新一代光伏逆變器效率測試的巨大挑戰(zhàn)和對策

曾經(jīng)是稀缺資源的北京藍(lán)已經(jīng)變成了常態(tài)，昔日萬頃的戈壁灘被太陽能板覆蓋，羊群在其中漫步，悠哉地享受著除草機(jī)的角色！中國人理想中的綠水青山的家園， 在越來越多的地方顯現(xiàn)！

這一切離不開我們光伏行業(yè)工程師這十多年的努力和不斷創(chuàng)新，而且這個(gè)步伐還在不斷加快！

挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)大型光伏發(fā)電站，采用的是集中式逆變器，將成千上萬個(gè)光伏電池，通過一個(gè)大型逆變器（MW級）集中逆變并網(wǎng)，但這種技術(shù)的缺陷也是顯而易見的：當(dāng)有部分光伏電池出現(xiàn)遮擋或問題時(shí)，集中式逆變器系統(tǒng)整體效率會受到影響；而且一旦逆變器意外宕機(jī)，會使當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)產(chǎn)生巨大的供電缺口。

為了克服集中式逆變器存在的問題， 現(xiàn)在行業(yè)中更多流行分布式組串逆變器式結(jié)構(gòu)，將光伏電池分成若干組，通過多個(gè)中小功率的逆變器（15-100KW）匯流后再并入電網(wǎng)。當(dāng)個(gè)別逆變器出現(xiàn)異常，或者局部被遮擋，不會造成集中式類似的供電影響。

同時(shí)，為使光伏發(fā)電項(xiàng)目在招投標(biāo)項(xiàng)目中能夠贏得與煤炭、天然氣等其他能源的競爭，1500V高電壓系統(tǒng)和多MPPT輸入的組串式逆變器方案成了光伏電站的必然選擇。常見光伏逆變器具有4路MPPT、8路MPPT、甚至12路MPPT，甚至有些光伏逆變器的標(biāo)稱MPPT效率已經(jīng)高達(dá)99.99%！

那究竟什么是MPPT，針對如此高功率、高效MPPT效率測試的高精度測試， 究竟有何講究呢？這還得先從光伏電池的輸出特性開始……

01

光伏電池通常是采用硅基材料制作，典型的有單晶硅、多晶硅電池，其等效電路如下：

在光伏電池的I-V曲線上，最重要的三個(gè)點(diǎn)（不包括0， 四個(gè)參數(shù)Isc/Voc/Imax/Vmax）：

按照公式，光伏模擬器只需要知道Isc,Voc,Imax,Vmax，就可以計(jì)算出從0V到Voc所有電壓和電流值，同時(shí)繪制出光伏電池的曲線。

光伏電池的輸出I-V曲線受光照強(qiáng)弱（Isc變化顯著）、溫度高低（Voc變化顯著）變化非常巨大。

因此，為了保證投資效益，光伏發(fā)電系統(tǒng)必須時(shí)刻保持在最大的功率輸出，這就是最大功率追蹤MPPT！

02

MPPT測試就是要驗(yàn)證光伏逆變器是否能夠追蹤和時(shí)刻保持在光伏電池最大的功率點(diǎn)Pmax，下圖為DG9000A軟件中光伏曲線和當(dāng)前逆變器工作點(diǎn)（紅點(diǎn)）和效率。

MPPT測試時(shí)，需要使用模擬光伏特性的電源(通常之為光伏模擬器SAS)，如是德科技的E4360A，N8957APV，PV8922A等 , 并配合模擬器控制和測量軟件完成復(fù)雜的綜合MPPT效率測量。

03

考慮到太陽光照射到光伏電池隨季節(jié)和氣候的變化，甚至一天內(nèi)早、中、晚光照強(qiáng)度和角度變化的影響，必須測試光伏逆變器在各種條件下的MPPT效率。

因此，光伏逆變器行業(yè)協(xié)會將MPPT測試分成靜態(tài)MPPT和動(dòng)態(tài)MPPT，給每種狀態(tài)不同的權(quán)重（系數(shù)），計(jì)算出綜合加權(quán)MPPT效率值。

