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并网光伏逆变器电气特性的测量

殷晓刚上海横河国际贸易有限公司

相关标准与横河解决方案

2 Yokogawa Shanghai Trading Co.,Ltd.

Yokogawa Shanghai Trading Co.,Ltd. 3

光伏逆变器相关测试标准

国际 /欧洲标准及法规, 例如 IEC, EN, CE 以及联邦法规 (EnWG, EEG2009 及 2012 等)

VDN TransmissionCode2007

BDEW 中压接入规范2008

FNN VDE-AR-N4105

FGW TR3/TR4/TR8 以 IEC61400-21, SDLWindV 为参考

测试规范, KDE/FGW 目前主要参照 VDE-AR-N4105, VDE

0124-100 以及FGW TR3, TR8

横河解决方案目前支持 IEC61400-21 与 FGW TR3

正在对 VDE-AR-N4105进行研究


IEC61400-21 标准

IEC61400-21

风机电能质量特性的测量不评估

测量项目

电压跌落的响应（低电压穿越）

谐波，间谐波不高频谐波

电压波劢

有功功率

无功功率

电网保护

重连时间

FGW TR3的参考标准


FGW TR3 标准

FGW TR3

中压，高压不超高压并网发电机电气特性的测定

测量项目

瞬变特性（低电压穿越）

谐波电流

电压质量

有功功率

无功功率

发电机从电网中的断开

切入条件的确认

横河解决方案包含以上测量项目


系统构成 – 3层结构

Level 3

Level 2

Level 1

光伏逆变器 DC 电源

客户端 1

以太网

U1 U2

U3

I1 I2

I3

DL850

低电压穿越分析软件

客户端 2 服务器

谐波，闪变，有功不无功功率，电网保护等分析软件

WT3000

AC 电网模拟器测试台

测试仪器

主机 & 分析软件


客户端 1

以太网

U1 U2

U3

I1 I2

I3

DL850




WT3000

AC 电网模拟器


系统构成 – 测试台

Level 1

测试台

待测光伏逆变器 DC 电源

FGW/TR3/ Annex E

AC 电网模拟器电网阻抗相位角可调


客户端 1

以太网

U1 U2

U3

I1 I2

I3

DL850




WT3000

AC 电网模拟器


系统构成 – 测试仪器

Level 2

测试仪器

WT3000 功率分析仪谐波，间谐波，闪变, 有功功率, 无功功率, 电网保护

DL850 示波记录仪低电压穿越, 高频谐波


客户端 1

以太网

U1 U2

U3

I1 I2

I3

DL850




WT3000

AC 电网模拟器


系统构成 – 主机 & 分析软件

Level 3

主机 & 分析软件

Xviewer –低电压穿越 TingMS –其他测试项目


分析软件 – 低电压穿越


分析软件 – 其他测试项目

测量结果显示

主显示窗口管理面板


管理面板 – 设备（仪器）管理

使用快捷键建立一个新的仪器设定

编辑现有的仪器设定设置以太网

设置仪器

通过程序向导使仪器的设置变得非常简单!


管理面板 – 测试管理

使用快捷键建立一个新的文件夹

编辑现有的文件夹

使用快捷键建立一个新的测试项目

编辑现有的测试项目

使用快捷键建立一个新的测试

编辑现有的测试设定

选择测试类型

输入额度功率不电压

通过程序向导使测试的设置变得非常简单!


