太陽能電池陣列模擬器對逆變器進(jìn)行測試

以幾乎任何標(biāo)準(zhǔn)衡量，太陽能都很熱。根據(jù)太陽能產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì) （SEIA） 的數(shù)據(jù)，2016 年裝機(jī)容量超過 15 吉瓦，雖然預(yù)計(jì) 2017 年裝機(jī)量將放緩，但很明顯趨勢是未來五年太陽能裝機(jī)容量增加。SEIA 預(yù)測，到 2022 年，每年將安裝超過 17 吉瓦的太陽能。

推動(dòng)太陽能系統(tǒng)銷售的因素之一是光伏 （PV） 陣列的降價(jià)。2016年，光伏陣列價(jià)格首次跌破1美元/W。另一個(gè)因素是改進(jìn)的逆變器設(shè)計(jì)，更好的設(shè)計(jì)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)者是更好的測試設(shè)備來測試它們。包括 AMETEK Programmable Power、Chroma Systems Solutions 和 Keysight Technologies 在內(nèi)的幾家公司都生產(chǎn)太陽能電池陣列模擬器。

在 MPP 進(jìn)行測試 為了從太陽能電池板或陣列提供最大功率，獨(dú)立逆變器和并網(wǎng)逆變器會(huì)在給定條件下找到最大功率點(diǎn) （MPP）。他們改變太陽能電池板或陣列上的負(fù)載，直到它在電池板或陣列的 IV 曲線上找到將提供最大功率的點(diǎn)。然后逆變器將這種直流電轉(zhuǎn)換為交流電，然后在本地使用或饋入電網(wǎng)。圖 1 顯示了典型太陽能電池陣列的 IV 曲線以及沿曲線各點(diǎn)的可用功率。

圖 1：該圖上的藍(lán)線顯示了典型太陽能電池的 IV 曲線。紅線顯示了曲線沿線各點(diǎn)的可用功率。

為了有效地測試光伏逆變器的效率，您需要一個(gè)太陽能陣列模擬器來準(zhǔn)確模擬太陽能電池板或陣列的輸出。使用實(shí)際的太陽能電池板或陣列是不切實(shí)際的，因?yàn)槟鸁o法將它們的輸出控制到模擬所有條件所需的程度。

為了模擬太陽能電池板或陣列，逆變器設(shè)計(jì)人員和制造商使用現(xiàn)代數(shù)字控制電源。當(dāng)與控制軟件結(jié)合使用時(shí)，這些系統(tǒng)可以模擬高達(dá) 1 MW 的太陽能電池板陣列。

準(zhǔn)確模擬太陽能電池陣列來測試逆變器可能是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。如前所述，逆變器不斷改變其輸入阻抗，尋找 MPP。模擬器必須像太陽能電池陣列那樣響應(yīng)這些負(fù)載變化。模擬器不僅必須保持其功率輸出，還必須跟蹤它正在模擬的太陽能電池板或陣列的 IV 曲線。

更復(fù)雜的是，許多太陽能逆變器在其連接到光伏陣列的直流輸入上產(chǎn)生交流紋波。對于單相逆變器，紋波頻率是線路頻率的兩倍（美國型號為 120 Hz）。通常，您需要電源來抑制這種紋波，但太陽能電池陣列模擬器的電源一定不能抑制它。這是因?yàn)樵絹碓蕉嗟哪孀兤鳎ㄒ约皫缀跛械奈⑿湍孀兤鳎┛梢詼?zhǔn)確測量紋波電壓和電流的幅度和相位，以快速確定陣列的 MPP。這種方法讓逆變器比使用傳統(tǒng)抖動(dòng)技術(shù)（有時(shí)稱為“擾動(dòng)和觀察”）的轉(zhuǎn)換器更快地找到 MPP。在輻照度不斷變化的多云條件下，更快的 MPP 跟蹤可提高效率。

