埃及8 kW光伏系统电能质量评估

×可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）217埃及8 kW并网光伏系统的实验评估A. Elkholya，P.，F. H. 去吧，戒酒会。放大图片作者：Abou El-Elab， Abd El-ShafyA.Nafeha， S.R. 斯佩阿ba埃及吉萨电子研究所光电电池部b埃及梅努菲亚大学工程学院电气工程系接收日期：2015年5月17日;接收日期：2015年9月19日;接受日期：2015年10月19日2016年8月2日在线发布摘要对安装在埃及吉萨电子研究所（ERI）（北纬30.04度，东经31.21度）的8 kW并网光伏（PV）系统进行了实验观测研究。这项研究包括发电和注入网络的电力质量。所考虑的系统由28个295 Wp多晶硅光伏组件组成StecaGrid三相8 kW并网逆变器和Solar-Log 300 PM+用于数据采集和远程监控。利用CA8335电能质量分析仪对逆变器输出侧的电能质量参数进行了测量。该系统于2014年 8月安装，到2015年2月发电量为5.7兆瓦时该系统产生的电力直接注入电网，无需存储设备。本文的目的是提出和评估的测量的电能质量参数从光伏网站。此外，本文提出了一个全面的评价系统的性能超过一个星期的时间。对采集到的数据进行观测和分析利用，可以帮助评估并网光伏系统的性能。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：并网光伏系统性能;光伏系统监测;电能质量;逆变器效率1. 介绍在电力系统中，光伏发电系统逆变器的参数选择对于评估光伏发电系统的效率和电能质量的改善是非常重要的。光伏技术提供了一种有吸引力的发电方法，符合清洁能源和可持续性的标准（Roscia和Zaninelli，2002年;Tomita，2005年;Heskes和Eslin，2003年;Barker，2004年）。先进的研究仍在进行中，以提高光伏电池的效率，并通过最大限度地减少电力损失和更好地利用入射光来优化能源生产。*通讯作者。电子邮件地址：elkholy. gmail.com（A. Elkholy）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.10.0042314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。218A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217±太阳辐照度（Patsalides等人，2007年）。光伏系统的效率和正常运行取决于许多因素。 环境条件以及系统设计构成了PV系统运行中最重要的因素，并且这些因素可能对整个系统的效率和电能质量响应具有显著影响（Patsalides等人，2007;Aktas等人，2013;Drews等人，2008年）。由于太阳辐照度、温度和功率半导体器件的选择的波动而引起的可变功率流是影响并网光伏系统的电能质量的一些参数良好的电力质量转化为从光伏系统 获得正弦电压 和电流输出;为了避免 谐波、间谐波 和最终的电压失 真（Patsalides等人，2007;Balcells等人， 2004年）。光伏系统在配电系统中的安装量预计将增长，并且可以与主要来源提供的电力相媲美。因此，PV系统可能对重要的技术方面产生严重后果，例如公用事业公司向客户提供的电力质量、电力控制、公用事业公司保护方案和PV系统的孤岛运行实际上，当输出大于额定值的10%时，公用事业法规规定PV系统应当以大于0.85（超前或滞后）的功率因数操作（Drews等人，2008; Balcells等人，2004; Bouchakour等人， 2012年）。根据国家电能质量标准，最大并网频率偏差设定为0.49 Hz。孤岛检测偏移频率也在该范围内（Hussin等人，2013年）。因此，由PV并网系统的大量渗透引起的电力质量成为重要问题（Bouchakour等人， 2012年）。光伏并网系统的主要目标是产生尽可能多的能量。因此，光伏系统的能量产生是判断这些系统的效率的参数本文的目的是提出和评估的基础上，从光伏并网系统站点获得的电能质量量的测量。在逆变器输出侧测量的电能质量参数包括视在功率、有功功率和无功功率、电流、电压和功率因数。在一周的时间内，还测量了电压和电流的总谐波失真（THD）测量结果的分析揭示了注入网络的电能质量和太阳辐照度之间的良好关系。此外，本文提出了一个综合评价的性能和效率的系统在一个星期的时间2. 并网光伏系统描述在埃及吉萨电子研究所（ERI）光伏电池部门的支持下，组装了8.25 kW峰值（KWp）并网光伏发电系统。