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摘要：基于欧盟和北美光伏储能产业的发展现状、相关政策和技术规范，从安规、电磁兼容、并网三个方面分析了欧盟和北美两大市场对于并网型光伏储能逆变器的技术要求和差异。为并网型光伏储能逆变器获取上述市场准入提供技术指导和依据。
关键词：光伏储能逆变器；安规；电磁兼容；并网
1、概述
1.1 引言
近年来，为了应对能源危机和环境污染等问题，全球各国均大力发展可再生能源发电。其中，欧盟和美国相继制定政策和规划，计划到2020年可再生能源发电占到总发电量的20%以上。光伏发电是目前发展最成熟、应用最广泛的可再生能源发电方式，对节能减排、减少化石能源消耗等方面起到积极有效的社会效益。但是，由于光伏发电受气象因素的影响较大，具有间歇性和随机波动性，导致输出功率不稳定，给电网及负荷带来巨大的负面影响。为了减少光伏发电的不确定性对电力系统造成的影响，各国纷纷通过设计储能系统的方式平抑可再生能源发电的功率波动，同时借助储能系统对电网进行支撑，强化电网供电的可靠性和安全性。
1.2光伏储能逆变器
根据储能形式的不同，可以将目前的储能系统分为五种：机械储能、化学储能、电化学储能、电气储能和热储能。电池储能技术属于电化学储能，是发展最早，应用最广，技术最成熟的储能技术。光伏储能逆变器是双向逆变器，功率可以通过逆变器双向流动。其主要功能和作用是包含两个方面，一方面是实现光伏电能转换，将光伏组件的输出电能转换给可直接利用的电能，输送至电网或者存储在蓄电池组中；另一方面是实现交流电网电能和储能电池电能之间的能量双向传递。这种逆变器不仅可以快速有效地实现平抑分布式发电系统随机电能或潮流的波动，提高电网对大规模可再生能源发电（风电、光伏）的接纳能力，且可以接受调度指令，吸纳或补充电网的峰谷电能，及提供无功功率，以提高电网的供电质量和经济效益[1]。光伏储能逆变器的拓扑见图1。
1.3 欧盟和北美针对光伏储能逆变器的技术规范
近年来，各国纷纷制订、修订了可再生能源利用的方针、政策和技术规范，进而引导可再生能源发电的发展方向，促进可再生能源利用技术的进步，确保产品的可靠性和安全性。但是由于行业发展规划、电网特性、技术路线等方面的不同，导致了各国和地区之间的政策和技术规范存在较大差异。这为可再生能源发电产品的制造商带来非常大的困扰，不得不花费大量的人力和时间来研究这其中的差异，然后才能有针对性的设计产品。为了解决这个问题，本文针对欧盟和北美两大市场，对光伏储能逆变器的技术差异进行阐述和对比，包含安规、电磁兼容、并网等几个主要方面。
2、安规要求和差异
2.1 欧盟关于光伏储能逆变器的安规要求
欧盟目前要求直流1500V以下、交流1000V以下的光伏储能逆变器在安规方面均需满足EN62109-1、EN62109-2和EN62477-1。这三份标准分别源自国际电工委员会（IEC）发布的IEC62109-1、IEC62109-2和IEC62477-1。上述标准分别对产品的结构、型式试验、技术文档和标识作出了详细的要求，以确保人、环境和财产避免触电、能量危害、机械危害、热危害、起火、化学危害、液体危害、噪声和爆炸等多方面潜在危害。
2.1.1 防止触电
为了实现防触电，将回路电压分为DVC A、DVC B、DVC C三个电压等级，见表1。
其中DVC A回路不会引起触电的，属于安全回路，可以接触；DVC B回路和DVC C回路均会引起触电，属于不安全回路，不可以接触。对于DVC A回路，为了确保其在正常工作和单一故障情况下均不引起触电，其与DVC B和DVC C回路应采用电气保护隔离。电气保护隔离包括加强绝缘、双重绝缘、限电流回路等实现方式。对于DVC B和DVC C回路，为了确保不引起触电，其与接地的导体之间应满足基本绝缘；与可接触但未接地的导体应采用电气保护隔离，即满足加强绝缘或双重绝缘；DVC B和DVC C回路之间应满足基本绝缘。不同电压等级回路之间的隔离要求见表2。
