AMETEK電網(wǎng)模擬器應(yīng)對(duì)智能逆變器測(cè)試的新挑戰(zhàn) -四象限電源、超高壓及功率覆蓋

介紹

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量在電力系統(tǒng)中的占比不斷提高，整個(gè)電網(wǎng)對(duì)于光伏逆變器的品質(zhì)和能力的要求也越來(lái)越高。常規(guī)的電氣特性要求如過(guò)欠壓、過(guò)欠頻、防孤島等項(xiàng)目的出發(fā)點(diǎn)在于驗(yàn)證逆變器對(duì)于電網(wǎng)的耐受度以及不允許引入不安全的隱患，而新的要求如低電壓穿越、高電壓穿越、無(wú)功注入等項(xiàng)目則進(jìn)一步要求逆變器能夠針對(duì)電網(wǎng)的異常狀況給予相應(yīng)的補(bǔ)償和支持，以幫助改善電網(wǎng)的品質(zhì)。

功能強(qiáng)大的電網(wǎng)模擬器能夠幫助研發(fā)及測(cè)試人員方便地在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試這些新興的功能，無(wú)需搭建復(fù)雜的測(cè)試平臺(tái)，無(wú)需額外的專(zhuān)屬設(shè)備，無(wú)需每次更改測(cè)試條件就要更改線(xiàn)纜連接方式，因此，可以大大減輕測(cè)試和驗(yàn)證的工作量，同時(shí)也可以節(jié)省額外設(shè)備的資金投入和空間占用。

高品質(zhì)四象限電源

智能逆變器需要根據(jù)電網(wǎng)的狀況來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，在電網(wǎng)不穩(wěn)定時(shí)能夠給予一定的支撐，包括能夠注入感性無(wú)功和容性無(wú)功功率，這對(duì)用于測(cè)試的電網(wǎng)模擬器的工作能力提出了更高的要求。

AMETEK集團(tuán)旗下的California Instruments Mx/RS系列電網(wǎng)模擬器能夠在16-500Hz工作頻率范圍內(nèi)支持高達(dá)100%額定功率的雙向功率輸入輸出，更可以支持容性和感性的無(wú)功功率注入，是全功能的四象限電源。

圖1 阿美特克California Instruments Mx/RS系列電網(wǎng)模擬器

整個(gè)測(cè)試環(huán)境的搭建不需要其他負(fù)載或電源設(shè)備的介入，Mx/RS能夠完全吸收來(lái)自于逆變器的功率，這也使得Mx/RS能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控逆變器的工作狀態(tài)，可以通過(guò)預(yù)設(shè)的安全限值來(lái)確保逆變器處于正常的工作范圍內(nèi)。

電網(wǎng)模擬器的功率覆蓋

國(guó)內(nèi)工業(yè)電的額定電壓為380V線(xiàn)電壓，即220V相電壓。因此一般電網(wǎng)模擬器都提供300V的相電壓檔位，以便覆蓋測(cè)試電壓的要求。與此同時(shí)，電網(wǎng)模擬器一般會(huì)支持在一定范圍內(nèi)的過(guò)電流輸出能力，即當(dāng)電壓低于300V時(shí)，輸出電流能夠相應(yīng)升高，從而能夠在相應(yīng)電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)功率輸出。以California Instruments的RS90為例，其滿(mǎn)功率為90KVA，在300V時(shí)的電流輸出能力是100A，而當(dāng)電壓降至240V或以下時(shí)，最大電流能夠達(dá)到125A，也就是其在240V-300V范圍內(nèi)都能夠達(dá)到90KVA滿(mǎn)功率，而在低于240V時(shí)輸出功率能力會(huì)隨電壓降低而降低(見(jiàn)圖2)。

圖2 RS90在300V檔位的功率覆蓋

如果需要模擬某些地區(qū)110V的相電壓，此時(shí)300V檔位的電網(wǎng)模擬器將只能夠供給~50%乃至更低的功率。為了解決此問(wèn)題，California Instruments的Mx/RS系列電源都標(biāo)配150V和300V兩個(gè)量程檔位，這樣在需要模擬110V的電網(wǎng)時(shí)用戶(hù)就可以切換到150V檔位，從而大大地?cái)U(kuò)展了其在低壓時(shí)的功率覆蓋(見(jiàn)圖3)。

圖3 RS90雙量程檔位的功率覆蓋(陰影區(qū)為多出的部分)

California Instruments的Mx/RS系列在連接逆變器時(shí)能夠支持的輸入功率與其輸出功率的范圍是一致的，即以上功率能力曲線(xiàn)同樣適用于接受逆變器反灌的情況。