安装在屋顶上的PV板的端子可用于在实验室中连接三相8 kW并网逆变器的直流侧该系统被设计成将产生的电力直接注入电网（Elkholy等人，2014年）。所考虑的系统由3个主要部分，即太阳能光伏发电板，并网逆变器和监控系统。2.1. 太阳能光伏发电并网光伏系统包括28个多晶硅组件，总面积为54平方米，装机容量为8.25千瓦。该系统由两个子阵列组成，每个子阵列由14个模块串联而成。图1显示了本研究中涉及的光伏发电板的照片。每个光伏组件的规格总结见表1。PV子阵列的标称功率约为4.13 kWp，标称电压为630 Vdc。表1标准测试条件（STC）下的光伏组件规格。天合光能光伏组件TSM-295 PC 14峰值功率（Pmax）小行星295最大电源电压（Vmp）36.6伏最大功率电流（Imp）8.07 A开路电压（Voc）45.2伏短路电流（Isc）8.55安培组件效率（ηm）百分之十五点二A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217219Fig. 1.安装在ERI场地屋顶的光伏阵列照片。2.2. 并网逆变器太阳能光伏发电板的输出端子连接到StecaGrid 8000+ 3ph并网逆变器。该逆变器全天开启，并自动与电网同步。如果电网有问题，如关闭或异常问题，逆变器停止其操作，以确保操作员的安全（Aktas等人，2013年）。表2显示了StecaGrid 8000+ 3ph并网逆变器的参数。通过变频器的测量功能 图图2显示了所考虑的逆变器的照片。该逆变器在其屏幕上显示光伏系统传输到电网的功率、系统电压、白天产生的能量和总运行时间等。表2并网逆变器规格。直流侧（光伏发电机连接）最大输入电压（VDCmax）845伏额定输入电压(350–600)交流输出侧（电网连接）额定输出电压380 V额定输出电流11.6 A额定输出功率8000瓦最大视在功率（cosφ = 0.90）小行星9780电网频率47.5功率因数0.90（超前-滞后）最大效率百分之九十六点三220A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217图二.所考虑的逆变器的照片。由于阵列电压和电流根据天气条件变化很大，因此逆变器需要移动其工作点以实现最佳功能。为了向电网提供最大功率，逆变器必须工作在光伏阵列的最大功率点（MPP）MPP跟踪器确保逆变器被调整到MPP点，并将最大可能的功率馈送到主电网。A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217221图三.照片为所用的监控和数据采集系统。2.3. 监测和数据采集系统图3示出了所使用的监测和数据采集系统的照片。如图所示，它由电能质量分析仪CA 9335和Solar-Log300（WiFi和PM+电源管理）组成。所有实时（电力和气象）数据都记录在该监测系统中。并网逆变器通过RS485接口与Solar-Log连接Solar-Log可以通过网络连接访问互联网。传感器盒使用RS485接口连接到Solar-Log。此传感器箱用于记录所有传感器产生的气象数据，如太阳辐照度、环境温度、模块温度和风速。传感器盒被安装成与所使用的PV模块具有相同的对准和倾斜度（Hussin等人，2012年）。3. 单线图8 kW光伏阵列分为两个串，平均光伏输出电压为500 V。两个串的输出通过DC断路器汇集在阵列接线盒电涌保护器集成在系统中，用于瞬态保护和直流断路开关。阵列的输出被带到控制室，在控制室中，DC功率被馈送到功率调节单元。8 kW SecaGrid逆变器包括滤波器、最大功率点跟踪和控制单元，用于将DC PV电源转换为380 V、50 Hz的AC电源（三相四线），并将其与电网同步。逆变器的输出电压和频率在其正常操作期间可以跟随电网电压和一个单一的线路图的设置并网系统所示的图。 四、 如图所示，光伏电能质量监测系统设置在电能质量分析仪CA8335周围。这款分析仪被设计为适用于整个电力电子和网络分析领域的通用仪表它可用于所有电力电子应用、系统测试和质量保证。它可用于测量电机，222A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217=见图4。光伏并网系统单线图。变压器、常规和开关电源装置。使用1 s步长收集监测结果。记录的数据每5分钟导出一次并取平均值，并存储在硬盘中以供分析和评估。4. 业绩分析方法测量以下参数：位于控制室的太阳能记录仪记录的电气参数包括DC/AC电压、电流、功率和能量产生。此外，气象参数，如入射的全球辐照度在阵列平面和模块温度通过单晶传感器盒和环境温度使用PT1000。