逆变器对于提升电网品质的帮助

原文作者: Mathieu van den Bergh, CNS Inc. Richard J. Bravo, 南加州爱迪生
授权翻译：黄正峰, 阿美特克程控电源部, wanner.huang@ametek.com.cn

摘要

在最近的十余年里，太阳能光伏逆变技术得到了长足的发展。与此同时，人们普遍开始担忧随着光伏逆变器的占比越来越高，整个电力供应系统的稳定性会受到极大影响。但最近的研究显示，例如在欧洲，那些采用了高级功能的逆变器的电力系统的品质事实上反而得到了提高。美国当前已有的光伏标准如IEEE1547和加州Rule 21都是针对低占比的情况，而现在随着光伏的占比越来越高，对于逆变器而言，支持电网接受高占比的高级功能的需求已经显著地增加。而这些高级功能在原有的标准中并无体现，例如无功电压控制、电压穿越能力、频率穿越能力、有功频率控制、缓变率控制以及通讯等。

本文首先讨论了一两年前做的一系列测试，揭示了“传统”逆变器的典型表现，包括他们对电网的失真的贡献、防孤岛问题以及潜在的更严重的干扰。其次我们给出使用一台已经在商业化生产的标准型号光伏逆变器的测试结果，该逆变器是按照最近的德国电网规则设计的,所采用的高级功能是当前美国的规则所没有要求的。我们测试了该逆变器在一系列典型的电压和频率波动情况下的表现，以评估其在电网中的动态性能。相当一部分的标准规范和技术报告（如IEC61000-3-15，CEI 0-21等）都提到光伏逆变器可能用于提升电力品质，而本文展现的这些测试结果指出光伏逆变器的确可以提升电力品质和电网稳定性。

测试方案

首先我们针对传统逆变器进行测试，以证实这些逆变器能够遵照美国以及其他国际规范安全运行。测试方案如图1所示。电网模拟器用于处理双向的能量流动，就像真实的电网。逆变器接受来自于光伏模拟器的直流能量注入。电子负载产生线性和非线性的电流负载，有效地模拟各种典型的家用负载的行为，例如电脑、厨房电器、电视、空调等设备。功率分析仪用于分析负载、逆变器以及电网之间的电流流动。


图1 用于评估光伏逆变器的测试方案

图2展示了功率分析仪上的典型显示。上方的图形是电网模拟器即电网端的电压(绿色)和电流(黑色)波形，下方的图形是负载的电流(红色)和逆变器的电流(蓝色)。逆变器输出1274.9瓦给家用负载，输出1766.5瓦给电网。


图2 逆变器输出3KW

公共电网的真实电压波形一般都不可能像图2所示是那么完美的正弦波形，2-5%的电压总谐波失真极为常见。为了评估逆变器对于失真电压的响应，我们控制电网模拟器以1%的步进来设置第9阶次谐波从3%到9%的电压失真。如图3显示了7%失真设置时的波形。


图3 带有7%电压失真的波形

如图4所示，注入电网的电流失真大约是设置的电压失真的两倍。这是由于逆变器“追踪”电网的电压，叠加上了与电压失真程度相同的电流失真。


图4 逆变器对于失真的贡献

如果逆变器能够被“许可”进行补偿，它就能减少注入公共电网的电流失真。新型的逆变器已经具备了该功能。

再来看传统逆变器的另一个不良应对，出于对早期防孤岛要求而采取的对电压跌落和短时扰动的响应。早期标准要求逆变器在电网电压超出限值(一般为标准值的±10%)后的160毫秒内应当切断连接。图5展示了逆变器对于短时电压跌落的响应。该逆变器在10毫秒内断开连接并且维持在离线状态，有时离线状态会持续好几分钟。而这样的响应方式会进一步加剧电网的电压跌落问题。所以这就要求逆变器能够具有一定的低电压穿越能力。


图5 逆变器对于电压跌落的响应

高级光伏逆变器能力

为了评估高级光伏逆变器对于电网的影响，南加州爱迪生(SCE)购买了若干个遵照德国电网规则设计的家用及商用逆变器。这些逆变器具有那些美国规则所不要求的高级功能。以下内容介绍这些逆变器在SCE DER实验室的部分测试项目。

