太阳能仿真与逆变器测试
概述
太阳能电池阵列产生具有非线性特性的直流输出，其特性随温度和辐照度的变化而变化。直接连接到太阳能电池阵列的设备（如太阳能逆变器）会考虑这些变化，以表征阵列的输出特性并最大化转换功率。太阳能电池阵列的输出特性与标准直流电源有很大不同，需要在直流电源上实施额外的控制才能满足这些测试要求。
太阳能电池阵列特性
太阳能电池阵列的电压和电流特性随面板的温度和辐照度而波动；大致可定义为辐照度影响输出电流，温度影响输出电压。连接太阳能电池阵列的设备（如太阳能逆变器）必须通过定位最大工作点来最大化太阳能电池阵列的功率输出。此外，配备最大功率点跟踪功能的设备还必须调整工作点，以适应温度和日照的波动。
为何选择 Magna-Power Electronics
- 太阳能电池阵列仿真或标准电源：Magna-Power Electronics 光伏功率曲线仿真软件使任何 Magna-Power Electronics 电源都能仿真太阳能电池阵列的非线性特性，并随时间变化调整这些特性。任何 Magna-Power Electronics 电源都可以在标准电源运行模式（具有 CV 和 CC 模式）与太阳能仿真运行模式之间来回切换。这种双重运行模式可最大限度地提高测试设备在各种应用中的利用率。
- 精确编程与测量：Magna-Power Electronics 的编程和测量精度在业界名列前茅。工程师可以直接依赖电源的测量值进行校准，从而减少测试环境中的仪器数量和复杂性。
- 谐波中和：Magna-Power Electronics 率先开发了谐波中和技术，使中央逆变器测试能够扩展至数兆瓦级别，电源可产生高达 48 脉冲的波形。
- 高压摆率选项 (+HS)：高压摆率选项适用于所有 Magna-Power Electronics 产品，可降低输出电容并采用薄膜电容器技术替代标准铝电解电容器。对于太阳能逆变器测试，强烈建议使用高压摆率选项，因为降低的输出电容意味着与逆变器纹波分量的相互作用更小，同时为电源提供更高的带宽。
太阳能电池阵列仿真软件
Magna-Power Electronics 光伏功率曲线仿真 (PPPE) 软件基于 EN50530 标准生成非线性电压/电流 (V/I) 曲线，允许这些 V/I 特性随温度和日照变化。这些曲线可按顺序发送至电源，使太阳能参数的变化能够在用户定义的时间间隔内改变电源的输出特性。此外，插值功能可自动生成曲线之间的过渡曲线，实现从一种温度和辐照度条件到另一种条件的平滑过渡。例如，该功能可用于从阴天冬季条件过渡到晴朗夏季条件。或者，可将曲线内部存储在电源中，以便在未连接计算机时使用。此外，还提供命令导出功能，便于在 LabVIEW 或 Visual Studio 等自动化环境中利用 PPPE 轻松生成太阳能曲线。
软件提供三种不同的曲线生成方法：
- 参考参数法：如果已知参考太阳能电池和阵列特性，可使用太阳能电池参数值生成曲线：Tref、Irref、Vmp、Imp、Voc、Isc、β 和 α。提供下拉菜单用于选择多晶硅 (cSi) 或薄膜技术，以根据 EN50530 标准自动填充 β 和 α 值。填入参考值后，只需为每条新曲线指定温度和辐照度值即可生成新曲线。
- 四参数法：最简单的曲线生成方法，仅使用最大功率点、最大电压（开路）和最大电流（短路）即可生成曲线：Vmp、Isc、Voc 和 Isc。
- 最多 50 个手动数据点：可在 PPPE 软件中使用手动曲线，通过手动输入电压和电流数据点或从逗号分隔值 (.csv) 文件导入。最多可输入 50 个数据点，但电源在运行过程中会在这些数据点之间执行分段线性近似，以确保高分辨率。
实时输出查看器提供全窗口同时显示电压、电流和功率输出，并随时间跟踪这些参数。该窗口清晰展示了所连接负载跟踪温度和辐照度随时间变化的能力。数据记录功能可保存输出电压、电流和功率值以及随时间变化的已定义输出特性。
广泛且模块化的产品系列
