AMETEK電網(wǎng)模擬器應對智能逆變器測試的新挑戰(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)裝機容量在電力系統(tǒng)中的占比不斷提高，整個電網(wǎng)對于光伏逆變器的品質(zhì)和能力的要求也越來越高。常規(guī)的電氣特性要求如過欠壓、過欠頻、防孤島等項目的出發(fā)點在于驗證逆變器對于電網(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、無功注入等項目則進一步要求逆變器能夠針對電網(wǎng)的異常狀況給予相應的補償和支持，以幫助改善電網(wǎng)的品質(zhì)。

功能強大的電網(wǎng)模擬器能夠幫助研發(fā)及測試人員方便地在實驗室中測試這些新興的功能，無需搭建復雜的測試平臺，無需額外的專屬設備，無需每次更改測試條件就要更改線纜連接方式，因此，可以大大減輕測試和驗證的工作量，同時也可以節(jié)省額外設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)的狀況來進行實時調(diào)整，在電網(wǎng)不穩(wěn)定時能夠給予一定的支撐，包括能夠注入感性無功和容性無功功率，這對用于測試的電網(wǎng)模擬器的工作能力提出了更高的要求。

AMETEK集團旗下的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

整個測試環(huán)境的搭建不需要其他負載或電源設備的介入，Mx/RS能夠完全吸收來自于逆變器的功率，這也使得Mx/RS能夠?qū)崟r監(jiān)控逆變器的工作狀態(tài)，可以通過預設的安全限值來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

國內(nèi)工業(yè)電的額定電壓為380V線電壓，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，以便覆蓋測試電壓的要求。與此同時，電網(wǎng)模擬器一般會支持在一定范圍內(nèi)的過電流輸出能力，即當電壓低于300V時，輸出電流能夠相應升高，從而能夠在相應電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)滿功率輸出。以California Instruments的RS90為例，其滿功率為90KVA，在300V時的電流輸出能力是100A，而當電壓降至240V或以下時，最大電流能夠達到125A，也就是其在240V-300V范圍內(nèi)都能夠達到90KVA滿功率，而在低于240V時輸出功率能力會隨電壓降低而降低(見圖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。為了解決此問題，California Instruments的Mx/RS系列電源都標配150V和300V兩個量程檔位，這樣在需要模擬110V的電網(wǎng)時用戶就可以切換到150V檔位，從而大大地擴展了其在低壓時的功率覆蓋(見圖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同樣適用于接受逆變器反灌的情況。

高電壓穿越

當逆變器被部署在光伏發(fā)電站時，其電網(wǎng)端額定電壓需要根據(jù)當?shù)仉娬镜膶嶋H情況來定。常見的有400V、600V、800V等線電壓等級，相應換算為相電壓為230V、346V、461V等。作為發(fā)電站中的一個關鍵設備，逆變器需要能夠應對各種電網(wǎng)異常的狀況，高電壓穿越就是模擬電網(wǎng)電壓驟升故障的測試項目。如圖4就是一幅典型的高電壓穿越要求的電壓曲線包絡示意圖，在持續(xù)時間不長于0.5秒、電壓幅度不高于130%額定值，以及后續(xù)持續(xù)時間不長于9.5秒、電壓幅度不高于120%額定值的情況下，逆變器應當不脫網(wǎng)運行，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)注入無功電流的能力。

圖4 高電壓穿越要求的一種典型電壓曲線包絡

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

針對這一類測試需求，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，還提供了專門的超高壓選件，可擴展輸出電壓至500V、600V乃至650V相電壓，充分覆蓋不同客戶的高電壓穿越測試需求。

選配超高壓選件后，即在Mx/RS電源的機殼內(nèi)部增加優(yōu)選設計的變壓器，精準調(diào)試過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。同時電源內(nèi)部的散熱通道和過溫保護電路也被重新設計，從而能夠做到在相同的機臺尺寸內(nèi)提供如此高壓且滿功率的輸出。整個機臺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%的過電流能力，從而實現(xiàn)在525V到650V范圍區(qū)間能夠滿功率輸出。如圖5展示了RS90-XVC650的輸出電壓電流能力曲線。

圖5RS90-XVC650的輸出V/I曲線

值得一提的是，這些高電壓選件都是額外的第三量程，客戶仍可使用原有的150V及300V量程，從而使得單臺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

逆變器技術在不斷的進步，對于相應測試設備的要求也隨之不斷提高，四象限工作能力和最高達650V相電壓的輸出電壓能力已經(jīng)成為滿足當前很多逆變器測試要求的必備能力。而與此同時，作為功能強大的電網(wǎng)模擬器，其應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)對盡可能多的逆變器的測試。阿美特克旗下的California Instruments Mx/RS系列電源產(chǎn)品很好的實現(xiàn)了這些需求，為客戶的測試工作提供了強大的支持。