"ГОСТ Р МЭК 61683-2013. Национальный стандарт Российской Федерации. Системы фотоэлектрические. Источники стабилизированного питания. Методы определения эффективности"
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 08.11.2013 N 1374-ст)

1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении" (ВНИИНМАШ) на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 039 "Энергосбережение, энергетическая эффективность, энергоменеджмент"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 ноября 2013 г. N 1374-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту МЭК 61683:1999 "Системы фотоэлектрические. Источники стабилизированного питания. Методика измерения эффективности" (IEC 61683:1999 "Photovoltaic systems - Power conditioners - Procedure for measuring efficiency").

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им ссылочные национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Настоящий стандарт представляет собой общее руководство по определению эффективности источников стабилизированного питания, используемых в автономных и работающих совместно с электрическими сетями фотоэлектрических системах (далее - системы), где на выходе источника стабилизированного питания - стабильное напряжение переменного тока постоянной частоты или стабильное напряжение постоянного тока. Коэффициент полезного действия (далее - КПД) вычисляют с помощью непосредственного измерения входной и выходной мощности системы. При необходимости может быть использован разделительный трансформатор.

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующий стандарт:

МЭК 60146-1-1:1991 Преобразователи полупроводниковые. Общие требования и линейные коллекторные преобразователи. Часть 1-1. Технические условия на основные требования (IEC 60146-1-1:1991, Semiconductor converters - General requirements and line commutated converters - Part 1-1: Specification of basic requirements)

В настоящем стандарте применены следующие термины и определения. Все определения эффективности относятся только к преобразованиям электроэнергии и не учитывают тепловую составляющую. Вышеуказанные нормативные ссылки могут содержать другие определения.

Определение источника стабилизированного питания приведено в приложении A.

Определения выхода по энергии и переводного коэффициента пояснены в приложении B.

3.1 КПД для полной мощности (rated output efficiency): Отношение выходной мощности к входной мощности, когда источник стабилизированного питания работает с номинальной мощностью.

3.2 КПД для частичной мощности (partial output efficiency): Отношение выходной мощности к входной мощности, когда источник стабилизированного питания работает с мощностью ниже расчетной.

3.3 энергетическая отдача (energy efficiency): Отношение выходной энергии к входной во время определенного периода.

3.4 допустимые границы КПД (efficiency tolerance): Допустимая разница между КПД, указанным производителем, и измеренным КПД.

3.5 имитатор фотоэлектрической установки (PV array simulator): Имитатор с такими же вольт-амперными характеристиками, как и у фотоэлектрической установки (далее - установка).

3.6 потери при отключенной нагрузке (no-load loss): Мощность на входе источника стабилизированного питания, когда его нагрузка отключена или когда его выходная мощность равна нулю.

3.7 потери холостого хода (standby loss): Для работающего совместно с сетью источника стабилизированного питания - это мощность, забираемая из электросети, когда источник стабилизированного питания находится в ждущем режиме.

Для автономного источника стабилизированного питания - это входная мощность постоянного тока, когда источник стабилизированного питания находится в ждущем режиме.

3.8 точка поиска максимальной мощности; ТПММ (maximum power point tracking; MPPT): Технология поддержки входного напряжения источника стабилизированного питания таким образом, чтобы мощность установки всегда имела максимальное или близкое к максимальному значение.

КПД следует измерять при соблюдении совокупности условий в соответствии с описаниями в нижеследующих пунктах и в таблице 1. Некоторые условия допускается не соблюдать по взаимной договоренности, если они находятся за пределами установленных производителем ограничений по эксплуатации. Полученные результаты должны быть представлены в виде таблицы или графика.

Примечание - Например, автономные источники стабилизированного питания, как правило, рассчитаны на кратковременные перегрузки, существенно превышающие величину номинальной мощности. Испытание 120% номинальной мощности проводят для получения данных о работе источника стабилизированного питания в данных условиях. Некоторые источники стабилизированного питания не предназначены для выдачи мощности, превышающей номинальную, и их работа при 120% расчетной мощности может привести к повреждению. В таких случаях в испытательной документации должно быть замечание: данное испытание исключено из-за ограничений источника стабилизированного питания.

Для источников стабилизированного питания, работающих с фиксированным входным напряжением, источником постоянного тока должен служить аккумулятор или бесперебойный источник напряжения для поддержания входного напряжения.