Magna-Power Electronics 提供业内最广泛的具有太阳能仿真功能的标准可编程直流电源系列。Magna-Power Electronics 机架式产品低至 2 kW，落地式系统高达 4,000 kW，电压最高可达 4,000 Vdc（浮动），电流最高可达 24,000 Adc。整个产品线采用完全相同的控制方式和编程选项。产品标配前面板无级旋转控制、RS-232 计算机接口和隔离式 37 针模拟/数字外部控制。LXI TCP/IP 以太网 (+LXI)、IEEE 488.2 GPIB (+GPIB) 和 USB Edgeport（外部）(+USB) 等选项可作为附加编程接口使用。所有编程接口均支持基本 SCPI 命令集，并与光伏功率曲线仿真软件兼容。此外，还包含用于基于计算机的前面板控制的远程接口软件和 IVI 驱动程序，便于远程编程。随着功率需求的增长，太阳能电池阵列仿真器也可随之扩展。凭借 Magna-Power Electronics 电源提供的模块化构建模块，可随时以主/从并联或串联方式添加设备。为获得最大灵活性，设备可单独使用、组成较小的主/从系统，或在所有模块为相同型号的前提下组合成一个大型系统。
对于中央逆变器测试，MT 系列产品提供 100 kW、150 kW 和 250 kW 模块尺寸。独立的基于 IGBT 的 MT 系列设备是市场上最大的标准开关电源之一，与较小模块尺寸相比，可最大限度地减少开关元件数量。通过 UID47 设备实现多兆瓦级扩展，该设备提供主/从控制：一台电源接管其余设备的控制权，实现真正的系统化运行。
所有 Magna-Power Electronics 电源均可与其他同等额定功率的电源配置为主/从并联或串联运行。UID47 设备提供即插即用的主/从运行，可在电源之间互连控制信号。
对于老化测试应用，中央逆变器需要高电压和大电流，但通常不会同时需要两者。因此，拥有可在不同串联和并联模块阵列中重新配置的电源具有显著优势，并且提供最具成本效益的解决方案。例如，考虑 2000 Vdc、500 Adc 和 500 Vdc、2000 Adc 两种不同的逆变器老化测试要求。与其指定一台能同时满足 2000 Vdc 和 2000 Adc 的电源，不如使用 Magna-Power Electronics 的模块化配置指定一个更小、更经济的解决方案，针对不同的测试要求将电源从串联切换为并联运行。
通过外部接触器或低成本转换开关实现电源输出级从串联到并联的重新配置。重新配置不应在输出通电状态下进行，电源应处于零电压和零电流状态。此外，UID47 控制线也必须更改，因为从属设备根据串联或并联运行接收不同的信号。Magna-Power Electronics 应用工程师可协助提供此过程的最佳实践。
高压摆率选项 (+HS)
高压摆率选项解决了开关电源设计中固有的几个限制。快速电压转换要求内部电子元件提供能量来对输出电容器进行充放电。电源内部的峰值电流决定了压摆率；使用较小的电容可在更短的时间内完成电压转换。此外，较小的电容还降低了开路条件下的放电需求。
Magna-Power Electronics 电源的标准输出级旨在在可用元件、尺寸和成本的限制下提供尽可能低的输出纹波电压。输出级的一部分由一组铝电解电容器组成，其具有提供此功能所需的电气特性。这些元件需要泄放电阻来放电，以便在电源无负载且禁用时释放任何残余电压。虽然这些元件的存在及其性能在行业中普遍被接受，但在某些应用中，更低的输出电容和更低损耗的泄放电阻是极为理想的，而更高的纹波电压是可以接受的。为满足这一需求，提供了高压摆率选项，其输出级由低电容薄膜电容器和铝电解电容器组成。
对于光伏仿真应用，更高的带宽和更低的输出电容可通过更快速的最大功率点跟踪算法提升性能。最大功率点跟踪电路通过偏移光伏阵列的工作点来确定最大功率输出。当算法速度超过仿真源的响应速度时，响应缓慢的仿真源可能会造成问题。此外，较低的输出电容使得工作点变化和因太阳能逆变器输入短路引起的瞬态产生更少的不期望输入电流。
高隔离输出选项 (+ISO)
将设备串联连接时，请务必注意产品的输出隔离额定值，该值因产品系列和型号而异，具体请参见产品规格。串联配置的电源系统不应超过产品的隔离额定值。下表提供了可用输出隔离额定值的快速参考：
| Standard Output Isolation for Models Rated 1000 Vdc and Below, No Option | Output Isolation for Model Rated 250-1000 Vdc With +ISO Option | Standard Output Isolation for Models Rated Above 1000 Vdc, No Option | |
|---|---|---|---|
| XR Series | 1000 Vdc | N/A | N/A |
