開(kāi)關(guān)電源廠(chǎng)家簡(jiǎn)說(shuō)逆變器對于提升電網(wǎng)品質(zhì)的幫助
在最近的十余年里，太陽(yáng)能光伏逆變技術(shù)得到了長(cháng)足的發(fā)展。與此同時(shí)，人們普遍開(kāi)始擔憂(yōu)隨著(zhù)光伏逆變器的占比越來(lái)越高，整個(gè)電力供應系統的穩定性會(huì )受到極大影響。但最近的研究顯示，例如在歐洲，那些采用了高級功能的逆變器的電力系統的品質(zhì)事實(shí)上反而得到了提高。美國當前已有的光伏標準如IEEE1547和加州Rule 21都是針對低占比的情況，而現在隨著(zhù)光伏的占比越來(lái)越高，對于逆變器而言，支持電網(wǎng)接受高占比的高級功能的需求已經(jīng)顯著(zhù)地增加。而這些高級功能在原有的標準中并無(wú)體現，例如無(wú)功電壓控制、電壓穿越能力、頻率穿越能力、有功頻率控制、緩變率控制以及通訊等。
本文首先討論了一兩年前做的一系列測試，揭示了“傳統”逆變器的典型表現，包括他們對電網(wǎng)的失真的貢獻、防孤島問(wèn)題以及潛在的更嚴重的干擾。其次我們給出使用一臺已經(jīng)在商業(yè)化生產(chǎn)的標準型號光伏逆變器的測試結果，該逆變器是按照最近的德國電網(wǎng)規則設計的,所采用的高級功能是當前美國的規則所沒(méi)有要求的。我們測試了該逆變器在一系列典型的電壓和頻率波動(dòng)情況下的表現，以評估其在電網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)性能。相當一部分的標準規范和技術(shù)報告（如IEC61000-3-15，CEI 0-21等）都提到光伏逆變器可能用于提升電力品質(zhì)，而本文展現的這些測試結果指出光伏逆變器的確可以提升電力品質(zhì)和電網(wǎng)穩定性。
測試方案
首先我們針對傳統逆變器進(jìn)行測試，以證實(shí)這些逆變器能夠遵照美國以及其他國際規范安全運行。測試方案如圖1所示。電網(wǎng)模擬器用于處理雙向的能量流動(dòng)，就像真實(shí)的電網(wǎng)。逆變器接受來(lái)自于光伏模擬器的直流能量注入。電子負載產(chǎn)生線(xiàn)性和非線(xiàn)性的電流負載，有效地模擬各種典型的家用負載的行為，例如電腦、廚房電器、電視、空調等設備。功率分析儀用于分析負載、逆變器以及電網(wǎng)之間的電流流動(dòng)。
如果逆變器能夠被“許可”進(jìn)行補償，它就能減少注入公共電網(wǎng)的電流失真。新型的逆變器已經(jīng)具備了該功能。
再來(lái)看傳統逆變器的另一個(gè)不良應對，出于對早期防孤島要求而采取的對電壓跌落和短時(shí)擾動(dòng)的響應。早期標準要求逆變器在電網(wǎng)電壓超出限值(一般為標準值的±10%)后的160毫秒內應當切斷連接。圖5展示了逆變器對于短時(shí)電壓跌落的響應。該逆變器在10毫秒內斷開(kāi)連接并且維持在離線(xiàn)狀態(tài)，有時(shí)離線(xiàn)狀態(tài)會(huì )持續好幾分鐘。而這樣的響應方式會(huì )進(jìn)一步加劇電網(wǎng)的電壓跌落問(wèn)題。所以這就要求逆變器能夠具有一定的低電壓穿越能力。
高級光伏逆變器能力
為了評估高級光伏逆變器對于電網(wǎng)的影響，南加州愛(ài)迪生(SCE)購買(mǎi)了若干個(gè)遵照德國電網(wǎng)規則設計的家用及商用逆變器。這些逆變器具有那些美國規則所不要求的高級功能。以下內容介紹這些逆變器在SCE DER實(shí)驗室的部分測試項目。
新的逆變器設計允許電壓穿越能力，例如在40%至100%范圍內可調的低電壓穿越。當系統電壓高于下限時(shí)，逆變器維持功率輸出，不從電網(wǎng)中切開(kāi)。當系統電壓跌至下限以下時(shí)，逆變器停止功率輸出，但仍然在一段可調的時(shí)間內(在SCE的測試時(shí)最短為0.04秒，最長(cháng)為10秒)維持與電網(wǎng)的連接，在電壓恢復至高于下限一定程度(余量)之后再輸出功率。