Для источников стабилизированного питания, использующих точку поиска максимальной мощности (далее - ТПММ), и источников стабилизированного питания, относящихся к шунтирующему типу, источником постоянного тока должна служить либо фотоэлектрическая установка, либо это должен быть имитатор фотоэлектрической установки.

Все измерения следует проводить при температуре внешней среды (25 +/- 2) °C. По взаимному соглашению могут быть допустимы другие значения температуры. В этом случае значение принятой температуры должно быть четко указано во всех документах.

Значение выходного напряжения и частоты следует поддерживать в соответствии с указанными производителем номинальными значениями.

Входное напряжение: _________ (+/- ____ В)

Измерения при каждом из следующих испытаний повторяют при трех значениях напряжения источника стабилизированного питания:

a) при минимальном значении указанного производителем номинального входного напряжения;

b) при номинальном напряжении инвертора или среднем значении его номинального входного диапазона;

c) при 90% максимального входного напряжения инвертора.

Если к входу источника стабилизированного питания должна быть подключена батарея, то допускается подавать только номинальное или расчетное входное напряжение.

Фиксируют входное напряжение и пульсацию тока при каждом измерении. Также фиксируют напряжение на выходе и искажение кривой тока (для переменного) или пульсацию (для постоянного). Удостоверяются, что эти значения находятся в пределах, указанных производителем.

Примечание - Значения пульсации и искажений могут не быть определены для низких уровней мощности, однако результаты измерений все равно подлежат записи.

Учитывая обобщенный коэффициент мощности или взятый по отдельности коэффициент мощности подключенных к сети инверторов без регуляции коэффициента мощности, измеряют КПД для уровней мощности 10%, 25%, 50%, 75%, 100% и 120% номинальных значений для инвертора. Для автономных инверторов также проводят измерения при значении мощности 5% номинальной. Испытание источника стабилизированного питания проводят с определенным резистивным и реактивным сопротивлением сети.

Для автономных инверторов КПД измеряют с нагрузкой, обеспечивающей значение коэффициента мощности, равное указанному производителем минимальному значению (или 0,25, в зависимости от того, что больше), и при уровнях мощности 25%, 50% и 100% номинальной. Повторяют измерения для значений коэффициента мощности 0,5 и 0,75 (но не ниже указанного производителем его минимального значения) и уровня мощности 25%, 50% и 100% номинальной.

Для автономных инверторов измеряют КПД с фиксированной нелинейной нагрузкой [общее гармоническое искажение (ОГИ) = (80 +/- 5)%], равной (25 +/- 5)% номинальной мощности инвертора плюс достаточная параллельная резистивная нагрузка для достижения общего значения полной нагрузки 25%, 50% и 100% номинальной мощности. Повторяют измерения с фиксированной нелинейной нагрузкой, равной (50 +/- 5)% номинальной мощности инвертора плюс достаточная параллельная резистивная нагрузка для достижения общего значения полной нагрузки 50% и 100% номинальной мощности. Тип нелинейной нагрузки должен быть четко указан во всех документах.

Если для автономных инверторов указано условие нелинейной и достаточной реактивной нагрузки, измеряют КПД с фиксированной нелинейной нагрузкой [ОГИ = (80 +/- 5)%], равной (50 +/- 5)% номинальной мощности инвертора плюс параллельная достаточная реактивная нагрузка для достижения общего значения полной нагрузки 50% и 100% номинальной мощности. Тип комплексной нагрузки должен быть четко указан во всех документах.

КПД вычисляют из полученных при измерении значений следующим образом:

где - КПД, %;

P_o - номинальная выходная мощность источника стабилизированного питания, кВт;

P_i - мощность на входе источника стабилизированного питания при номинальной выходной мощности, кВт.

Примечание - Любая дополнительная мощность на входе (кВт), например для контрольной системы инвертора, должна быть учтена в P_i в уравнении (1).

Частичную выходную эффективность вычисляют из полученных при измерении значений следующим образом:

где - частичная выходная эффективность, %;

P_op - частичная выходная мощность источника стабилизированного питания, кВт;

P_ip - мощность на входе источника стабилизированного питания при частичной выходной мощности, кВт.

Примечание - Любая дополнительная мощность на входе (кВт), например для контрольной системы инвертора, должна быть учтена в P_i в уравнении (2).

Энергетическая отдача может быть вычислена по полученным при измерении данным по следующей формуле:

где - энергетическая отдача, %;

W_o - энергия на выходе в течение определенного рабочего периода, кВт·ч;

W_i - энергия на входе в течение определенного рабочего периода, кВт·ч.