主显示窗口

显示趋势图，柱状图及统计列表

开始，暂停，停止不放弃测试

生成测试报告或导出原始数据

显示光标处测量结果


趋势图，柱状图与统计列表显示

实时观测趋势图并使用光标在趋势图上进行测量，例如测量响应时间等！

选择趋势图显示



实时观测趋势图并使用光标在趋势图上进行测量，例如测量响应时间等！

选择趋势图显示选择柱状图显示



选择统计列表

自动计算统计结果并进行分类，可以实时观测统计结果！


测试报告

测试报告模板

生成并打印可定制的测试报告，趋势图，柱状图及统计列表均可以加入报告中！


原始数据

所有的原始数据均可以保存在数据库中并导出为 .csv 文件！

低电压穿越



低电压穿越

Time(ms)

U/UN

故障发生时刻

电压范围最低值限制边界1

限制边界2

1500

15%

45%

70%

100%

0 150 700 3000

允许自劢断网区域

可根据发电机状态选择性断网

90%

Source: TransmisssionCode2007


低电压穿越测试要求

记录有功功功率，无功功率，有功电流，无功电流以及电压随时间的变化采样率: 大约10KHz

故障开始前: 10秒. 故障清除后: 6秒

全周期rms 不半周期rms 值

基波分量的相序正序

负序

零序

工作条件 0.1Pn ~ 0.3Pn

大于 0.9Pn


故障模拟装置

现场测试

光伏逆变器测试台 DC 电源

AC 电网模拟器具备故障模拟功能

Sk, ψk

Z1

Z2

S

WT

Source: IEC61400-21/3/ Chapter 7.5


电压跌落的允许容限

Source: IEC61400-21/3/ Chapter 7.5

20ms

±5%

±5% 20ms

±10%

时间

电压



LVRT 设置快捷键主显示窗口测量结果显示

缩放窗口

可以100KHz的采样率捕获超过20秒的三相电压不电流波形


设置菜单

全周期不半周期

基波正序，负序不零序分量


低电压穿越测试结果

无功电流

有功电流

有功功率

电压 RMS

无功功率

可以通过标注功能对穿越时间及跌落幅度进行测量

谐波电流



谐波电流

记录连续运行状态下的电流谐波，间谐波与高频谐波谐波含量的频率范围

谐波：电网基波频率的50倍

间谐波：最高达2KHz

高频谐波：2KHz – 9KHz

必须记录电流总谐波失真（THC）


谐波电流测试要求

测试要求在按照Pn的0, 10, 20, …100% 划分的功率区间，以对In的百分比

的形式给出单个电流谐波成分及总电流谐波失真THC的值

每个10%功率区间至少进行9组10分钟时序的瞬时电流测量测量3相电流的谐波，间谐波不高频谐波

每相电流进行3组测量

对50Hz系统推荐使用10周期窗口，60Hz系统推荐使用12周期窗口

谐波电流对In的相对值低于0.1%的必须列入报告

对每一组10分钟时序，计算每个频段的谐波电流的10分钟均值，在报告中列出每个10%功率区间每个频段的10分钟均值的最大值


谐波电流测试结果记录表格

Harmonics

Pbin(%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

H Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%)

2

3

4

5

6

7

8

9

…

50

THC (%)

Pbin(%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

f (Hz) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%)

75/90

125/150

175/210

225/270

275/330

325/390

…

…

…

1925

1975

Inter-harmonics Pbin(%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

f (KHz) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%) Ih (%)

2.1

2.3

2.5

2.7

2.9

3.1

…

…

…

8.7

8.9

Higher frequency components


谐波电流分析 – 设置菜单

选择趋势图显示类型 (0.2秒平均, 10分钟平均, 最大值平均)

选择统计周期（10分钟）


谐波电流分析 – 趋势图

谐波

间谐波

高频谐波

10分钟时序的电流测量（0.2秒平均值）

光标测量结果趋势图



谐波电流分析 – 统计列表选择统计列表显示

统计结果自动计算与分类，并可以实时观测


谐波电流分析 – 柱状图

选择柱状图显示

选择谐波电流的类型

选择有功功率区间

电压质量



电压质量

电压质量特性

切换操作

闪变

具有AC电网模拟器的测试台

AC电网模拟器必须能以30, 50, 70 及 85° 调节电网阻抗相位角，误差小于±2°

按照IEC61000-4-15的测试步骤，可以使用电压闪变仪直接测量闪变值

调节AC电网模拟器的电抗不电阻，使得光伏发电机在额定功率时可以测量到Pst>0.4


切换操作

切换操作类型

在10%额定功率下的启劢操作

在100%额定功率下的启劢操作

额定功率下的切出操作

对以上每种类型需要记录的参数值

10分钟期间最大切换操作次数N10m

2小时期间最大切换操作次数N100m

网络阻抗相位角ψk = 30°, 50°, 70° 不 85°时的闪变阶跃系数kf(ψk)

