在最近的十余年里，太陽能光伏逆變技術得到了長足的發展。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，整個電力供應系統的穩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的品質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，而現在隨著光伏的占比越來越高，對于逆變器而言，支持電網接受高占比的高級功能的需求已經顯著地增加。而這些高級功能在原有的標準中并無體現，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”逆變器的典型表現，包括他們對電網的失真的貢獻、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在商業化生產的標準型號光伏逆變器的測試結果，該逆變器是按照最近的德國電網規則設計的，所采用的高級功能是當前美國的規則所沒有要求的。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，以評估其在電網中的動態性能。相當一部分的標準規范和技術報告（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，而本文展現的這些測試結果指出光伏逆變器的確可以提升電力品質和電網穩定性。

　　測試方案

　　首先我們針對傳統逆變器進行測試，以證實這些逆變器能夠遵照美國以及其他國際規范安全運行。測試方案如圖1所示。電網模擬器用于處理雙向的能量流動，就像真實的電網。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、空調等設備。功率分析儀用于分析負載、逆變器以及電網之間的電流流動。

　　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。上方的圖形是電網模擬器即電網端的電壓（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。

　　圖2 逆變器輸出3KW

　　公共電網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，我們控制電網模擬器以1%的步進來設置第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，注入電網的電流失真大約是設置的電壓失真的兩倍。這是由于逆變器“追蹤”電網的電壓，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的電流失真。新型的逆變器已經具備了該功能。

　　再來看傳統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電壓超出限值（一般為標準值的±10%）后的160毫秒內應當切斷連接。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毫秒內斷開連接并且維持在離線狀態，有時離線狀態會持續好幾分鐘。而這樣的響應方式會進一步加劇電網的電壓跌落問題。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的影響，南加州愛迪生（SCE）購買了若干個遵照德國電網規則設計的家用及商用逆變器。這些逆變器具有那些美國規則所不要求的高級功能。以下內容介紹這些逆變器在SCE DER實驗室的部分測試項目。

　　新的逆變器設計允許電壓穿越能力，例如在40%至100%范圍內可調的低電壓穿越。當系統電壓高于下限時，逆變器維持功率輸出，不從電網中切開。當系統電壓跌至下限以下時，逆變器停止功率輸出，但仍然在一段可調的時間內（在SCE的測試時最短為0.04秒，最長為10秒）維持與電網的連接，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

　　對照傳統的響應方式--逆變器在電網電壓跌落至90%以下后就直接切斷連接并維持離線狀態若干分鐘，很明顯現在的這種方式是一種更佳的應對策略。

　　圖7的測試結果表明，光伏逆變器能夠顯著地提升“不良電網”的電壓穩定性。在該測試中，電網模擬器設置為比較弱的電源，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電/負荷比率，以使得系統電壓穩步降低（比如在偏遠地區的不良電網環境）。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，電網電壓跌落至98%以下時（約第五秒），逆變器立即提升其無功輸出，抬升系統電壓。測試數據很清楚地表明了采用電壓支撐技術的光伏逆變器的好處，系統電壓能夠被維持在偏離標準值5%以內。

　　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），將其設置為如下的參數并啟用電壓支撐功能：

• 　　無功支撐：最大50%滿功率
• 　 ? ?Q/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系）

　　在圖8的測試開始之前，電網模擬器的電壓是被設置為標準值的120%，但是其允許輸出電流是受限的，因此負載會將電網電壓拉低至所需的標稱值。在測試過程中，電網模擬器的輸出電流限值每隔5秒就會被手動地抬升一次，來模擬提升發電/負荷比率的情況，從而使得系統電壓穩步升高，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），逆變器立即從系統中吸收無功功率，從而幫助系統電壓穩定下來。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，高級逆變器可以調整其功率因子。如圖9所示，逆變器根據其功率輸出來調整功率因子，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 逆變器的動態電壓（功率因子）支撐

　　結論

　　以上測試的結果表明，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，這將能夠幫助電網更好的運行，提高電力系統的穩定性。

　　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，已經要求逆變器提供這些高級功能，以幫助提升公共電網的電能質量。
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