Примечание 1 - Рабочий период и конфигурацию графика нагрузки определяют по взаимной договоренности между заказчиком и производителем.

Примечание 2 - Некоторая дополнительная энергия на входе (кВт·ч), например для контрольной системы инвертора, должна быть учтена в W_i в уравнении (3).

Примечание 3 - См. приложение C для пояснения понятия средневзвешенной энергетической отдачи , которая может заменять энергетическую отдачу.

Когда значение КПД обусловлено, его допустимые границы должны быть определены при номинальных условиях и соответствовать указанным в таблице 2.

Рисунок 1 демонстрирует рекомендуемые испытательные схемы для источника стабилизированного питания, который имеет однофазный выход переменного тока или выход постоянного тока. Он также может представлять собой однофазный вариант испытательной настройки для многофазового источника стабилизированного питания.

Рисунки 1a и 1b следует относить к автономному и работающему совместно с сетью источникам стабилизированного питания соответственно.

Предлагаемые испытательные схемы на рисунке 1 не относятся к обязательным, однако вместе с описаниями испытаний предназначены для создания основы для взаимного соглашения между заказчиком и производителем. Для всех испытаний должен быть указан источник питания, соответствующий требованиям 4.1.

Метод измерений следующий:

a) КПД вычисляют по формуле (1) или (2) с использованием полученных при измерении значений P_i, P_o или P_ip, P_op. Входная мощность постоянного тока P_i, P_ip может быть измерена ваттметром W₁ или определена путем умножения показаний вольтметра постоянного тока V₁ и амперметра постоянного тока A₁. Выходная мощность P_o, P_op измеряется ваттметром W₂;

b) входное напряжение постоянного тока, которое измеряют вольтметром постоянного тока V₁, должно варьироваться в определенных границах; ток на выходе, измеряемый амперметром A₂, варьируется от низких значений до номинального;

c) для вольтметра и амперметра постоянного тока следует использовать усредняющий шкальный прибор. А для вольтметра и амперметра переменного тока следует использовать среднеквадратичный измерительный прибор. Ваттметр W₁ должен быть рассчитан на работу при постоянном токе. Ваттметр W₂ должен быть рассчитан на работу либо при переменном токе, либо при постоянном в зависимости от его параметров на выходе;

d) коэффициент мощности (в %) может быть измерен фазометром или рассчитан на основе показаний V₂, A₂ и W₂ следующим образом:

e) каждый прибор может быть либо аналогового, либо цифрового типа. Погрешность измерений не должна превышать +/- 0,5% приведенной погрешности для каждого измерения мощности. Для измерения W₁ и W₂ рекомендуются цифровые ваттметры;

f) точка поиска максимальной мощности оперативно регулирует входное напряжение таким образом, чтобы выходная мощность была максимальной. В принципе, контрольное оборудование должно регистрировать значения всех электрических параметров, например входного напряжения и тока, выходной мощности и тока в течение обновляемых периодов ТПММ.

Если ТПММ и источник питания на входе (установка или ее имитатор) взаимодействуют таким образом, что входное напряжение варьируется менее чем на 5%, то допускается осреднение показаний. Период осреднения должен быть не менее 30 с.

Потери при отключенной нагрузке измеряют следующим образом.

Если источник стабилизированного питания относится к автономному типу, показания значений входного напряжения, выходного напряжения и частоты постоянного тока снимают приборами V₁, V₂ и F соответственно на рисунке 1a, и они должны быть приведены к номинальным значениям.

Таким образом, потери при отключенной нагрузке соответствуют показаниям ваттметра W₁ на входе при постоянном токе, когда нагрузка отключена от источника стабилизированного питания.

Если источник стабилизированного питания работает совместно с сетью, показания вольтметра V₁ на входе при постоянном токе, вольтметра V₂ на выходе при переменном токе и частотомера F на рисунке 1b приводят к соответствию определенным значениям напряжения и частоты.

Таким образом, потери при отключенной нагрузке соответствуют показаниям ваттметра W₁ на входе при постоянном токе, когда ваттметр W₂ при переменном токе показывает ноль. Если необходимо, для измерения следует предоставить источнику стабилизированного питания время для перехода к режиму работы без нагрузки.

Потери холостого хода измеряют следующим образом.

Если источник стабилизированного питания относится к работающему совместно с сетью типу, потери холостого хода определяют как потребленную из сети мощность, когда источник стабилизированного питания не работает, а находится в ждущем режиме.