圖6展示了該功能。電壓(藍色線(xiàn))跌至標準值的47%，使得逆變器(綠色線(xiàn))停止輸出功率，但是當電壓回復至47%加上3%余量后，逆變器立即恢復提升其功率(第8秒前的時(shí)刻)。當公共電網(wǎng)電壓在第17秒超過(guò)標準值時(shí)，逆變器相應縮減其功率輸出，直到電壓穩定在標準值后（第27秒）逆變器恢復滿(mǎn)功率輸出。
對照傳統的響應方式--逆變器在電網(wǎng)電壓跌落至90%以下后就直接切斷連接并維持離線(xiàn)狀態(tài)若干分鐘，很明顯現在的這種方式是一種更佳的應對策略。
圖7的測試結果表明，光伏逆變器能夠顯著(zhù)地提升“不良電網(wǎng)”的電壓穩定性。在該測試中，電網(wǎng)模擬器設置為比較弱的電源，其輸出電流每隔5秒就會(huì )被進(jìn)一步的限制，目的是逐步降低該測試平臺的發(fā)電/負荷比率，以使得系統電壓穩步降低(比如在偏遠地區的不良電網(wǎng)環(huán)境)。這樣我們可以測出逆變器的無(wú)功電壓支撐能力。圖7 展示了3種場(chǎng)景：逆變器電壓支撐開(kāi)啟在3%斜率(綠色軌跡)，電壓支撐開(kāi)啟在1%斜率(橙色軌跡)，以及電壓支撐關(guān)閉(藍色軌跡)。
當電壓支撐處于開(kāi)啟狀態(tài)，電網(wǎng)電壓跌落至98%以下時(shí)(約第五秒)，逆變器立即提升其無(wú)功輸出，抬升系統電壓。測試數據很清楚地表明了采用電壓支撐技術(shù)的光伏逆變器的好處，系統電壓能夠被維持在偏離標準值5%以?xún)取?/P>
對于圖7和圖8的測試項目，我們是通過(guò)該逆變器提供的通訊方式（例如通過(guò)串口、藍牙等接口），將其設置為如下的參數并啟用電壓支撐功能：
無(wú)功支撐：最大50%滿(mǎn)功率
Q/V梯度: 0% (沒(méi)有無(wú)功), 1%, 以及3% (該梯度是定義無(wú)功功率與電壓的關(guān)系)
在圖8的測試開(kāi)始之前，電網(wǎng)模擬器的電壓是被設置為標準值的120%，但是其允許輸出電流是受限的，因此負載會(huì )將電網(wǎng)電壓拉低至所需的標稱(chēng)值。在測試過(guò)程中，電網(wǎng)模擬器的輸出電流限值每隔5秒就會(huì )被手動(dòng)地抬升一次，來(lái)模擬提升發(fā)電/負荷比率的情況，從而使得系統電壓穩步升高，用于檢測逆變器的電壓支撐功能。與之前的測試相同，圖8也展示了三種場(chǎng)景：逆變器電壓支撐開(kāi)啟在3%斜率(綠色軌跡)，電壓支撐開(kāi)啟在1%斜率(橙色軌跡)，以及電壓支撐關(guān)閉(藍色軌跡)。當電壓升高至超過(guò)102%(第5秒鐘過(guò)一點(diǎn)點(diǎn))，逆變器立即從系統中吸收無(wú)功功率，從而幫助系統電壓穩定下來(lái)。顯而易見(jiàn)這樣的應對是得到了更好的效果，否則當不啟用電壓支撐功能時(shí)電網(wǎng)電壓是被大幅抬升至120%標準值。
作為這種低壓/高壓支撐功能的一部分，高級逆變器可以調整其功率因子。如圖9所示，逆變器根據其功率輸出來(lái)調整功率因子，在本例中其功率因子從60%輸出功率時(shí)的1.00變化到了80%輸出時(shí)的0.8。
結論
以上測試的結果表明，如果我們將逆變器的這種高級功能的要求加入IEEE1547和加州Rule 21中，這將能夠幫助電網(wǎng)更好的運行，提高電力系統的穩定性。
有一些IEC標準委員會(huì )以及某些具有高光伏裝機量的國家的全國委員會(huì )，已經(jīng)要求逆變器提供這些高級功能，以幫助提升公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
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