劉金豆，成杰，俞高偉

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司，上海200240）

0 引言

近年來，光伏發(fā)電迅猛發(fā)展，其中功率等級在10 kW 以下的戶用型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)被廣泛使用。為應(yīng)對光伏發(fā)電自身存在的波動性等問題，配合儲能系統(tǒng)，優(yōu)先給本地負載供電，有盈余可并網(wǎng)發(fā)電，構(gòu)建了并離網(wǎng)一體光儲發(fā)電系統(tǒng)［1］。

目前的并離網(wǎng)一體光儲發(fā)電系統(tǒng)多基于交流并網(wǎng)，絕大多數(shù)并網(wǎng)逆變器都采用電網(wǎng)電壓相位跟蹤的電流閉環(huán)控制方法［2］，這類方法都把電網(wǎng)看作無阻抗的理想電壓源。然而實際電網(wǎng)會受到不同程度的諧波污染，不再呈現(xiàn)理想電壓源特性，傳統(tǒng)的電流型控制易引發(fā)諧波振蕩等問題［3］；當越來越多的并網(wǎng)逆變器通過公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）接入交流電網(wǎng)時，單個逆變器在PCC對應(yīng)的電網(wǎng)等效阻抗會隨逆變器數(shù)量增加而增加，逆變器與電網(wǎng)之間的諧波交互作用會帶來系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題［4-5］。

針對上述弱電網(wǎng)下并網(wǎng)存在的諧波振蕩等問題，有學(xué)者提出了下垂控制和虛擬同步發(fā)電機控制等電壓型控制算法［6-7］，但這類控制算法對功率的跟蹤較差，不適用于光儲互補等場合。同時，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和負荷直流化，眾多學(xué)者對直流輸配電技術(shù)展開研究［8-10］。

鑒于此，為避免弱電網(wǎng)條件下并網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，本文提出一種基于直流配電網(wǎng)并網(wǎng)的并離網(wǎng)一體光儲發(fā)電系統(tǒng)。仿真結(jié)果驗證了所提系統(tǒng)的正確性。

1 并離網(wǎng)一體光儲發(fā)電系統(tǒng)拓撲

1.1 光儲發(fā)電系統(tǒng)總體拓撲

本文研究的基于直流配電網(wǎng)并網(wǎng)的并離網(wǎng)一體光儲發(fā)電系統(tǒng)總體拓撲示意如圖1 所示，圖中DC為直流，AC 為交流。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括光伏組件、儲能系統(tǒng)、低壓直流配電網(wǎng)、本地交直流負載以及多個功率變換器，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體拓撲示意Fig.1 Schematic topology of the overall system

光伏組件通過Boost 變換器連接到公共直流母線；儲能側(cè)雙向直流-直流（DC-DC）變換器選擇Buck-Boost變換器，高壓側(cè)連接公共直流母線；全橋逆變器一側(cè)連接公共直流母線，另一側(cè)連接交流負載；直流負載通過Buck 變換器連接到公共直流母線；并網(wǎng)雙向DC-DC變換器也選擇Buck-Boost變換器，低壓側(cè)連接公共直流母線。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of the system

在不同工況下，組合采用不同的變換器控制策略，從而控制公共母線電壓穩(wěn)定和交直流負載供電穩(wěn)定。

1.2 光伏組件側(cè)Boost功率變換器

光伏組件的出口電壓低于公共直流母線電壓，所以采用結(jié)構(gòu)簡單的Boost變換器，在升壓的同時能在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)光伏組件的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。

1.3 雙向DC-DC變換器

電池側(cè)和并網(wǎng)側(cè)的雙向DC-DC 變換器都選擇半橋型Buck-Boost 變換器，可實現(xiàn)功率的雙向流動，如圖2所示。

對于電池側(cè)Buck-Boost 變換器，高壓側(cè)為直流母線，低壓側(cè)并聯(lián)電池；對于并網(wǎng)側(cè)Buck-Boost 變換器，低壓側(cè)為直流母線，高壓側(cè)通過一個小電阻R接入低壓直流配電網(wǎng)。

當工作在Boost 模式時，上管（S3，S5）關(guān)閉，下管（S2，S4）工作在高頻通斷狀態(tài)；當工作在Buck 模式時，下管（S2，S4）關(guān)閉，上管（S3，S5）工作在高頻通斷狀態(tài)。