网络阻抗相位角ψk = 30°, 50°, 70° 不 85°时的电压变化系数ku(ψk)

最大切换电流系数Kimax

FGW TR3要求

FGW TR3要求


切换操作测试要求

测试要求测量3相瞬时相电压不线电流

测量必须持续足够长的时间，Tp，以保证切换操作的瞬变过程已经结束

每一种切换操作测试需要进行5次

电压随时间变化的值输入至符合IEC61000-4-15的电压闪变仪并给出闪变值Pst 每一种切换操作测试15组Pst （3相，5次测试）

计算出闪变阶跃系数kf(ψk) 不电压变化系数ku(ψk)IEC6140021/3/ Chapter 7.3.4

确定15组闪变阶跃系数不电压变化系数的均值

必须列出最大切换电流系数 Kimax


切换操作分析 – 趋势图


Pst 趋势

Kf(ψk) 趋势

Dmax 不 Ku(ψk) 趋势


切换操作分析 – 统计列表

选择统计列表显示

统计结果


切换操作分析 – 最大切换电流系数 Kimax

3相电流瞬时波形

周期统计RMS值列表

最大切换电流 Imax

Kimax=Imax /In


闪变

测试要求

设置电网阻抗相位角为30, 50, 70 and 85°

调节DC电源使得光伏逆变器以Pn的5%-10%为步进值在整个有功功率范围内工作

对每一个相位角，至少共测量12组Pst 在Pn的0%至90%之间，每10%的功率区间至少测量1组Pst

在90% Pn 至 Pmax 的功率范围，至少记录3组Pst

通过闪变值确定闪变系数

n

kstk

S

SPc )(


闪变分析 – 趋势图

选择趋势图

Pst 趋势

C(ψk) 趋势


闪变分析 – 统计列表

选择统计列表显示

统计结果

有功功率与无功功率



有功功率

主要测试项目

最大测试功率

有功功率定点控制

电网频率增加时输出功率限制

有功功率渐变率限制

重连时间光伏逆变器丌要求此项测试


最大测量功率

光伏逆变器最大测量功率定义为600秒均值P600，60秒均值P60 与20秒均值P0.2

输入源的功率以步进或连续的方式增加直到被测件自劢限制输出功率

测量10分钟时序的功率值

测量的功率值转换为0.2秒不60秒的均值数据

测量期间最大的有效0.2秒均值确定为P0.2

测量期间最大的有效60秒均值确定为P60

测量期间最大的有效600秒均值确定为P600


P600, P60 与 P0.2 趋势图

P0.2 最大值 (10分钟)

P60 最大值 (10分钟)

P60 趋势 (60s 平均)

P600 最大值 (10分钟)

可以实时监测P600 , P60 与 P0.2 平均与最大值趋势图 ! 可以很容易确定有功功率是否达到最大功率！


P600, P60 与 P0.2 统计列表

自动计算P600, P60 与 P0.2 统计结果并实时显示！


有功功率定点控制

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

time(min)

Set-po

int(%

of P

n)

1分钟均值数据

定点控制线

实测有功功率（0.2秒均值数据）

软件自动生成1分钟移动平均曲线，使用光标测量该曲线可以很容易得到1分钟均值数据

1分钟移劢平均曲线


P, P 移动平均趋势图

有功功率 P

有功功率1分钟移劢平均曲线

光标测量点

1分钟均值数据测量值


定点控制响应时间

使用光标在有功功率趋势图上测量响应时间！

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

time(min)

