光伏模拟器动态速度的评估方法

光伏模拟器电源是在实验室中测试逆变器的关键设备之一，是最近十年内新出现的专用测试设备。其动态响应速度的快慢直接影响到逆变器测试的可行性和测试结果的可靠度。...



目前在各家权威的光伏逆变器认证测试实验室中，绝大多数都已采用专门的光伏模拟器电源来模拟太阳能面板的输出，实现对逆变器MPPT效率等多项指标的测量。不同于传统的常规程控电源，光伏模拟器电源必须具备更快的动态响应速度，体现在更快的数字控制器、更快的负载变化响应速度上，以便控制电源设定为按照任意给定的IV曲线输出而非传统的固定值恒压或恒流输出，以及使得电源能够在逆变器进行高速的最大功率追踪时仍然能够确保其输出维持在IV曲线上。

毋庸置疑，如果光伏模拟器本身的硬件设计无法真正支持这种高速的动态响应速度，在对逆变器进行测试时将会引入巨大的误差，而当前市场上逆变器的MPPT效率指标的比拼甚至已经到了小数点后第二位的程度，这也就带来了业内严重的质疑：如何来衡量作为测试设备的光伏模拟器本身的动态性能？测出的MPPT效率值的可信度到底有多高？这是需要测试仪器厂商来回答的问题。

如果是常规的电源产品，对于动态速度早就有公认的指标来衡量，比如电压(或电流)最大上升/下降斜率，最快上升/下降时间等。然而这些指标对于光伏模拟器来说并不适用，因为它们是针对待测物是纯阻性的情况而做的定义，而逆变器的直流输入端几乎100%不满足这样的假设，往往都具有较大的容性。针对这种情况，我们有必要找出新的参数以及测试方法来评估光伏模拟器的动态响应速度。

以下图1就是阿美特克的工程师按照客观、尽量贴近逆变器真实测试情况、且具有良好可重复性的原则专门设计的测试光伏模拟器动态性能的方案。



首先我们确定光伏模拟器的负载应当具有常规的住宅型千瓦量级逆变器的直流端典型容值，大约在390uF左右。而电阻值方面我们采用一个固定电阻箱，在本实验中我们使用了AvtronK565电阻箱，其阻值为100欧姆。相对应的，我们可以将光伏模拟器的输出IV曲线设置为Vmp在400V，Imp在4A，这样在稳态下，光伏模拟器直接连接该负载时将会稳定地工作于最大功率点上。

我们再使用一个外部的信号源来产生所需的扰动电压以模拟逆变器的最大功率点跟踪的表现，这样就可以根据测试的需要来任意调节扰动的模式、电压变化的速度及范围，从而全面地评估光伏模拟器在不同测试条件下的性能表现。通过电路的设计，此引入的信号源体现为串联的恒压型负载，从而使得信号源的输出电压变化可以直接导致光伏模拟器输出端产生相应的电压变化。考虑到各家的光伏逆变器可能会采用各自迥异的MPPT算法，在需要横向评估多款光伏模拟器时必须尽量排除掉不同的扰动方式的影响，我们认为采用在IV曲线的最大功率点周边直接叠加正弦波扰动的方式是比较公平的，因此在实测中我们也主要采用叠加给定频率和幅度的正弦波扰动的方式。特别是为了便于测量光伏模拟器是否在最大功率点附近确实提供真正的功率变化趋势----即单一方向越远离最大功率点则输出功率越低的趋势，我们给信号发生器输出的正弦波扰动额外设置了一个直流偏置，比如在本实验中我们将正弦波的幅度设为3.5V，将直流分量设置为4V，这也就意味着添加的扰动是0.5V-7.5V的串联扰动电压，光伏模拟器的输出电压应当在最大功率点的下方变动，当外部扰动电压最小(0.5V)时，光伏模拟器的输出功率应当最大，当外部扰动电压越来越大(从0.5V上升至最大7.5V)时，光伏模拟器的输出功率应当越来越小。

一套高精度的数据采集系统来同时采集光伏模拟器输出的电压和电流参数，作为光伏模拟器输出的精确记录。将电压和电流相乘，我们可以得到光伏模拟器的输出功率相对于时间的曲线。

由此我们就可以将光伏模拟器的输出功率和外加扰动信号进行对比。作为考核光伏模拟器动态性能的第一项测试项目，光伏模拟器的输出功率的变化趋势应当吻合外部扰动电压-即扰动电压越高，输出功率越低；扰动电压越低，输出功率越高。我们将最高功率点和最低电压点之间的偏差以相位角来做衡量，理想情况下该相角应当始终为0度。

以下就是两台市面上常见的10KW/1000V光伏模拟器产品在对应不同扰动频率下的测试结果，其中一台是阿美特克的ElgarETS，另一台是某欧洲知名品牌产品。







上述相位量测的结果汇总在如下图表中：



从以上测试结果我们可以看到，在2Hz/8Hz/16Hz/32Hz/64Hz/128Hz/256Hz这几个测试频率点位上，阿美特克ElgarETS产品直到32Hz的扰动频率时仍然保持了完美的0度相位偏差，而该欧洲品牌产品只有在2Hz时能够达到0度相位偏差，更高频率时就产生了偏离。如果是真正的太阳能面板，即使在高达10KHz或更高频率扫描时，其相位误差仍是非常小的。从精密测量的角度该误差应小于10度。

很显然，当误差接近+/-90度时，被测逆变器实际上将在错误的方向搜寻MPP，从而变得不稳定。在+/-90度以下时，逆变器可能可以工作稳定，但是将会锁定在不是MPP的位置上。其误差值与相位误差成正比。此结论已被证实而且我们在扫描频率为5-120Hz采用快速MPPT算法的微型逆变器和住宅逆变器上已观察到。因此我们认为阿美特克ElgarETS光伏模拟器产品可以支持到256Hz的外部扰动(正弦形式)，而那一款欧洲品牌光伏模拟器产品仅能支持到略高于16Hz的外部扰动(正弦形式)。

采用相同的测试环境，我们还可以进行另一项更直观的测试项目：在叠加不同频率扰动电压的情况下观察光伏模拟器输出IV曲线和预设曲线的吻合度。方法就是直接将数据采集系统得到的光伏模拟器输出的电压电流和预设的IV曲线描点在同一坐标图中。如果是真正的太阳能面板，不论扫描频率为多少，两条曲线应当完美重合。

以下是这两台光伏模拟器分别在2Hz/16Hz/64Hz扰动频率下的测试结果。



由以上结果也可以直观看到不同光伏模拟器产品的实际输出与预设IV曲线的吻合程度，总体趋势就是当扰动频率越高时，光伏模拟器本身输出的失真就会越严重，这也符合高速逆变器要求高速光伏模拟器测试的逻辑。

综合以上的分析和实测结果，笔者认为该套测试方案较好地反映了不同光伏模拟器产品的动态性能，提供了一个客观的评估方法，可以作为广大逆变器厂商及认证机构在研发、认证时选择合适的测试仪器时一个良好地参考方法。

作者：黄正峰  应用工程师  阿美特克集团公司程控电源事业部

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