监测的参数见表3。所有参数的瞬时值通过将相应的能量值（产率和损失）归一化到记录时间段来计算，在该记录时间段内记录的样本已经被平均。从物理上讲，它们是记录期间的平均值，近似于瞬时值。记录周期越短，近似值越好在实践中，这些数据通常被视为瞬时值，并且它们反映辐照度和功率而不是辐照或能量（Woyte等人， 2014年）。太阳能逆变器的效率可以通过两种方式定义。第一种方法是基于从PV发电机输送到逆变器的电DC功率（PDC）和从逆变器获得的AC功率（PAC）的值。瞬时逆变器效率（ηinv）定义为输出功率与输入功率之比（Piotrowicz和Maranda，2013）：ηinvPACPDC光伏阵列效率（ηPV）计算如下：PDCηPV=G×A（一）（二）表3监控系统参数。气象测量直流电流（A），直流电压（V）辐照度，G（W/m2）直流电源，Pdc（W）太阳辐射（kWh/m2）输出能量，EA（kWh）Ambient temperature，Ta（oC）AC有功功率，Pac（W）模块温度，Tc（oC）无功功率（var）功率因数输出均方根电压（V）和电流（A）输出总谐波失真电压和电流（%）一A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217223、、其中，Aa是PV阵列的总有效面积，m2。G为总面内辐照度，kW/m2。Woyte等人给出了瞬时参考产额（γr），即总辐照度（G（kW/m 2））与参考辐照度（Gstc= 1 kW/m 2）之比。（2014年）：Gyr=Gstc（3）同时，瞬时阵列产率（yA）是光伏阵列输出功率（PDC）与所安装光伏阵列的峰值功率（Pmax，stc）的比值（Kymakis等人， 2009年）。PDCyA=Pmax stc（四）瞬时最终产率（yf），即光伏系统净输出功率与已安装光伏阵列峰值功率（Pmax，stc）的比值。瞬时最终产率可以如下计算（Hussin等人， 2013年）;PACyf=Pmax stc（五）100080060040020002019 - 06 - 18 00：时间[h：mm](a) 太阳辐照度800060004000200002019 - 06 - 18 00：时间e [h：mm](b) 有源电力1.00250.9970.99150.9860.98050.9752019 - 06 - 18 00：时间e [h：mm](c) 功率因数32.521.510.502019 - 06 - 18 00：时间e [h：m m](e)电压总谐波失真率3000-300-600-900-1200403020100六点半时间e [h：m m](d) 无功功率2019 - 05 - 16 00：00：00 00：00时间[h：mm](f)电流THD六点八点11：18 13：42 16：06 18：30功率因数电压THD（%）太阳辐射率（W/m²）无功功率（无功）有功功率（W）电流THD（%）224A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217图五.晴天的电能质量测量（2015年2月5日）。A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217225性能比率用于评估光伏安装的质量，并按日、月和年进行广泛报告瞬时性能比（Pr）以百分比表示以描述PV系统输出的总损耗，并且可以由以下等式定义为（Hussin等人，2013年）;yfpr=yr（六）、5. 结果和讨论5.1. 8 kW系统输出的电能质量电能质量参数测量的输出安装的光伏系统在所考虑的网站和相关的太阳辐照度数据，从同一网站获得记录的电能质量参数包括视在功率、有功功率、无功功率、电压和电流。在一周的时间内测量了电压和电流的功率因数和总谐波失真。还测量了测试期间入射在PV模块上的太阳辐照度。从一周的测量数据中提取了“晴天”和“阴天”两种情况第一个检查的情况是晴天：2015年2月晴天的太阳辐照度测量的典型示例如图所示。 5（a）. 系统产生的有功功率（图（5）强依赖性100080060040020002019 - 06 - 18 00：时间[h：mm](a) 太阳辐照度。1.015800060004000200002019 - 06 - 18 00：时间[h：mm](b) 有效功率。30000.9950.9750.9550.9350.9152019 - 06 - 18 00：时间[h：mm](c) 功率因数。第六章：-300-600-900-12000时间e [h：mm](d) 无功功率。32.521.510.502019 - 06 - 18 00：时间[h：mm](e) 电压THD4030201002019 - 06 - 18 00：时间e [h：mm](f) 当前THD。