Потери холостого хода определяют по показаниям ваттметра переменного тока W₂ на рисунке 1b при номинальном выходном напряжении переменного тока.

Если источник стабилизированного питания относится к автономному типу, потери холостого хода определяют как потребление мощности из источника постоянного тока, когда источник стабилизированного питания не работает, а находится в ждущем режиме.

Потери холостого хода определяют по показаниям ваттметра постоянного тока W₁ на рисунке 1a (без выходного напряжения переменного или постоянного тока).

На рисунках 1a и 1b приняты следующие обозначения: PC - источник стабилизированного питания; PS - источник питания с изменяемыми значениями напряжения постоянного тока; A₁ - амперметр постоянного тока; A₂ - амперметр постоянного или переменного тока; W₁ - ваттметр постоянного тока; W₂ - ваттметр переменного или постоянного тока; L - нагрузка; F - частотомер напряжение-ток (при постоянном токе); V₁ - вольтметр постоянного тока; V₂ - вольтметр постоянного или переменного тока; PF - фазометр (измеритель коэффициента мощности).

Примечание 1 - При постоянном токе пульсация входного напряжения или тока будет варьироваться в зависимости от внутреннего рассогласования источника постоянного тока и должна определяться взаимным соглашением между заказчиком и производителем. Например, рассогласование может быть выбрано в качестве отношения напряжения к току в рабочей точке на графике вольт-амперной характеристики установки. Когда источник стабилизированного питания включает в себя ТПММ, в качестве источника питания постоянного тока рекомендуется использовать имитатор фотоэлектрической установки.

Примечание 2 - Частотомер F* и измерение коэффициента мощности (фазометр F*) игнорируют в случае постоянного тока на выходе.

Источник стабилизированного питания определяют по МЭК 61277.

Некоторые типы конфигураций систем зависят от их назначения и габаритных размеров. Рисунок A.1 показывает обобщенную конфигурацию системы, предложенной МЭК 61277. На рисунке A.1 источник стабилизированного питания PC находится внутри области, ограниченной пунктирной линией. Источник стабилизированного питания может состоять из одного или нескольких следующих элементов: источника стабилизированного питания постоянного тока, интерфейса d.c/d.c., инвертора, интерфейса a.c./a.c., интерфейса сети переменного тока и части главной подсистемы управления и контроля (MCM). Направления передачи мощности показаны стрелками. Если система имеет подсистему хранения энергии постоянного тока, принимают, что последняя подключена ко входу источника стабилизированного питания параллельно с установкой (см. рисунки A.2 и A.3).

При нормальных условиях выходное напряжение и частота источника стабилизированного питания переменного тока представляют собой постоянные величины, когда система подключена к сети (для типа, работающего совместно с сетью) или к нагрузке переменного тока (для автономного типа).

Однако когда нагрузка переменного тока состоит из асинхронных электродвигателей с переменной скоростью вращения ротора, напряжение и частота переменного тока могут варьироваться.

В настоящем стандарте рассмотрены системы с постоянным выходным напряжением и частотой переменного тока, а также системы с постоянным током на выходе. На рисунках A.2 и A.3 показана конфигурация системы и источника стабилизированного питания, описанных в настоящем стандарте.

Существуют два типа эффективности по МЭК 60146-2: один из них - выход по энергии, а другой - переводной коэффициент. Выход по энергии определяют как отношение активной выходной мощности к активной входной мощности. Переводной коэффициент - это отношение между выходным и входным действующими значениями полной мощности. Эти два параметра (%) определяют по формулам:

где - выход по энергии;

P_aAC - активная мощность переменного тока;

P_aDC - активная мощность постоянного тока;

- переводной коэффициент;

P_fAC - действующая мощность переменного тока;

P_fDC - средняя мощность постоянного тока (произведение среднего напряжения на средний ток).

Активную мощность P_a вычисляют как

где - изменяющееся во времени напряжение;

p(t) - изменяющаяся во времени мощность;

i(t) - изменяющийся во времени ток;

T - длительность одного цикла.

Разница между приведенными выше двумя типами показателей эффективности обусловлена необходимостью учета гармонических составляющих. МЭК 60146 объединяет показатели в выход по энергии. Различия между ними зависят от формы сигнала напряжения и тока, как показано в таблице B.1, и существенны только для графика 5.

С учетом цели стандартов МЭК и иллюстрации в таблице B.1 в качестве КПД источника стабилизированного питания используют выход по энергии.