現(xiàn)代太陽能電池陣列模擬器的另一個(gè)要求是靈活性。每個(gè)太陽能電池板都有自己的特點(diǎn)。太陽能陣列模擬器必須是可編程的，讓他們確定逆變器設(shè)計(jì)將如何與所有這些不同類型的太陽能陣列一起工作。

最后，太陽能電池陣列模擬器需要測量和記錄逆變器的交流輸出，并將該數(shù)據(jù)與直流電源輸入相關(guān)聯(lián)。這會(huì)關(guān)閉測試循環(huán)，讓您看到逆變器設(shè)計(jì)的效率。完整系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖 2：能夠在離網(wǎng)模式下測試光伏逆變器的系統(tǒng)由模擬光伏陣列的直流電源、功率計(jì)、交流負(fù)載和控制測試系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成。您可能還需要數(shù)字示波器 （DSO） 來監(jiān)控逆變器的輸出波形。

保持在曲線上 為了進(jìn)行準(zhǔn)確的測試，太陽能電池陣列模擬器的輸出必須忠實(shí)地遵循太陽能電池陣列或太陽能電池板的 IV 曲線。也就是說，它必須像太陽能電池陣列一樣響應(yīng)被測逆變器施加的不斷變化的負(fù)載條件。要評估仿真器的性能如何，您需要考慮三個(gè)參數(shù)：MPP 跟蹤精度、輸出噪聲電流以及輸出電壓和電流之間的相位誤差。

MPP 跟蹤精度是衡量模擬器在動(dòng)態(tài)條件下偏離編程 IV 曲線的程度。跟蹤不佳的模擬器無法準(zhǔn)確模擬光伏陣列。

過大的輸出噪聲電流和相位誤差將使逆變器很難找到 MPP，如果不是不可能的話。在現(xiàn)實(shí)世界中，太陽能電池板或陣列的輸出電壓和輸出電流之間的相位差基本上為零，即使逆變器使用快速改變負(fù)載的 MPP 跟蹤策略也是如此。當(dāng)存在明顯的相位誤差時(shí)，逆變器可能會(huì)鎖定在不是 MPP 的曲線位置。

軟件注意事項(xiàng)

除了電氣規(guī)格外，太陽能電池陣列模擬器還需要易于使用且能夠提供所需測試數(shù)據(jù)的軟件。這包括：

更新速度快。每秒 20 次的更新速率允許您實(shí)時(shí)監(jiān)控逆變器的行為（工作點(diǎn)和掃描幅度）。

易于編程。在開發(fā)環(huán)境中，需要快速更改測試曲線或開發(fā)自定義 IV 曲線。用戶應(yīng)該能夠簡單地輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)或從其他來源導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

PV曲線/輻照度曲線庫。擁有太陽能電池板曲線庫意味著您不必生成自己的 IV 曲線，并且您可以輕松測試逆變器設(shè)計(jì)如何與各種太陽能電池板一起工作。擁有一組輻照度配置文件可以讓用戶模擬幾乎任何類型的環(huán)境條件。

陣列建模。模擬器軟件應(yīng)該模擬太陽能電池板陣列以及單個(gè)電池板。您應(yīng)該能夠構(gòu)建該數(shù)組，然后讓模擬器輸出反映整個(gè)數(shù)組的輸出。為了使這個(gè)模擬更加真實(shí)，您應(yīng)該能夠模擬陰影、老化和故障模塊的影響。

獲得可靠逆變器測試結(jié)果的唯一方法是使用光伏陣列模擬器，該模擬器將復(fù)制太陽能電池板或陣列的輸出。模擬器不僅必須能夠提供大量的輸出功率，而且必須足夠靈活，能夠快速響應(yīng)負(fù)載阻抗的變化并保持在 IV 曲線上?？梢宰龅竭@一點(diǎn)的模擬器將保持在曲線上并產(chǎn)生最佳測試結(jié)果。

審核編輯：郭婷