见图6。阴天的电能质量测量（2015年2月11日）。功率因数太阳辐射率（W/m²）电压THD（%）有功功率（W）无功功率（无功）30八点五十四分十一点十八分十三点四十二分16点06分十八比三电流THD（%）226A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）2172.521.510.500 200 400 600 800 1000太阳辐射（w /m2）(a) 电压THD与太阳辐照度4030201000 200 400 600 800 1000太阳辐射（w /m2）(b) 电流THD与太阳辐照度800060004000200000 200 400 600 800 1000太阳辐射（w /m2）(c) 有功功率与太阳辐照度--太阳辐射（w/m2）(d) 无功功率与太阳辐照度1.210.80.60.40.200 200 400 600 800 1000太阳辐射（w/m2）(e) 功率因数与太阳辐照度1210864200 200 400 600 800 1000太阳辐射（w /m2）(f) RMS电流与太阳辐照度见图7。电能质量测量与太阳辐照度。太阳辐照度。太阳辐照度的波动会导致供应给配电网的有功功率的波动。假设连接到配电网的光伏系统的密度高，则系统的不可预测的响应对于已经在峰值需求时间调度负载的能量生产者来说可能是麻烦的。如图5（d）所示，无功功率取决于逆变器的有功功率，将功率因数保持在可接受的水平，如图5（d）所示。 5（c）这反过来又受到太阳辐照度的影响。逆变器从然而，当有功功率大于Pnom的50%时，根据德国电网规范（VDE AR N4105和VDE 0126-1-1），其消耗高值的无功功率日峰值功率为6 kWp的光伏系统消耗的峰值无功功率这是由于所用逆变器中的无功功率的集成控制。其中，现代智能逆变器设计现在开始考虑无功功率控制问题，根据系统参数和配电网的需求提供更好的补偿电压和电流THD分别在图5（e）和（f）中示出。可以看出，电压THD在1- 2.5%内，而电流THD在日出和日落的低太阳辐照度条件下显著增加，在某些情况下达到25%的值。第二个检查的情况下是阴天：电能质量量的测量和结果在图。 六、 低太阳辐照度会显著影响光伏系统的输出，如图所示。第6（a）段。 发电量（图） 6（b））变得可比无功功率消耗（图。 6（d））。的结果200-2002004006008001000-60010001400电压THD（%）有功功率（W）无功功率（var）Irms（A）电流THD（%）A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217227无功功率（var）1000800600400200002505007501000125015001750 2000时间（5分钟间隔）10008006004002000025050075010001250150017502000时间（5分钟间隔）10.980.960.940.92（a）太阳辐照度。（b）有功功率。4000-400-800-1200025050075010001250150017502000- 1600时间（间隔5米）时间e（间隔5 m）（c）功率因数。（d）无功功率。504030201000 288 576 864 1152 1440 17282016时间（5分钟间隔）(e) 模块温度。1.210.80.60.40.200 288 576 864 1152 1440 1728 2016蒂姆·E（5分钟间隔）(f) 业绩比率。见图8。一周（2015年2月5日至11日）的基本监测数据功率因数在一天中的大部分时间内是可以接受的，但也可以观察到，在低太阳辐照度期间，功率因数低于可接受的限值，如图所示。 6（c）. 该系统在一天的大部分时间内向配电网注入良好的电能质量，并注意到功率因数的变化引起太阳辐射的变化 图图6（e）示出了电压THD不超过2%。然而，在低太阳辐射条件下，系统向配电网注入高失真电流，如图所示。 6（f）.最后检查的情况下，是与瞬时太阳辐照度，在一个星期内测量的电能质量量 这些结果如图所示。7.第一次会议。 电压和电流总谐波失真如图所示。 7（a）和（b）。在系统输出端测得的电压THD与太阳辐照度的波动关系不大（图7（a））。另一方面，电流谐波对入射辐射的变化非常敏感。这些结果证实，高谐波含量发生在低太阳辐射值（图7（b））。如图所示，电压THD在0.7- 2.5%的范围内，证实了电压精确控制机制的存在。同时，当前THD被指示具有大范围的值（从2%到38%）。