关于光伏并网逆变器_效率_的探讨(20180813161914)

关于光伏并网逆变器 “ 效率 “ 的探讨Discussion on Efficiency of the Grid Connected Photovoltaic Inverters李菊欢 （ 深圳市计量质量检测研究院 ,广东 深圳 518055)Li Ju-huan (ShenzhenAcademy of Metrology efficiency;MPPT;grid-connected photovoltaic systemCLC number:TP23 Document code:A Article ID:1003-0107(2010)08-0064-021 引言光伏发电技术正开始由边远农村和特殊应用，向并网发电方向发展 。 光伏并网发电作为其进入电力规模应用的必然结果， 将会是未来最大的光伏发电市场 。 太阳能电池板阵列和逆变器是光伏并网发电系统中两个最重要的部件 。 太阳能电池板阵列将太阳的光能转化为电能， 输出直流电 。 但民用电力以交流供电为主，因此由太阳能电池板输出的直流电必须通过逆变器转换为交流电后方可并入电网 。 逆变器在太阳能并网发电系统中具有举足轻重的作用 。尽管太阳能资源是无穷尽的，但由于太阳光辐射密度太低， 导致太阳能电池的转换效率非常低 。 目前， 大多数太阳能电池的转换效率仅为 10%- 20%左右 。 在此背景下， 提升光伏逆变器的效率，对于提升太阳能并网发电系统的整体效率显得至关重要 。 高效率且具有成本效益的逆变器成为评定太阳能发电系统优劣的关键指标 。 以一台 20kWp 安装设备每天平均输出电能为 190kWh 为例，假定逆变器效率从 95%提高到96%， 如果强制上网电价按 1.7 元 / kWh， 并以 10 年寿命周期来计算， 这 1%的效率提升所带来的收益将接近逆变器自身成本的一半 。 光伏并网逆变器的效率成为所有用户关心的硬性指标， 其重要性不言而喻 。 如何选取合适的参数， 对光伏并网逆变器效率进行全面 、 有效的评估， 将为光伏并网发电工程项目设计中合理选择逆变器提供有力的技术支持 。2 标准 EN 50530 中光伏并网逆变器几类 “ 效率 “的介绍太阳能电池阵列输出特性具有非线性特征 。 在一定的光照强度和环境温度下 , 太阳能电池可以有不同的输出电压 ,但是只有在某一输出电压值时 , 太阳能电池的输出功率才能达到最大值 , 这时太阳能电池的工作点就达到了输出功率曲线的最高点 ,称之为最大功率点 。 此外， 太阳光的辐射强度随天气和一天中的不同时间而变化，太阳能电池阵列极少在稳定的外部环境下运行， 其输出特性曲线也将不断变化 。 如图 1 和图 2 所示 。光伏逆变器负责管理整个光伏并网系统的电力输出， 它必须对太阳能电池输出曲线的变化进行动态响应，运用最大功率点跟踪 (maximumpowerpoint tracking， MPPT)技术， 实时调整太阳能电池的工作点 ,使之始终工作在最大功率点附近， 这是太阳能电池持续实现最大的转换效率从而提高系统整体效率的唯一途径 。基于光伏逆变器的上述工作特点，欧洲电工标准化委员会专门制定标准 EN 50530《 Overall Efficiency of Grid ConnectedPhotovoltaicIinverters》 。 标准定义了下述四类效率： 静态最大功率点跟踪 (MPPT)效率 η MPPTstat、 动态最大功率点跟踪 (MPPT)效率 η MPPTdyn、 转换效率 η conv和总效率 η t。MPPT 效率， 包括 η MPPTstat 和 η MPPTdyn， 是指一段时间内， 逆图 1 不同太阳光辐射强度下的太阳能电池输出特性曲线多国认证ulti- country CertificationM642010 第 08 期认证与实验室变器从太阳能电池组件获得的直流电能与理论上太阳能电池组件工作在最大功率点在该时间段输出的电能的比值 。 静态MPPT效率可以表征当太阳能电池输出特性曲线一定时， 逆变器在多大程度上可以跟踪到太阳能电池的最大输出功率， 而动态 MPPT 效率则可以用来衡量当太阳能电池输出曲线复杂多变的情况下， 逆变器对最大功率点的跟踪响应速度 。 MPPT效率的数学表达式为：η MPPT=TM0乙 Pdc(t)dtTM0乙Pmpp(t)dt(1)其中， Pdc(t)表示逆变器从太阳能电池获得的实时功率 Pmpp(t)表示太阳能电池理论上提供的实时的最大功率点功率 。