AMETEK电网模拟器应对智能逆变器测试的新挑战

四象限电源、超高压及功率覆盖

作者：黄正峰
阿美特克程控电源部门
邮箱：wanner.huang@ametek.com

介绍

随着光伏发电系统装机容量在电力系统中的占比不断提高，整个电网对于光伏逆变器的品质和能力的要求也越来越高。常规的电气特性要求如过欠压、过欠频、防孤岛等项目的出发点在于验证逆变器对于电网的耐受度以及不允许引入不安全的隐患，而新的要求如低电压穿越、高电压穿越、无功注入等项目则进一步要求逆变器能够针对电网的异常状况给予相应的补偿和支持，以帮助改善电网的品质。

功能强大的电网模拟器能够帮助研发及测试人员方便地在实验室中测试这些新兴的功能，无需搭建复杂的测试平台，无需额外的专属设备，无需每次更改测试条件就要更改线缆连接方式，因此，可以大大减轻测试和验证的工作量，同时也可以节省额外设备的资金投入和空间占用。

高品质四象限电源

智能逆变器需要根据电网的状况来进行实时调整，在电网不稳定时能够给予一定的支撑，包括能够注入感性无功和容性无功功率，这对用于测试的电网模拟器的工作能力提出了更高的要求。

AMETEK集团旗下的California Instruments Mx/RS系列电网模拟器能够在16-500Hz工作频率范围内支持高达100%额定功率的双向功率输入输出，更可以支持容性和感性的无功功率注入，是全功能的四象限电源。


图1 阿美特克California Instruments Mx/RS系列电网模拟器

整个测试环境的搭建不需要其他负载或电源设备的介入，Mx/RS能够完全吸收来自于逆变器的功率，这也使得Mx/RS能够实时监控逆变器的工作状态，可以通过预设的安全限值来确保逆变器处于正常的工作范围内。

电网模拟器的功率覆盖

国内工业电的额定电压为380V线电压，即220V相电压。因此一般电网模拟器都提供300V的相电压档位，以便覆盖测试电压的要求。与此同时，电网模拟器一般会支持在一定范围内的过电流输出能力，即当电压低于300V时，输出电流能够相应升高，从而能够在相应电压范围内实现满功率输出。以California Instruments的RS90为例，其满功率为90KVA，在300V时的电流输出能力是100A，而当电压降至240V或以下时，最大电流能够达到125A，也就是其在240V-300V范围内都能够达到90KVA满功率，而在低于240V时输出功率能力会随电压降低而降低（见图2）。


图2 RS90在300V档位的功率覆盖

如果需要模拟某些地区110V的相电压，此时300V档位的电网模拟器将只能够供给~50%乃至更低的功率。为了解决此问题，California Instruments的Mx/RS系列电源都标配150V和300V两个量程档位，这样在需要模拟110V的电网时用户就可以切换到150V档位，从而大大地扩展了其在低压时的功率覆盖（见图3）。


图3 RS90双量程档位的功率覆盖(阴影区为多出的部分)

California Instruments的Mx/RS系列在连接逆变器时能够支持的输入功率与其输出功率的范围是一致的，即以上功率能力曲线同样适用于接受逆变器反灌的情况。

高电压穿越

当逆变器被部署在光伏发电站时，其电网端额定电压需要根据当地电站的实际情况来定。常见的有400V、600V、800V等线电压等级，相应换算为相电压为230V、346V、461V等。作为发电站中的一个关键设备，逆变器需要能够应对各种电网异常的状况，高电压穿越就是模拟电网电压骤升故障的测试项目。如图4就是一幅典型的高电压穿越要求的电压曲线包络示意图，在持续时间不长于0.5秒、电压幅度不高于130%额定值，以及后续持续时间不长于9.5秒、电压幅度不高于120%额定值的情况下，逆变器应当不脱网运行，并在此期间具备有功功率连续调节的能力以及具备向电力系统注入无功电流的能力。


图4 高电压穿越要求的一种典型电压曲线包络

不同的国家地区、不同的厂家对于具体的逆变器会有不同细节的高电压穿越要求，但基本上最高会要求测试设备提供高达130%-140%逆变器额定电压的可控输出，如果是600V线电压(346V相电压)的逆变器，需要电网模拟器输出高达840V线电压(485V相电压)；如果是800V线电压(461V相电压)的逆变器，需要电网模拟器输出高达1120V线电压(647V相电压)。

针对这一类测试需求，电网模拟器需要提供更高电压的输出量程。California Instruments的Mx/RS系列电源在原有的400V相电压选件之外，还提供了专门的超高压选件，可扩展输出电压至500V、600V乃至650V相电压，充分覆盖不同客户的高电压穿越测试需求。

选配超高压选件后，即在Mx/RS电源的机壳内部增加优选设计的变压器，精准调试过的输出特性确保了最大范围的输出阻抗匹配，从而最大限度避免震荡的发生。同时电源内部的散热通道和过温保护电路也被重新设计，从而能够做到在相同的机台尺寸内提供如此高压且满功率的输出。整个机台的性能维持了阿美特克California Instruments品牌交流电源一贯的优异表现。以-XVC650选件为例，在650V量程中电源仍然能够支持125%的过电流能力，从而实现在525V到650V范围区间能够满功率输出。如图5展示了RS90-XVC650的输出电压电流能力曲线。


图5 RS90-XVC650的输出V/I曲线

值得一提的是，这些高电压选件都是额外的第三量程，客户仍可使用原有的150V及300V量程，从而使得单台电源能够在非常宽的电压范围内提供足够的功率覆盖。