输送到配电网的有功功率随入射到光伏组件上的太阳辐照度的变化而线性变化，如图7（c）所示。相比之下，消耗的无功功率取决于太阳辐照度，其具有超过700 W/m 2的更高值，因为所使用的逆变器根据德国电网规范工作（图1）。 7（d））。最后，功率因数的行为，由于太阳辐照度的变化显示在图。 7（e）. 功率因数的太阳辐照度值低于100 W/m2的线性行为，而保持接近统一的较高0 250 500 7501000125015001750 2000太阳辐射（w/m2）功率因数模块温度（oC）AC Power（w/Kwp）性能比（pr）228A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217100080060040020000 200 400 600 800 1000直流功率（W/kWp）(a) 最终产量与阵列产量120804000 200 400 600 800 1000太阳辐射（w/m2）(b) 逆变器效率60504030201000 200 400 600 8001000太阳辐射（w/m2）(c) 模块温度。4030201000 200 400 600 800 1000太阳辐射（w/m2）(d) 环境温度1.210.80.60.40.200 200 400 600 8001000太阳辐射（w /m2）60050040030020010000 10 20 30 40 50 60模块温度（摄氏度）(e) 阵列性能（ya）（f）模块温度与直流电压见图9。使用5分钟数据集的监测数据的选定关系。价值观RMS电流如图7（f）所示，该图证实了在系统输出端测得的RMS电流随太阳辐射的变化呈线性变化。5.2. 系统的性能分析和效率快速获得第一次洞察的最直接的方法是简单地将记录的数据可视化为时间的函数。一周时间序列中的各个日期如图8所示。仍然可以区分为每个“邮票图”，例如，它可以很容易地识别最后一天低得多的辐照度和模块温度，如图所示。图8（a）、（b）和（d）显示了所考虑的逆变器在一周内的有功和无功功率流。此外，图8（c）示出了所考虑的一周内的功率因数。当观察pr的详细形状时（图8（f）），与其他几天相比，第三天也可以识别出不同的形状，其形成像“峰”而不是“浴缸”。这种众所周知的“浴缸管”形状的pr在一整天，这是由于模块温度的增加。在负温度系数下，模块温度的增加导致pr的降低因此，在模块温度较高的日子里，pr的AC功率（W/kWp）模块温度（oC）逆变器效率Ambient Temberature（oC）DC Voltage（V）A. Elkholy等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）217229与辐照强度明显相关：显然，与低辐照强度相比，高辐照强度下的模块将更温暖由于许多监测参数彼此相关，很明显，与仅随时间绘制数据相比，二维笛卡尔坐标中两个参数的散点图可以揭示更多信息，如图9所示。第一印模（图9（a））描绘了最终产率对阵列产率。所考虑的测量周期的逆变器效率如图所示。 9（b）. 最大逆变器效率的最佳结果跟踪约94%。然而，StecaGrid逆变器在某些条件下不能以优异的性能运行，如绘制的图上事件的几个分散数据点所示。这种不健康的情况发生在冬季和低太阳辐射值。图图9（c）显示了模块温度与辐照强度和环境温度的关系（图9）。在图9（d）和图9（e）中，阵列效率pr被绘制为照射强度的函数。最后，图9（f）解释了工作直流电压和模块温度。光伏阵列直流电压与组件温度成反比关系，由于温度系数的影响，光伏阵列直流电压略有下降。除此之外，工作直流电压的数据点在输入逆变器MPP电压限制的允许窗口电压范围内安全运行。逆变器的最大允许电压范围在350 ~ 600 V之间，最大输入直流电压约为845 V。6. 结论已经提出了从安装在埃及的光伏并网系统获得的电能质量观测结果从测试中的光伏阵列的测量进行了分析和评估，以观察太阳辐照度的光伏并网系统在测试中的操作的整体效果。两种不同的情况下的结果被认为是，即已经发现，低太阳辐照度对PV系统的输出的功率质量对于视觉分析，当在二维笛卡尔坐标中描绘两个测量或导出的参数的散点图时，已经揭示了许多信息这样的随着光伏组件和光伏阵列输出在光伏系统的寿命期间对系统性能的降低，设计者或规划者必须小心地保持操作阵列直流电压在所选逆变器的范围内匹配这引用Aktas，Ahmet，Ozdemir，Engin，Karakaya，Abdulhakim，Ucar，Mehmet，2013. 瑞典大学太阳能光伏并网发电系统的运行与性能。J.Optectron。Adv. 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