高電壓穿越

當(dāng)逆變器被部署在光伏發(fā)電站時(shí)，其電網(wǎng)端額定電壓需要根據(jù)當(dāng)?shù)仉娬镜膶?shí)際情況來(lái)定。常見(jiàn)的有400V、600V、800V等線(xiàn)電壓等級(jí)，相應(yīng)換算為相電壓為230V、346V、461V等。作為發(fā)電站中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，逆變器需要能夠應(yīng)對(duì)各種電網(wǎng)異常的狀況，高電壓穿越就是模擬電網(wǎng)電壓驟升故障的測(cè)試項(xiàng)目。如圖4就是一幅典型的高電壓穿越要求的電壓曲線(xiàn)包絡(luò)示意圖，在持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)于0.5秒、電壓幅度不高于130%額定值，以及后續(xù)持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)于9.5秒、電壓幅度不高于120%額定值的情況下，逆變器應(yīng)當(dāng)不脫網(wǎng)運(yùn)行，并在此期間具備有功功率連續(xù)調(diào)節(jié)的能力以及具備向電力系統(tǒng)注入無(wú)功電流的能力。

圖4 高電壓穿越要求的一種典型電壓曲線(xiàn)包絡(luò)

不同的國(guó)家地區(qū)、不同的廠家對(duì)于具體的逆變器會(huì)有不同細(xì)節(jié)的高電壓穿越要求，但基本上最高會(huì)要求測(cè)試設(shè)備提供高達(dá)130%-140%逆變器額定電壓的可控輸出，如果是600V線(xiàn)電壓(346V相電壓)的逆變器，需要電網(wǎng)模擬器輸出高達(dá)840V線(xiàn)電壓(485V相電壓);如果是800V線(xiàn)電壓(461V相電壓)的逆變器，需要電網(wǎng)模擬器輸出高達(dá)1120V線(xiàn)電壓(647V相電壓)。

針對(duì)這一類(lèi)測(cè)試需求，電網(wǎng)模擬器需要提供更高電壓的輸出量程。California Instruments的Mx/RS系列電源在原有的400V相電壓選件之外，還提供了專(zhuān)門(mén)的超高壓選件，可擴(kuò)展輸出電壓至500V、600V乃至650V相電壓，充分覆蓋不同客戶(hù)的高電壓穿越測(cè)試需求。

選配超高壓選件后，即在Mx/RS電源的機(jī)殼內(nèi)部增加優(yōu)選設(shè)計(jì)的變壓器，精準(zhǔn)調(diào)試過(guò)的輸出特性確保了最大范圍的輸出阻抗匹配，從而最大限度避免震蕩的發(fā)生。同時(shí)電源內(nèi)部的散熱通道和過(guò)溫保護(hù)電路也被重新設(shè)計(jì)，從而能夠做到在相同的機(jī)臺(tái)尺寸內(nèi)提供如此高壓且滿(mǎn)功率的輸出。整個(gè)機(jī)臺(tái)的性能維持了阿美特克California Instruments品牌交流電源一貫的優(yōu)異表現(xiàn)。以-XVC650選件為例，在650V量程中電源仍然能夠支持125%的過(guò)電流能力，從而實(shí)現(xiàn)在525V到650V范圍區(qū)間能夠滿(mǎn)功率輸出。如圖5展示了RS90-XVC650的輸出電壓電流能力曲線(xiàn)。

圖5RS90-XVC650的輸出V/I曲線(xiàn)

值得一提的是，這些高電壓選件都是額外的第三量程，客戶(hù)仍可使用原有的150V及300V量程，從而使得單臺(tái)電源能夠在非常寬的電壓范圍內(nèi)提供足夠的功率覆蓋。

總結(jié)

逆變器技術(shù)在不斷的進(jìn)步，對(duì)于相應(yīng)測(cè)試設(shè)備的要求也隨之不斷提高，四象限工作能力和最高達(dá)650V相電壓的輸出電壓能力已經(jīng)成為滿(mǎn)足當(dāng)前很多逆變器測(cè)試要求的必備能力。而與此同時(shí)，作為功能強(qiáng)大的電網(wǎng)模擬器，其應(yīng)該能夠在盡可能寬的電壓范圍內(nèi)提供足夠的功率覆蓋，以能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)盡可能多的逆變器的測(cè)試。阿美特克旗下的California Instruments Mx/RS系列電源產(chǎn)品很好的實(shí)現(xiàn)了這些需求，為客戶(hù)的測(cè)試工作提供了強(qiáng)大的支持。