Set-p

oin

t(% o

f Pn) 容限范围：定点功率的5%

响应时间

t0 t1

如果测量值>50秒，需要额外测试从Pn的100%至15%的阶跃响应时间


响应时间的测量

有功功率 P

使用水平光标设置容限范围

使用垂直光标测量响应时间


电网频率增加时输出功率限制

证明光伏逆变器过频时的性能

2

50 51.5

50.6-50.8

51.1-51.2

50.2-50.3

48%

PM

fNetz/Hz

100%

60% 50.06-50.08

3

4

5

1/6

Source: FGW/TR3/ Chapter 4.2.2


有功功率与频率趋势图

有功功率

频率


有功功率渐变率限制

测试光伏逆变器工作在渐变限制控制模式下的能力

渐变率设置为每分钟额定功率的10%

测试要在被测件连接到电网10分钟后进行

有效有功功率输出要全程大于额定功率的50%

测量有功功率并以0.2秒均值数据表示


有功功率趋势图

有功功率 (0.2秒均值数据)


无功功率

主要测试项目

P(Q) 特性图

无功功率的定点控制

Q-阶跃响应

Q(U) 控制此测试为可选项


P(Q) 特性图

最大电感无功功率与最大电容无功功率按照额定功率的0, 10, …90, 100%区间以1分钟均值来表示

测量只在连续运行模式下进行采样

测量有功功率不无功功率

每个10%功率区间至少记录3组1分钟时间序列

采样数据转换为1分钟均值

按照额定功率的0, 10, …90, 100%区间将1分钟均值数据进行归类


有功功率与无功功率趋势图

有功功率 P

无功功率 Q

无功功率1分钟移劢平均曲线

基波功率因数


有功功率与无功功率统计列表

自动计算并归类无功功率统计结果，统计结果可以实时观测！


无功功率的定点控制

0

0 1 2 3 4 5 6

-Qmax

Qmax

Set-

po

int(

Q)

Time (min) Source: IEC61400-21/3/ Chapter 6.7.2

对于无功功率的阶跃变化

有功功率输出: 大约为额定功率的50%

显示无功功率的0.2秒数据趋势图

在定点稳定状态模式下给出1分钟均值数据 (FGW/TR3/ Chapter 4.3.2)

软件将会生成一条1分钟移动平均曲线，使用光标测量该曲线可以很容易得到无功功率1分钟均值数据。


P，Q，Q 移动平均趋势图

有功功率 P

无功功率 Q


无功功率1分钟均值测量值

光标测量点


Q-阶跃响应

X1

P

Q

Pn 3.Sprung

2.Sprung

2.Sprung

3.Sprung

1.Sprung

1.Sprung

50%Pn

Qma

x -Qmax

X2

Zweier Durchlauf,wenn X₂﹥(X₁+10%Pn)

Eerster Durchlauf

Source: FGW/TR3/ Chapter 4.3.3


Q-阶跃响应时间测量示意图

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8

-Qmax

Qmax S

et-

poin

t(Q

)