新的逆变器设计允许电压穿越能力，例如在40%至100%范围内可调的低电压穿越。当系统电压高于下限时，逆变器维持功率输出，不从电网中切开。当系统电压跌至下限以下时，逆变器停止功率输出，但仍然在一段可调的时间内(在SCE的测试时最短为0.04秒，最长为10秒)维持与电网的连接，在电压恢复至高于下限一定程度(余量)之后再输出功率。

图6展示了该功能。电压(蓝色线)跌至标准值的47%，使得逆变器(绿色线)停止输出功率，但是当电压回复至47%加上3%余量后，逆变器立即恢复提升其功率(第8秒前的时刻)。当公共电网电压在第17秒超过标准值时，逆变器相应缩减其功率输出，直到电压稳定在标准值后（第27秒）逆变器恢复满功率输出。


图6 新型光伏逆变器的低电压穿越能力

对照传统的响应方式--逆变器在电网电压跌落至90%以下后就直接切断连接并维持离线状态若干分钟，很明显现在的这种方式是一种更佳的应对策略。

图7的测试结果表明，光伏逆变器能够显著地提升“不良电网”的电压稳定性。在该测试中，电网模拟器设置为比较弱的电源，其输出电流每隔5秒就会被进一步的限制，目的是逐步降低该测试平台的发电/负荷比率，以使得系统电压稳步降低(比如在偏远地区的不良电网环境)。这样我们可以测出逆变器的无功电压支撑能力。图7 展示了3种场景：逆变器电压支撑开启在3%斜率(绿色轨迹)，电压支撑开启在1%斜率(橙色轨迹)，以及电压支撑关闭(蓝色轨迹)。


图7 逆变器在欠压时的电压支撑

当电压支撑处于开启状态，电网电压跌落至98%以下时(约第五秒)，逆变器立即提升其无功输出，抬升系统电压。测试数据很清楚地表明了采用电压支撑技术的光伏逆变器的好处，系统电压能够被维持在偏离标准值5%以内。

而在过电压的情况下，逆变器则以相反的方式应对，能够减少过电压的效果（比如断开负载时会发生的情况）。图8展示了这种测试的波形图。


图8 逆变器在过压时的无功支撑

对于图7和图8的测试项目，我们是通过该逆变器提供的通讯方式（例如通过串口、蓝牙等接口），将其设置为如下的参数并启用电压支撑功能：

• 无功支撑：最大50%满功率
• Q/V梯度: 0% (没有无功), 1%, 以及 3% (该梯度是定义无功功率与电压的关系)
  

在图8的测试开始之前，电网模拟器的电压是被设置为标准值的120%，但是其允许输出电流是受限的，因此负载会将电网电压拉低至所需的标称值。在测试过程中，电网模拟器的输出电流限值每隔5秒就会被手动地抬升一次，来模拟提升发电/负荷比率的情况，从而使得系统电压稳步升高，用于检测逆变器的电压支撑功能。与之前的测试相同，图8也展示了三种场景：逆变器电压支撑开启在3%斜率(绿色轨迹)，电压支撑开启在1%斜率(橙色轨迹)，以及电压支撑关闭(蓝色轨迹)。当电压升高至超过102%(第5秒钟过一点点)，逆变器立即从系统中吸收无功功率，从而帮助系统电压稳定下来。显而易见这样的应对是得到了更好的效果，否则当不启用电压支撑功能时电网电压是被大幅抬升至120%标准值。

作为这种低压/高压支撑功能的一部分，高级逆变器可以调整其功率因子。如图9所示，逆变器根据其功率输出来调整功率因子，在本例中其功率因子从60%输出功率时的1.00变化到了80%输出时的0.8。


图9 逆变器的动态电压(功率因子)支撑

结论

以上测试的结果表明，如果我们将逆变器的这种高级功能的要求加入IEEE1547和加州Rule 21中，这将能够帮助电网更好的运行，提高电力系统的稳定性。

有一些IEC标准委员会以及某些具有高光伏装机量的国家的全国委员会，已经要求逆变器提供这些高级功能，以帮助提升公共电网的电能质量。