| TS Series | 1000 Vdc | ±(2000 Vdc + Vo/2) | ±(2000 Vdc + Vo/2) |
| MS Series | 1000 Vdc | ±(2000 Vdc + Vo/2) | ±(2000 Vdc + Vo/2) |
| MT Series | 1000 Vdc | 4000 Vdc | 4000 Vdc |
Note: Vo is the product's output voltage rating
XR Series、TS Series 和 MS Series 型号的标准隔离。TS Series 和 MS Series 的 1000 Vdc 及以下产品提供高隔离选项 (+ISO)，可实现高达 2000 Vdc + Vo/2 的全浮动输出隔离，其中 Vo 为产品的输出电压额定值。400 Vdc 及以上的 MT Series 产品可提供 4000 Vdc 输出隔离。
中央逆变器能量回收
开发和生产兆瓦级中央逆变器对测试设备和电力设施提出了独特的要求。逆变器的交流输出可以反馈到直流电源的输入端，实现功率回收。太阳能逆变器的输出通常被回收到直流电源的输入端，使电力系统仅需额定供应总体损耗——仅为总功率转换的一小部分。采用这种配置时，功率谐波对测试性能和可靠性起着至关重要的作用。
输入电流谐波几乎是所有电源的副产物。只有当电压和电流的频率及相位匹配时，才能向负载输送功率。对于使用三相输入整流器的三相电源，输入电流的理论频谱为 6n±1，其中 n 为从 1 开始递增的整数；这称为 6 脉冲波形。这意味着使用三相输入整流器的电源将产生基波频率的 1、5、7、11、13、17、19... 倍的输入电流。理论幅值随谐波分量的倒数而衰减。第 5 次和第 7 次谐波分量的幅值分别为基波分量的 20% 和 14%。
电力系统中的谐波电流可能找到异常路径，如果幅值较大且存在对谐波频率敏感的负载，则可能引起问题。例如，照明镇流器中串联的电容器和电感器可能被谐波电流激发。IEEE 引入了 IEEE 519 标准，定义了推荐限值。实施该标准需要了解电力系统和其他产生谐波的负载。遗憾的是，该标准可能导致同一电源在一种应用中超出限值，而在另一种应用中则不会。同样，无论是否满足 IEEE 519 标准，电源都可能引起或不引起谐波相关问题。最大限度降低谐波问题风险的最佳解决方案是在源头消除谐波电流。
Magna-Power Electronics 谐波中和器通过增加电力相数来抑制谐波族。当多台电源串联或并联使用且负载均匀时，可使用谐波中和器。谐波中和器可产生 12 脉冲、18 脉冲、24 脉冲或 48 脉冲波形，其谐波电流分量分别为 12n±1、18n±1、24n±1 或 48n±1 阶。图 1 显示了 6 脉冲和 12 脉冲波形的理论差异；18 脉冲波形类似，但具有更多阶梯。图 2 显示了相应的频谱差异。HN Series 谐波中和器配备了适当额定容量的断路器保护。
所有 250 kW MT Series 产品均配备集成的 12 脉冲谐波中和器，这意味着 250 kW 电源将标准产生 12 脉冲交流波形。为达到更高功率水平，使用 UID47 设备将多台 250 kW MT Series 设备以主/从并联和/或串联方式连接。对于多兆瓦级中央逆变器，Magna-Power Electronics 提供 500 kW 24 脉冲谐波中和器 HN500 或 48 脉冲谐波中和器 HN1000，以满足最严格的谐波要求。当此选项与大型 MT Series 系统配合使用时，每两台 250 kW 电源使用一台 HN500 设备，或每四台 250 kW 电源使用一台 HN1000。输入交流电源连接至 HN500/HN1000 的初级侧，作为单一输入点。从 HN500/HN1000 次级侧到电源交流输入的电缆由 Magna-Power Electronics 提供。
总结
Magna-Power Electronics 为太阳能逆变器测试需求提供广泛的解决方案。光伏功率曲线仿真软件依据 EN50530 标准提供非线性 V/I 曲线生成、数据记录以及通过 Magna-Power Electronics 电源进行的曲线顺序仿真。高压摆率输出 (+HS) 和高隔离输出 (+ISO) 等选项针对特定太阳能逆变器测试需求提供输出升级。最后，Magna-Power Electronics 创新的谐波中和技术即使在多兆瓦级开关电源技术中也能实现清洁的交流波形。