如下表為CGC定義的各種光照強(qiáng)度對應(yīng)的系數(shù)，負(fù)載點(diǎn) = 1.0 表示最強(qiáng)光照條件下， 對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為0.15(15%)，0.75光照強(qiáng)度的權(quán)重為37%。

對策

01 光伏模擬器（SAS）的方案

2016年是德科技發(fā)布了業(yè)界第一款1500V光伏模擬器N8957APV，解決了當(dāng)時(shí)光伏逆變器從低電壓 (600V / 1000V) 向1500V高電壓演進(jìn)的燃眉之急，受到了光伏業(yè)界的追捧。

但隨著這些年光伏逆變器技術(shù)水平的不斷提升，更高電壓、功率和精度的光伏模擬器迫在眉睫，主要原因有以下兩條：

1）更高精度的要求：

剛才提到目前逆變器效率可以提升到99.9%！這就需要更穩(wěn)定和精確的SAS。但傳統(tǒng)的SAS，例如N8957APV，其輸出和測量電壓精度0.1%*FS，電流精度 0.2%*FS，其測試誤差隨著功率的減小而明顯增大，如1000V，15A，15KW時(shí)精度為0.55%；而功率減小至1.5KW，功率測量誤差已經(jīng)到達(dá)4.15%，明顯無法精確測量99.9% 的轉(zhuǎn)換效率（參考PV8922A與N8957APV精度對比表格）。

2）當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中多MPPT組串式逆變器效率測試方法存在的問題。

還記得上文提到的集中式逆變器存在2個(gè)缺陷嗎？其中之一就是光伏逆變器局部遮陽或損壞時(shí)，逆變器整體效率大大降低。然而，當(dāng)前光伏逆變器測試規(guī)范EN50530以及國內(nèi)等同標(biāo)準(zhǔn)中，如下圖所示，卻是將光伏模擬器的功率平均分配到各MPPT輸入端進(jìn)行效率測試。這種方法不知道究竟測的是集中式逆變器效率還是組串式逆變器的效率？

02 新型光伏模擬器（SAS）：為更為科學(xué)的測試提供了必要的手段

為了應(yīng)對當(dāng)前和未來光伏技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，是德科技在2020年6月再次刷新光伏模擬器性能記錄，推出功能更強(qiáng)的光伏模擬器。功率20KW，電壓等級高達(dá)2000V，電壓精度0.04%， 電流精度0.03%，以及正負(fù)電流雙向無縫切換等，助力新一代光、儲一體化系統(tǒng)。

DG9000A光伏模擬器軟件支持多達(dá)12路獨(dú)立MPPT輸入，以及靈活的光伏模擬和MPPT的連接方式，研發(fā)和測試工程師可以模擬任意的光伏電池矩陣的異?；蛘诒吻闆r。

PV8922A 2000V，30A，20KW

1）下表為PV8922A與目前市場上主流的N8957APV電壓、電流和功率精度指標(biāo)的對比，不難看出，PV8922A在15KW時(shí)，功率輸出和測量誤差僅0.098%，只有N8957APV的20%；在功率1.5KW時(shí)，精度0.218%， 更是只有N8957APV的5%。

2）此外，全新的DG9000A光伏模擬器控制和MPPT測試軟件，支持多達(dá)12路MPPT獨(dú)立控制，并實(shí)時(shí)測量和記錄每一路MPPT效率、逆變器綜合效率和長時(shí)間內(nèi)的MPPT、逆變器效率的變化趨勢，助力光伏逆變器性能的進(jìn)一步提升。

3）下圖為光伏模擬器主從并機(jī)后，再同時(shí)連接到光伏模擬器的MPPT，模擬復(fù)雜光伏曲線。

數(shù)據(jù)采集最小間隔為50mS，工程師可設(shè)定任意的記錄時(shí)間周期，如下為4路MPPT，MPPT1保持不變，MPPT2-4 按照不同斜率變化時(shí)，各MPPT效率和逆變器綜合MPPT效率表。