1.4 直流負載側(cè)Buck變換器

對于Buck 變換器，高壓側(cè)為直流母線，低壓側(cè)接直流電阻負載。

1.5 全橋逆變器

全橋逆變器經(jīng)對稱電感LA和LB濾波后接入交流負載。正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）是單相逆變器常用的一種調(diào)制方式，其中雙極性調(diào)制可有效抑制光伏電池板的共模漏電流，調(diào)制方法簡單、輸出諧波小，所以本文采用雙極性SPWM調(diào)制方式。

2 并離網(wǎng)一體光儲發(fā)電系統(tǒng)控制策略

對DC-DC變換器采用小信號分析法進行建模，對全橋逆變器采用大信號方法進行建模，在建?；A(chǔ)上提出相應(yīng)控制策略。

2.1 光伏側(cè)Boost變換器控制策略

光伏側(cè)Boost 變換器可工作在MPPT 模式或恒壓（Constant Voltage，CV）模式。

2.1.1 MPPT模式控制策略

光伏組件的輸出特性受光照強度、溫度等因素影響，呈現(xiàn)非線性特征，在光照強度和溫度一定的條件下，存在一個最大功率點。本文采用電導(dǎo)增量法實現(xiàn)MPPT，控制策略如圖3所示。

圖3 中，IPV為光伏組件電流，VPV為光伏組件電壓，為光伏組件給定電壓，PWM_S1為光伏側(cè)Boost 變換器開關(guān)管S1占空比，PI 為比例積分調(diào)節(jié)器，PWM為脈沖寬度調(diào)制。

圖3 光伏側(cè)Boost變換器MPPT模式控制策略Fig.3 Control strategy of the Boost converter on PV side in MPPT mode

2.1.2 CV模式控制策略

當光伏側(cè)Boost 變換器工作在CV 模式時，要求控制直流母線電壓恒定。利用小信號分析法建模［11］，可得到Boost 變換器的小信號模型傳遞函數(shù)Gid（s）和Gvi（s）為

圖4 光伏側(cè)Boost變換器CV模式控制策略Fig.4 Control strategy of the Boost converter on PV side in CV mode

2.2 電池側(cè)Buck-Boost變換器控制策略

電池側(cè)Buck-Boost變換器可工作在Boost模式、Buck模式或CV模式。

2.2.1 Boost模式控制策略

當Buck-Boost變換器工作在Boost模式時，小信號模型傳遞函數(shù)如式（2）所示，控制策略采用電壓電流雙閉環(huán)，如圖5 所示。圖中為L2給定電流，d2為開關(guān)管S2占空比，iL2為L2電流。

式中：Vbat為電池側(cè)變換器電容電壓；L2為電池側(cè)變換器電感；D2為開關(guān)管S2穩(wěn)態(tài)占空比，D′2=1-D2。

圖5 電池側(cè)Buck-Boost變換器Boost模式控制策略Fig.5 Control strategy of the Buck-Boost converter on battery side in Boost mode

2.2.2 Buck模式控制策略

當Buck-Boost變換器工作在Buck模式時，小信號模型傳遞函數(shù)如式（3）所示。

式中：Cbat為電池組出口濾波電容。

Buck-Boost 變換器工作在Buck 模式時，直流母線為電池充電，控制策略如圖6 所示。在電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器后加入電流限幅環(huán)節(jié)，使得電池恒流充電階段電壓外環(huán)不起作用，實現(xiàn)恒流充電。圖6 中，為Cbat給定電壓，d3為開關(guān)管S3占空比。

圖6 電池側(cè)Buck-Boost變換器Buck模式控制策略Fig.6 Control strategy of the Buck-Boost converter on battery side in Buck mode

2.2.3 CV模式控制策略

CV 模式控制策略如圖7 所示，為了使并網(wǎng)時變換器能控制直流母線電壓恒定，提出電池側(cè)變換器的CV 控制策略。在電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器后加入電流限幅環(huán)節(jié)，只控制直流母線電壓恒定，電池幾乎不放電。

圖7 電池側(cè)Buck-Boost變換器CV模式控制策略Fig.7 Control strategy of the Buck-Boost converter on batteryside in CV mode

2.3 并網(wǎng)側(cè)Buck-Boost變換器控制策略

并網(wǎng)側(cè)Buck-Boost 變換器可工作在Boost 模式或Buck模式。

2.3.1 Boost模式控制策略

圖8 并網(wǎng)側(cè)Buck-Boost變換器Boost模式控制策略Fig.8 Control strategy of Buck-Boost converter on grid side in Boost mode

2.3.2 Buck模式控制策略

并網(wǎng)側(cè)Buck-Boost 變換器Buck 模式控制策略如圖9 所示。整個系統(tǒng)由直流配電網(wǎng)供電，并網(wǎng)側(cè)變換器工作在Buck模式，同時控制直流母線電壓恒定。圖9中d5為開關(guān)管S5占空比。