2.1.2 防止能量危害
为了防止能量伤害，应对以下两种情况采取防护措施：电压不低于2V，且能持续60秒输出能量超过240VA；电压不低于2V，且存储能量超过20J的电容。
2.1.3 防止机械伤害
应从以下几个方面防止机械伤害：可移动部件不得对操作人员和维护人员造成伤害；未固定到建筑物的设备及其部件应保持稳定；用于搬用的部件应能够承受自身重量的四倍重量；壁挂式设备的安装支架应能承受自身重量的四倍重量。
2.1.4 防止起火
应从四个方面防止起火：（1）选择合适的器件、导线和材料，必要时使用防火外壳；（2）通过测试，确认设备在单一故障情况下不会发生起火或者温度过高；（3）采用限功率电路；（4）确认设备在短路或过流情况下不发生起火或温度过高。
2.1.5 防止噪声
对于噪声高于80dBA的设备，需要提供降低噪声的措施，并增加警示标识。
2.1.6 防止液体危害
对于含有液体的设备，应确保其在正常工作及单一故障情况下，不能发生液体泄漏，且流体压力不能超过部件的最大工作压力。
2.1.7 防止化学危害
应采取措施确保在正常工作及单一故障情况下，设备不能产生化学危害。
2.2 北美关于光伏储能逆变器的安规要求
北美目前要求光伏储能逆变器在安规方面符合UL 9540，UL 1741 [5]和C22.2 No.107.1-16。这三份标准分别由美国的UNDERWRITERS LABORATORIES（简称UL）和加拿大的CSA Group发布。上述标准均对产品的结构、型式试验、技术文档和标识作出了详细的要求，包含机械安全、防止触电、防止能量伤害、零部件和材料要求、电气连接、型式试验、例行试验、技术文档等多个方面。
2.2.1 机械安全
机械安全方面主要要求光伏储能逆变器不会对人体造成机械伤害，涉及以下几个方面：外壳要求：包括防护等级、材质、尺寸、厚度、防腐等方面；设备安装；元器件装配；可移动部件的防护。
2.2.2 防止触电
与欧盟的要求不同，北美按照设备的应用场合，对可导致触电的危险电压进行分类，见表3.
防止触电的要求包括：防止直接接触危险带电体；不同回路之间采用隔离措施；可接触的金属部件采用接地或保护连接等措施；合理的电气间隙和爬电距离。
其中，在电气间隙和爬电距离方面，北美的要求相对较高，实现上难度较大，所以一般会采用UL 840的要求来替代UL 1741的要求，在确保足够安全距离的基础上降低设计难度。但是危险带电体与金属外壳的距离至少12.7mm以上。
2.2.3 防止能量伤害
北美将高于20J的能量都视为危险能量，需要加以防护。
2.2.4 零部件和材料要求
北美对零部件和材料的要求非常高，要求涉及安全的主要零部件和材料均需要满足相关标准要求，除此之外，标准还根据应用特点，对材料和涉及安全的主要零部件进一步提出了明确的技术要求。零部件主要包括：（1）开关和控制装置，其电压和电流需满足应用要求；（2）断路器，应能断开回路中所有非接地导体；（3）插座；（4）电容，不同类型的电容应满足相应的标准要求；（5）变压器，内部使用和外部指定的隔离变压器应满足相应的标准要求；（6）内部导线，要求包括其线径、绝缘层的材质和厚度等。
材料要求主要包括：（1）外壳，外壳材料要求与其材质、尺寸、厚度等特性密切相关；（2）绝缘材料，包括绝缘特性、热特性、阻燃特性等；（3）PCB的阻燃特性等。
2.2.5 直流接地故障检测/分断（GFDI）功能
北美要求隔离型逆变器或充电器必须具备GFDI功能，即能够在系统出现接地故障时检测和分断故障电流。不同功率的设备所允许的最大故障电流是不同的，见表4。