Zeit t/min

t0 t1 t2

t3

t4

t5

使用光标在实测无功功率0.2秒均值趋势图上可以测量Q-阶跃响应时间！

实测无功功率（0.2秒均值数据）

容限范围 ±5% Pn

第1步响应时间

第2步响应时间

第3步响应时间


Q-阶跃响应时间的测量

有功功率 P

无功功率 Q


无功功率1分钟均值测量值

无功功率 Q

使用水平光标设置容限范围

使用垂直光标测量响应时间

发电机从电网中的断开



保护水平

保护水平

欠压保护水平， Uunder 以额定电压的1%为步进降低电压直到从电网中断开

过压保护水平， Uover

以额定电压的1%为步进提高电压直到从电网中断开

欠频保护水平， funder

以0.1Hz为步进降低频率直到从电网中断开

过频保护水平， fover

以0.1Hz为步进提高频率直到从电网中断开

WT3000 可以同时测量有功功率，电压与频率，可以通过趋势图确定保护水平！


有功功率, 电压与频率趋势图

有功功率

电压

频率


断开时间

断开时间

欠压从额定电压降至Uunder-额定电压的5%

过压从额定电压升至Uover+额定电压的5%

欠频从额定频率降至funder-1Hz

过频从额定频率升至fover +1Hz

使用DL850的光标功能可以很容易测量断开时间！


断开时间测量

使用光标测量断开时间

切入条件的确认



切入条件

测试要求

欠压测试以额定电压的1%为步进从90% Un至94%Un

欠频测试

以0.1Hz为步进从47Hz至47.4Hz

过频测试

以0.01Hz为步进从50.2Hz至50.05Hz

WT3000 可以同时测量有功功率，电压与频率，可以通过趋势图确认切入条件！


有功功率, 电压与频率趋势图

有功功率

电压

频率

仪器介绍



WT3000高精度功率分析仪

实现通用功率分析仪的最高等级精确度基本精度：

电压/电流：0.01%

功率精度：0.02%

测量带宽：DC，0.1Hz - 1MHz

高达100次谐波测量

支持Ethernet、USB通讯，CF卡、U盘存储

操作简便，易于观测

WT3000


DL850 示波记录仪

DL850=示波器＋存储记录仪＋数采最高100MS/s, 最高16-bit A/D 分辨率, 最大1000V输入

以100KS/s的采样率同时对16通道进行实时硬盘记录

最大2Gpts(2GW) 内存

8个槽位，可以从15种模块中选择8个可插拔模块安装于DL850 电压，温度，应力，加速度，频率，逻辑不CAN模块

通道间绝缘隔离，抗共模噪声

DL 850


701260 高电压输入模块 -DL850推荐使用模块

高电压, 100KS/s, 16位 A/D 绝缘模块输入通道: 2

绝缘非平衡输入通道

采样率: 100KS/s

A/D 分辨率: 16位

最大输入电压使用700929 10:1 探头: 1000V

直接输入: 850V

垂直（电压）轴精度 DC 精度: +/-(0.25% of 10div)


Hitec® 电流传感器 - 第三方产品

MACCplus 参数指标

电流输出型

输入范围 DC ±600A (±850Apk)

输入范围 AC ±850Apk (600Arms)

变比 1000:1

精度 DC 0.005% 读数 + 0.002% 量程

精度 AC 0.010% 读数 + 0.002% 量程

电压输出型

输入范围 DC ±100, 200 或500A

输入范围 AC ±70, 140 或350Arms

变比 10, 20 或 50A/V

输出电压 12Vmax （≥2kΩ 负载）

精度 DC 0.020% 读数 + 0.005% 量程

精度 AC 0.025% 读数 + 0.005% 量程

通用指标

带宽 DC … 100kHz (-3dB) 其他电流传感器转换成电压输出后，也可以在系统中使用，例如 Yokogawa CT60, CT200, 等

横河解决方案的特点



特点

满足最新并网发电机标准的测试要求

IEC61400-21

FGW TR3/BDEW

即将提供对VDE 0124-100 /VDE-AR-N4105 的支持，未来会支持更多…

提高标准测试的效率

测量结果的趋势可以实时观测

统计结果可以自劢计算并归类

可以生成可定制测试报告并以csv格式导出所有原始数据

高测量精度

WT3000测量谐波，间谐波，功率等参数

带有16位A/D高压模块的DL850 测量低电压穿越不高频谐波


联系信息

如有任何问题及建议请提交至：

上海横河国际贸易有限公司

网址：http://tmi.yokogawa.com/cn

邮箱：[email protected]

上海总部：

电话：021-62396363 传真：021-68804987

北京分公司：

电话：010-85221699 传真：010-8521677

广州分公司：

电话：020-28849908 传真：020-28849937

深圳分公司：

电话：0755-83734453 传真：0755-83734457

http://tmi.yokogawa.com/cn

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

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