圖9 并網(wǎng)側(cè)Buck-Boost變換器Buck模式控制策略Fig.9 Control strategy of Buck-Boost converter on grid side in Buck mode

2.4 直流負載側(cè)Buck變換器控制策略

圖10 直流負載側(cè)Buck變換器控制策略Fig.10 Control strategy of Buck converter on DC-load side

2.5 全橋逆變器控制策略

對于全橋逆變器，采用電流單閉環(huán)進行獨立逆變控制，考慮到控制量為交流量，所以調(diào)節(jié)器選擇比例諧振（PR）調(diào)節(jié)器，控制策略如圖11 所示。圖中I*LAB為電感LA和LB電流幅值給定值，i*LAB為LA和LB給定電流，iLAB為LA和LB的電流，LAB=LA+LB。

3 能量管理策略及各工況分析

圖11 全橋逆變器控制策略Fig.11 Control strategy of a full-bridge inverter

能量管理策略指如何合理調(diào)控和分配整個光儲一體系統(tǒng)的能量，使整個系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)平穩(wěn)地運行。本文采用光伏組件、電池和電網(wǎng)3 級能量管理策略，優(yōu)先由光伏組件供電，其次由電池供電，最后由電網(wǎng)供電。在進行系統(tǒng)工況分析時，先做如下說明：當光伏組件功率PPV＜PPV_min時，光伏組件沒有功率輸出；當光伏組件功率PPV≥PPV_min時，光伏組件有功率輸出；當電池的荷電系數(shù)（Storage of Charge，SoC）＜5%時，電池不宜繼續(xù)放電；當SoC≥95%時，電池不宜繼續(xù)充電；Pload為交直流負載功率；Pbat_charge為電池充電功率。根據(jù)PPV，Pload，Pbat_charge以及SoC 的大小，將系統(tǒng)細分為如下4種工況。

（1）工況1：孤島運行，光伏發(fā)電。狀態(tài)條件為PPV≥Pload，SoC＜95%。光伏組件為交直流負載提供電能，還可以為電池充電。

具體的，光伏側(cè)變換器工作在CV 模式；全橋逆變器工作在逆變模式；直流負載側(cè)變換器正常工作在Buck 模式；當PPV≥Pbat_charge+Pload時，電池側(cè)變換器工作在Buck 模式為電池充電，不滿足時則關(guān)閉；并網(wǎng)側(cè)變換器關(guān)閉。

（2）工況2：并網(wǎng)運行，光伏發(fā)電。狀態(tài)條件為PPV≥Pload，SoC≥95%。光伏組件發(fā)電量在滿足交直流負載供電的同時，在電池充滿電的情況下，可以并網(wǎng)發(fā)電。

具體的，光伏側(cè)變換器工作在MPPT 模式；全橋逆變器工作在逆變模式；直流負載側(cè)變換器正常工作在Buck模式；電池側(cè)變換器工作在CV模式；并網(wǎng)側(cè)變換器工作在Boost模式。

（3）工況3：孤島運行，儲能供電。狀態(tài)條件為PPV＜Pload，SoC≥5%。光伏組件和電池一起為交直流負載供電。

具體的，光伏側(cè)變換器工作在MPPT 模式或關(guān)閉狀態(tài)；全橋逆變器工作在逆變模式；直流負載側(cè)變換器工作在Buck 模式；電池側(cè)變換器工作在Boost模式；并網(wǎng)側(cè)變換器關(guān)閉。

（4）工況4：并網(wǎng)運行，電網(wǎng)供電。狀態(tài)條件為PPV＜Pload，SoC＜5%。光伏組件和電池都無法向負載供電，而由電網(wǎng)供電。

具體的，當PPV＜PPV_min時，光伏側(cè)變換器關(guān)閉，其他時間光伏組件仍有微弱功率輸出，工作在MPPT 模式；全橋逆變器工作在逆變模式；直流負載側(cè)變換器工作在Buck 模式；電池側(cè)變換器工作在Buck 模式；并網(wǎng)側(cè)變換器工作在Buck 模式。系統(tǒng)不同工況及對應(yīng)變換器的工作模式見表1。

表1 系統(tǒng)不同工況及對應(yīng)變換器的工作模式Tab.1 Working mode of different converters under various working conditions

4 仿真驗證

根據(jù)文獻［12］，取直流公共母線電壓Vdc=380 V，低壓直流配電網(wǎng)電壓等級為600 V，取直流負載側(cè)電壓Vdcr=240 V，交流負載電壓Vac=220 V/50 Hz。