转换效率 η conv 是指， 一段时间内， 逆变器交流输出端输出的电能与直流输入端输入的电能的比值 。 其数学表达式为：η conv=TM0乙Pac(t)dtTM0乙 Pdc(t)dt(2)其中， Pac(t)表示逆变器 AC 输出端子输出的实时功率；Pdc(t)表示逆变器 DC 输入端子输入的实时功率 。总效率 η t 表示， 一段时间内， 逆变器交流输出端输出的电能与理论上太阳能电池组件工作在最大功率点在该时间段输出的电能的比值， 从定义可知：η t=η conv· η MPPT (3)标准给出测试原理图如图 3 所示 。其中， PV- Simulator 表示光伏模拟器； EUT 代表被测光伏并网逆变器； IDC/ VDC / PDC 分别代表直流电流表 、 直流电压表和直流功率计； VAC / PAC 分别代表交流电压表和交流功率计 。测试将在光伏模拟器的 MPP 功率与逆变器最大输入功率的比值分别为 5％ 、 10％ 、 20％ 、 25％ 、 30％ 、 50％ 、 75％ 和100％ 的状态下进行 。在此基础上标准给出了欧洲静态 MPPT 效率和欧洲静态转换效率的计算公式， 分别如下：η MPPTstatEUR=0.03 η MPPTstat5% +0.06 η MPPTstat10% +0.13 η MPPTstat20%+0.10η MPPTstat30%+0.48η MPPTstat50%+0.20η MPPTstat100% (4)η convEUR=0.03η conv5%+0.06 η conv10%+0.13 η conv20%+0.10η conv30%+0.48η conv50%+0.20η conv100% (5)上述计算公式， 根据欧洲地区的日照情况， 确定不同百分比的逆变器额定交流功率所占的权重 。 例如 η conv5%， 表示太阳能电池的最大输出功率为逆变器额定输入功率的 5%时， 逆变器的转换效率， 而系数 0.03 则代表一年中约有 3%的时间， 逆变器在此效率下运行 。 采用效率加权的办法模拟太阳能逆变器在自然条件下一年中的运行时效 , 能够较为真正地反映光伏逆变器的效率 。3 我国相关标准的差距在我国，国家 “ 金太阳示范工程 “ 要求并网发电系统采用的关键部件要经过国内的产品认证， 包括逆变器 。 2009 年 8月，由北京鉴衡认证中心牵头起草了认证技术规范 CN-CA/CTS0004- 2009 《 400V 以下并网光伏专用逆变器技术条件和试验方法 》 。 该技术要求中提出逆变器的 “ 最大逆变效率不低于 94％ “ ， 并规定该参数的测试方法为： 最大逆变效率发生时逆变器输出功率占额定功率的百分比 X％ 由制造商与用户协议确定 。 在逆变器输出 X％ 额定功率时， 测量其直流输入功率，从而计算得到最大逆变效率 。 与 EN 50530《 Overall Effi-ciency of PhotovoltaicInverters》 标准相比， EN 50530 标准所定义的逆变器效率更能反映光伏并网逆变器在实际工作条件下的效率，相反如果按照国内的标准要求单纯地评价逆变器最大逆变效率， 很可能出现最大逆变效率很高的产品， 在实际工作状态下运行的效率却并不高 。 国内不少逆变器企业在提供产品的技术参数时， 除了最大效率外， 还会给出欧洲效率 。 这说明， 企业和用户都已经有这方面的认识， 但是欧洲和国内的天气状况毕竟是不同的，因此我们有必要借鉴他们在考核逆变器效率时的思路， 并结合自身的情况进行修正后再为我所用，这样将对我国光伏并网工程设计中逆变器的选取提供更加合理的考核参数作为技术支持 。参考文献：[1]EN 50530:2010.Overall Efficiency of Grid Connected Photo-voltaic Inverters[S].[2]CNCA/CTS0004- 2009.400V 以下并网光伏专用逆变器技术条件和试验方法 [S].[3]Michael Frisch,Erno Temesi,韩军 ,等 .最新高效率光伏逆变器拓扑结构及功率器件介绍 [J].变频器世界 ,2009,3.[4]雷 珽 ,艾芊 .光伏并网策略及应用研究 [J].低压电器 ,2010,2.[5]马幼捷 ,程德树 ,陈岚 ,等 .光伏并网逆变器德分析与研究 [J].电气传动 ,2009,39(4).图 2 不同电池温度下的太阳能电池输出特性曲线图 3 测试原理图65