Как показано в таблице B.1 на графике 1 или 4, разница между и составляет только 0,1% в случае, когда пульсация постоянного напряжения и тока равна 10%_pp, или когда на графике 5 напряжение 5-й гармоники переменного тока составляет 2% эффективного (действующего) значения, а ток - 5% эффективного. Это означает, что переводной коэффициент практически совпадает с выходом по энергии. Однако в случае прямоугольных импульсов (график 5) потребуется использовать выход по энергии, так как разница уже значительна .

Время интеграции (длительность одного цикла) T должно быть 30 с или более, а результирующее значение среднего выхода по энергии следует рассматривать в качестве КПД источника стабилизированного питания.

Энергия источника стабилизированного питания зависит и от степени освещенности, и от конфигурации графика нагрузки.

Энергетическую отдачу источника стабилизированного питания вычисляют из отношения энергии на выходе к энергии на входе по результатам непосредственных измерений в течение определенного периода (например, месяца или года).

В качестве примера описан метод расчета энергетической отдачи на основе средневзвешенной энергетической отдачи.

Средневзвешенную энергетическую отдачу вычисляют как сумму значений для каждого уровня выхода по энергии при соответствующем весовом коэффициенте.

Если система работает совместно с сетью и не имеет подсистемы накопления энергии, весовые коэффициенты зависят от графика длительности местной освещенности.

Если система относится к автономному типу с подсистемой накопления энергии, весовые коэффициенты зависят от графика нагрузки по продолжительности.

В разделах C.1 и C.2 показаны методы расчета для подключенных к сети и автономных систем.

Описаны работающие совместно с сетью системы, которые не имеют возможности запасать энергию и для которых допустим обратный режим получения энергии из сети. В этом случае мощность постоянного тока, вырабатываемая установкой, поступает непосредственно в источник стабилизированного питания (PC). Почти вся эта входная мощность конвертируется в мощность переменного тока. Часть ее рассеивается в качестве потерь.

Средневзвешенная энергетическая отдача представляет собой исходную величину для расчета годовой энергетической отдачи, при котором для каждого уровня входной мощности используют весовой коэффициент K_i. Освещенность здесь подразделяют на несколько дискретных уровней. Используя значения продолжительности T_i, уровня входной мощности P_Ii, уровня выходной мощности P_Oi и КПД источника стабилизированного питания , для каждого уровня i определяется следующим образом:

где .

Если график длительности освещенности соответствует показанному на рисунке C.1, уравнение (C.1) может быть переписано следующим образом:

где - заданная энергетическая отдача;

, ... - КПД источника стабилизированного питания, когда входная мощность постоянного тока равна 1/4, ... номинального значения соответственно.

В автономных системах с подсистемой накопления энергии мощность, вырабатываемая установкой, накапливается и стабилизируется аккумуляторами. Мощность постоянного тока конвертируется в стабилизированную мощность постоянного тока или в мощность постоянного напряжения и частоты переменного тока источника стабилизированного питания (PC) и подается к нагрузке. В этом случае часть произведенной мощности рассеивается в качестве потерь в аккумуляторах и источнике стабилизированного питания.

Вычисление средневзвешенной энергетической отдачи для автономных систем требует весовых коэффициентов для соответствующих уровней нагрузки.

Используя значения продолжительности T_i, уровня входной мощности P_Ii, уровня выходной мощности P_Oi и КПД источника стабилизированного питания для соответствующих уровней нагрузки , определяют следующим образом:

где PI₀ - потери при отключенной нагрузке.

Если конфигурация нагрузки и график ее длительности соответствуют рисункам C.2 и C.3, уравнение (C.3) может быть переписано следующим образом:

где - заданная энергетическая отдача;

, ... - КПД источника стабилизированного питания, когда входная мощность постоянного тока равна 1/4, ... номинального значения соответственно.

Гарантированный КПД вычисляют по формуле

где P_R - номинальная выходная мощность;

P_L - гарантированные потери.

Из МЭК 60146-1-1 (пункт 4.3.3) следует, что допустимый резерв потерь P_L должен составлять +0,2 на единицу. В этом случае КПД определяют как

Таким образом, отклонение от допустимой эффективности определяют как

В окончательном виде отклонение записывают как

Это означает, что отклонение уменьшается с увеличением гарантированного КПД. Например, для гарантированных КПД 90% и 95% отклонение составит минус 1,8% и минус 0,95% соответственно.