fā)電測試的重點就在于光伏逆變器的功率與效率值，PA8000功率分析儀采用全新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，擁有突破性0.01%功率測量精度，可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)換效率的準確測量。

同時，PA功率分析儀支持7通道電壓電流同時測試，一臺儀器可同時在多個點同時執(zhí)行功率測量，可以為光伏逆變器、風力換流器的效率測試提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖 3  光伏發(fā)電測試原理圖

2.       光伏與風電行業(yè)低電壓穿越（LVRT）測試

光伏行業(yè)的低電壓穿越過程如下：

圖 4  光伏行業(yè)的低電壓穿越測試原理圖

根據(jù)GB/T 19964-2012的要求光伏行業(yè)低電壓穿越測試需要滿足以下要求：

（1） 并網(wǎng)點電壓跌至0時，若能在150ms內(nèi)恢復到20%額定電壓，逆變器要保證在這150ms內(nèi)不脫網(wǎng)。

（2） 并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后的0.625s內(nèi)若能從20%額定電壓開始恢復，逆變器要保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms。

（3） 并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后的2s內(nèi)若能夠恢復到額定電壓的90%時，逆變器能夠保證不脫網(wǎng)繼續(xù)運行。

風電行業(yè)的低電壓穿越過程如下：

圖 5  風電行業(yè)的低電壓穿越測試原理圖

根據(jù)GB/T 19963-2011的要求風電換流器低電壓穿越測試需要滿足以下要求：

（1） 風力發(fā)電機組輸出端電壓跌落至20%額定電壓時，風力發(fā)電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms。

（2） 風力發(fā)電機組輸出端電壓在發(fā)生跌落后 2s 內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90％時，風力發(fā)電機組應能保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

如圖6所示，致遠電子針對光伏和風電行業(yè)在軟件上都加了專門的測試功能，不僅可以解決光伏行業(yè)的低電壓穿越測試問題，更是特意加入了風電行業(yè)的低電壓穿越測試功能，可以幫助風電行業(yè)用戶自主的對風電換流器進行低電壓穿越測試。

圖 6  PAM管理軟件低電壓穿越數(shù)據(jù)分析

3.   諧波測試標準

IEC61000-4-7諧波測試標準

IEC61000-4-7是電源系統(tǒng)及并網(wǎng)設備的諧波、間諧波測量方法和測量儀器技術(shù)標準，是國際電能質(zhì)量測量標準中能準確測量電網(wǎng)諧波的標準。可以根據(jù)標準中的諧波限值標準分析測量對象的諧波含量是否超標。

IEC諧波測量標準的頻譜分析間隔為5Hz，諧波的幅值由諧波子組的均方根決定，對諧波含量的要求相比于普通諧波測試的舊標準嚴格了很多，也更符合現(xiàn)實電網(wǎng)中的諧波含量分布情況。配合IEC61000-4-7中諧波含量的限值標準分析，能提供更具說服力的諧波分析結(jié)果。以IEC諧波測試標準的第7次諧波子組為例：

圖 7  IEC61000-4-7諧波測試標準

VDE-AR-N4105德標諧波測試標準

VDE-AR-N4105是德國新頒布的低壓電源并網(wǎng)運行管理規(guī)定，其檢測難點在于測量設備必須提供高達178次諧波的測量結(jié)果來進行諧波分析。因為VED-AR-N4105低壓并網(wǎng)標準要求諧波測量范圍覆蓋整個低頻域（約9KHz內(nèi)），所以測試次數(shù)為8900/50=178(50Hz為第0次諧波)。

PA6000H系列功率分析儀可同時支持IEC與N4105德標諧波測試標準，最大可支持500次諧波測量，可以真實呈現(xiàn)出各次諧波成分和諧波失真因素（THD）。

圖 8VDE-AR-N4105標準

4.   閃變阻抗角測試

常規(guī)逆變器并網(wǎng)閃變測試需要RLC 負載，但是對于大型逆變器，使用RLC 負載已經(jīng)不現(xiàn)實，所以IEC61400-21標準給出了在模擬電網(wǎng)情況下進行閃變阻抗角測試的方法。PA 功率分析儀搭配PAM 上位機軟件可快速測算出不同閃變角下的短閃變值與閃變系數(shù)。此外我們還針對性的優(yōu)化了鎖相算法，很好的解決了階躍抖動，實現(xiàn)了更好的精度。