公共直流母線電容的設(shè)計對于整個系統(tǒng)至關(guān)重要，計算過程如下。設(shè)交流負載電壓Vac為

式中：Vm為交流負載電壓幅值。

設(shè)交流負載電流Iac為

式中：Im為交流負載電壓幅值。

則瞬時交流負載功率Pac為

由式（8）可見，直流母線電容實際處于2倍工頻充放電狀態(tài)：直流輸入瞬時功率大于交流負載瞬時功率時，直流母線電容充電，電壓上升；直流輸入瞬時功率小于交流負載瞬時功率時，直流母線電容放電，電壓下降［13］。

對于光儲互補發(fā)電系統(tǒng)，直流母線電容往往很大，須在1/4 工頻周期內(nèi)緩沖額定5 kW 功率，Cdc應(yīng)滿足

式中：Vdc=380 V，Pn=5 kW，工頻頻率fac=50 Hz，直流母線電壓波動最大值ΔVdc不超過額定值的5%。代入 參 數(shù)，計 算 得Cdc≥1 775.69 μF，實 際 取Cdc=2 000.00 μF。系統(tǒng)仿真及容量配置參數(shù)見表2。

表2 系統(tǒng)仿真及容量配置參數(shù)Tab.2 Simulation and capacity parameters of the system

4.1 工況1仿真試驗波形

工況1 中光伏組件為交直流負載供電，電池側(cè)變換器和并網(wǎng)變換器均關(guān)閉。仿真試驗波形如圖12所示。

從圖12可看出，直流母線電壓Vdc穩(wěn)定在380 V，交流負載電壓Vac為220 V/50 Hz，直流負載電壓Vdcr穩(wěn)定在240 V，光伏組件功率PPV隨交流負載實時功率脈動。

圖12 工況1仿真試驗波形Fig.12 Simulated waveforms under working condition 1

4.2 工況2仿真試驗波形

工況2 中光伏組件為交直流負載供電，同時并網(wǎng)發(fā)電。光伏組件初始光照強度為1 000 W/m2，初始溫度為25 ℃，在0.05 s時溫度變?yōu)?0 ℃，在0.10 s時光照強度為900 W/m2。仿真試驗波形如圖13所示。

從圖13可看出，光伏側(cè)變換器能夠?qū)崿F(xiàn)MPPT，直流母線電壓Vdc穩(wěn)定在380 V，交流負載電壓Vac為220 V/50 Hz，直流負載電壓穩(wěn)定在240 V，電池電流Ibat幾乎為0，實際并網(wǎng)功率Pg處于脈動變化狀態(tài)。

圖13 工況2仿真試驗波形Fig.13 Simulated waveforms under working condition 2

4.3 工況3仿真試驗波形

工況3 中電池為交直流負載供電，光伏側(cè)變換器和并網(wǎng)變換器均關(guān)閉。仿真試驗波形如圖14所示。

從圖14可看出，直流母線電壓Vdc穩(wěn)定在380 V，交流負載電壓Vac為220 V/50 Hz，直流負載電壓穩(wěn)定在240 V，電池實時放電功率Pbat脈動變化。

4.4 工況4仿真試驗波形

工況4 中電網(wǎng)向交直流負載供電，同時為電池充電。仿真試驗波形如圖15所示。

從圖15 可看出，直流母線電壓Vdc穩(wěn)定在380 V，交流負載電壓Vac為220 V/50 Hz，直流負載電壓穩(wěn)定在240 V，電池充電功率Pbat_charge符合恒流充電規(guī)律，穩(wěn)定在2.6 kW。

圖14 工況3仿真試驗波形Fig.14 Simulated waveforms under working condition 3

圖15 工況4仿真試驗波形Fig.15 Simulated waveforms under working condition 4

5 結(jié)論

（1）針對弱電網(wǎng)條件下并網(wǎng)逆變器存在的穩(wěn)定性問題，提出了一種基于低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)的并離網(wǎng)光儲一體系統(tǒng)。

（2）在對各個變換器進行建模的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的控制方案，并依據(jù)能量管理策略和不同狀態(tài)條件，將系統(tǒng)分為“孤島運行，光伏發(fā)電”“并網(wǎng)運行，光伏發(fā)電”“孤島運行，儲能供電”“并網(wǎng)運行，電網(wǎng)供電”4種工況。

（3）通過仿真試驗驗證4 種工況下公共母線電壓和交直流負載電壓均穩(wěn)定，符合控制要求，驗證了所提系統(tǒng)的正確性。