逆變器對于提升電網(wǎng)品質(zhì)的幫助

摘要

在最近的十余年里，太陽能光伏逆變技術(shù)得到了長足的發(fā)展。與此同時，人們普遍開始擔憂隨著光伏逆變器的占比越來越高，整個電力供應系統(tǒng)的穩(wěn)定性會受到極大影響。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(tǒng)的品質(zhì)事實上反而得到了提高。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(xiàn)在隨著光伏的占比越來越高，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)顯著地增加。而這些高級功能在原有的標準中并無體現(xiàn)，例如無功電壓控制、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(tǒng)”逆變器的典型表現(xiàn)，包括他們對電網(wǎng)的失真的貢獻、防孤島問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(jié)果，該逆變器是按照最近的德國電網(wǎng)規(guī)則設(shè)計的,所采用的高級功能是當前美國的規(guī)則所沒有要求的。我們測試了該逆變器在一系列典型的電壓和頻率波動情況下的表現(xiàn)，以評估其在電網(wǎng)中的動態(tài)性能。相當一部分的標準規(guī)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(xiàn)的這些測試結(jié)果指出光伏逆變器的確可以提升電力品質(zhì)和電網(wǎng)穩(wěn)定性。

測試方案

首先我們針對傳統(tǒng)逆變器進行測試，以證實這些逆變器能夠遵照美國以及其他國際規(guī)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，就像真實的電網(wǎng)。逆變器接受來自于光伏模擬器的直流能量注入。電子負載產(chǎn)生線性和非線性的電流負載，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(diào)等設(shè)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。

圖1 用于評估光伏逆變器的測試方案

圖2展示了功率分析儀上的典型顯示。上方的圖形是電網(wǎng)模擬器即電網(wǎng)端的電壓(綠色)和電流(黑色)波形，下方的圖形是負載的電流(紅色)和逆變器的電流(藍色)。逆變器輸出1274.9瓦給家用負載，輸出1766.5瓦給電網(wǎng)。

圖2 逆變器輸出3KW

公共電網(wǎng)的真實電壓波形一般都不可能像圖2所示是那么完美的正弦波形，2-5%的電壓總諧波失真極為常見。為了評估逆變器對于失真電壓的響應，我們控制電網(wǎng)模擬器以1%的步進來設(shè)置第9階次諧波從3%到9%的電壓失真。如圖3顯示了7%失真設(shè)置時的波形。

圖3 帶有7%電壓失真的波形

如圖4所示，注入電網(wǎng)的電流失真大約是設(shè)置的電壓失真的兩倍。這是由于逆變器“追蹤”電網(wǎng)的電壓，疊加上了與電壓失真程度相同的電流失真。

圖4 逆變器對于失真的貢獻

如果逆變器能夠被“許可”進行補償，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。

再來看傳統(tǒng)逆變器的另一個不良應對，出于對早期防孤島要求而采取的對電壓跌落和短時擾動的響應。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(nèi)應當切斷連接。圖5展示了逆變器對于短時電壓跌落的響應。該逆變器在10毫秒內(nèi)斷開連接并且維持在離線狀態(tài)，有時離線狀態(tài)會持續(xù)好幾分鐘。而這樣的響應方式會進一步加劇電網(wǎng)的電壓跌落問題。所以這就要求逆變器能夠具有一定的低電壓穿越能力。

圖5 逆變器對于電壓跌落的響應

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，南加州愛迪生(SCE)購買了若干個遵照德國電網(wǎng)規(guī)則設(shè)計的家用及商用逆變器。這些逆變器具有那些美國規(guī)則所不要求的高級功能。以下內(nèi)容介紹這些逆變器在SCE DER實驗室的部分測試項目。

新的逆變器設(shè)計允許電壓穿越能力，例如在40%至100%范圍內(nèi)可調(diào)的低電壓穿越。當系統(tǒng)電壓高于下限時，逆變器維持功率輸出，不從電網(wǎng)中切開。當系統(tǒng)電壓跌至下限以下時，逆變器停止功率輸出，但仍然在一段可調(diào)的時間內(nèi)(在SCE的測試時最短為 0.04秒，最長為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)跌至標準值的47%，使得逆變器(綠色線)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秒前的時刻)。當公共電網(wǎng)電壓在第17秒超過標準值時，逆變器相應縮減其功率輸出，直到電壓穩(wěn)定在標準值后(第27秒)逆變器恢復滿功率輸出。

圖6 新型光伏逆變器的低電壓穿越能力

對照傳統(tǒng)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狀態(tài)若干分鐘，很明顯現(xiàn)在的這種方式是一種更佳的應對策略。

圖7的測試結(jié)果表明，光伏逆變器能夠顯著地提升“不良電網(wǎng)”的電壓穩(wěn)定性。在該測試中，電網(wǎng)模擬器設(shè)置為比較弱的電源，其輸出電流每隔5秒就會被進一步的限制，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(tǒng)電壓穩(wěn)步降低(比如在偏遠地區(qū)的不良電網(wǎng)環(huán)境)。這樣我們可以測出逆變器的無功電壓支撐能力。圖7 展示了3種場景：逆變器電壓支撐開啟在3%斜率(綠色軌跡)，電壓支撐開啟在1%斜率(橙色軌跡)，以及電壓支撐關(guān)閉(藍色軌跡)。

圖7 逆變器在欠壓時的電壓支撐

當電壓支撐處于開啟狀態(tài)，電網(wǎng)電壓跌落至98%以下時(約第五秒)，逆變器立即提升其無功輸出，抬升系統(tǒng)電壓。測試數(shù)據(jù)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(tǒng)電壓能夠被維持在偏離標準值5%以內(nèi)。

而在過電壓的情況下，逆變器則以相反的方式應對，能夠減少過電壓的效果(比如斷開負載時會發(fā)生的情況)。圖8展示了這種測試的波形圖。

圖8 逆變器在過壓時的無功支撐

對于圖7和圖8的測試項目，我們是通過該逆變器提供的通訊方式(例如通過串口、藍牙等接口)，將其設(shè)置為如下的參數(shù)并啟用電壓支撐功能：

l無功支撐：最大50%滿功率

lQ/V梯度: 0% (沒有無功), 1%, 以及 3% (該梯度是定義無功功率與電壓的關(guān)系)

在圖8的測試開始之前，電網(wǎng)模擬器的電壓是被設(shè)置為標準值的120%，但是其允許輸出電流是受限的，因此負載會將電網(wǎng)電壓拉低至所需的標稱值。在測試過程中，電網(wǎng)模擬器的輸出電流限值每隔5秒就會被手動地抬升一次，來模擬提升發(fā)電/負荷比率的情況，從而使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)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也展示了三種場景：逆變器電壓支撐開啟在3%斜率(綠色軌跡)，電壓支撐開啟在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 102%(第5秒鐘過一點點)，逆變器立即從系統(tǒng)中吸收無功功率，從而幫助系統(tǒng)電壓穩(wěn)定下來。顯而易見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(diào)整其功率因子。如圖9所示，逆變器根據(jù)其功率輸出來調(diào)整功率因子，在本例中其功率因子從60%輸出功率時的1.00變化到了80%輸出時的0.8。

圖9 逆變器的動態(tài)電壓(功率因子)支撐

結(jié)論

以上測試的結(jié)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(tǒng)的穩(wěn)定性。

有一些IEC標準委員會以及某些具有高光伏裝機量的國家的全國委員會，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。