3、电磁兼容要求和差异
3.1 欧盟关于光伏储能逆变器的电磁兼容要求
欧盟要求光伏储能逆变器符合EN 61000系列标准的要求。其中，家庭储能系统需要符合EN 61000-6-1和EN 61000-6-3，商用储能系统则需要符合EN 61000-6-2和EN 61000-6-4。上述标准分别源自国际电工委员会（IEC）发布的IEC 61000-6-1、IEC 61000-6-2、IEC 61000-6-3、IEC 61000-6-4。
3.2 北美关于光伏储能逆变器的电磁兼容要求
北美要求光伏储能逆变器具备防止电磁干扰的能力，符合标准IEEE Std C37.90.2-2004的相关要求。同时还要求光伏储能逆变器具备浪涌耐受能力，需满足IEEE Std C62.45-2002、IEEE Std C62.41.2-2002以及IEEE Std C37.90.1-2002的相关要求。
4、并网要求和差异
4.1 欧盟关于光伏储能逆变器的并网要求
与安规和电磁兼容两方面不同，欧盟各国在光伏储能逆变器的并网要求存在较大差异。这主要是由于欧盟各国在电网特性、输配电设施、新能源发电所占比重等方面存在较大差异。
以德国为例，其光伏储能逆变器并网标准是 VDE-AR-N 4105和FGW Technical Guidelines，前者是针对低压配电网的并网要求，后者是中压配电网的并网要求。两个标准均从电网保护、电能质量、电网支撑三个方面对并网设备提出了相应的技术要求。电网保护方面包括过电压保护、欠电压保护、过频保护、欠频保护、孤岛保护等。电能质量方面包括电流谐波成分、直流分量、电压闪烁等。电网支撑方面包括过频降载、无功调节等，其中FGW Technical Guidelines还要求中压并网设备具备低电压穿越功能，即在电网电压瞬时跌落时，保持与电网的连接，并向电网输出无功功率。
4.2北美关于光伏储能逆变器的并网要求
北美对于光伏储能逆变器的并网要求主要来自于IEEE Std 1547、IEEE Std 1547a和UL 1741 SA。与德国并网类似，北美也是从电网保护、电能质量、电网支撑三个方面对并网设备提出了相应的技术要求。在电网保护和电能质量两方面，北美各地的要求基本一致。但是各州在电网支撑方面的要求差异相对较大，其主要原因是各州在能源构成成分和输配电网络等方面差异较大。UL 1741 SA提出在电网支撑方面可依据电网公司的技术规范进行设计和评估。以美国加州为例，该州三大电力公司联合制订了Rule 21[7]并网要求，要求接入加州电网的光伏储能逆变器均需符合该标准。Rule 21对并网设备的电网支撑能力做了明确且详细的描述，要求并网设备在电网过压、欠压、过频、欠频情况下均能提供一定时间的支撑功能，表5列举了其关于频率穿越和断开的设置要求。
5、小结
通过上述的分析和比较，我们可以看出，无论是安规、电磁兼容还是并网方面，欧盟和北美关于光伏储能逆变器的技术要求均存在较大差异。这导致了两个市场上销售的光伏储能逆变器在硬件和软件方面均有所不同。因此，在设计开发面向不同市场的产品时，制造商应优先研究目标市场的技术要求，有针对性的开发产品，以便顺利获取产品的市场准入。
参考文献：
[1] 刘建涛，张建成，马杰等.储能技术在光伏并网发电系统中的应用分析[J].电网与清洁能源，2011，07：62-66.
[2] 曾杰.可再生能源发电与微网中储能系统的构建与控制研究[D].华中科技大学，2009.
论文作者:董斌,李卫春
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/18
标签：逆变器论文; 储能论文; 电网论文; 光伏论文; 北美论文; 回路论文; 欧盟论文; 《电力设备》2017年第8期论文;