光伏儲能系統并/離網無縫切換技術研究

楊?柯

信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司

光伏儲能系統并/離網無縫切換技術研究

楊?柯

信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司

隨著環境和能源問題在全球范圍內成為焦點，新能源技術得以迅速發展，以光伏儲能系統為代表的分布式發電己被廣泛應用于微電網組成中。本文在分析光伏儲能系統模型及系統的能量管理與控制策略的基礎上，著重對并網逆變器的并離網無縫切換技術進行了相關研究。對并網逆變器分析了并網及離網工況下的基本控制策略，研究了光伏電池的輸出特性和與其相對應的Boost電路MPPT的控制方法，介紹了儲能系統Buck-Boost電路原理及其控制策略，對不同結構的光伏儲能系統進行了對比分析。

光伏儲能系統；并網及離網；無縫切換

電力系統的發展是一直朝著大容量集中發電以及超高壓的遠距離輸電的方向發展，然而雖然大規模電力系統在具備系統運行穩定發輸電效率高等優點的同時，也帶來了諸如運行成本高、覆蓋區域局限等種種缺點，近幾年以紐約大停電為代表的世界范圍內幾次大規模停電事故也暴露出電網在運行可靠性和安全性方面的弱點。

1 光伏儲能井網系統與控制

1.1 結構

非隔離型結構光儲系統與電網具有電氣連接，實際的太陽能發電系統中光伏組件與地之間存在對地寄生電容。潮濕環境或雨天，該寄生電容可達200nF/kWp，而當眾多光伏組件經串并聯組成大規模光伏陣列后，寄生電容會達到更大。此對地寄生電容與光伏發電系統主電路和電網形成共模回路。逆變器中開關器件動作引起寄生電容電壓變化，整個共模回路在寄生電容的共模電壓激勵下產生共模電流。共模回路的對地寄生電容與逆變器中濾波元件和電網阻抗形成諧振回路，當共模電流頻率達到諧振回路的諧振頻率點時，電路中會出現大的漏電流，此共模電流不僅增加了系統損耗，還會影響逆變器正常工作以及注入電網大童諧波，帶來安全問題；另外，由于非隔離型并網逆變器橋臂與電網直接相連，維護人員碰到光伏側時，電網電流流過橋臂將威脅人員安全，保證不了光伏側電氣安全出于上述考慮，電氣隔離在光儲并網系統中的應用越來越廣泛。

1.2 控制策略

下面列舉幾種有代表性的工況進行說明：工作模式1中，由于光儲并網運行，為充分提高光伏利用率使其工作于MPPT模式，但光伏功率高于負載且儲能己達過充電壓，因此將多余電能全部饋送電網：工作模式2中，光儲離網運行，儲能已達過充電壓，若光伏繼續工作于MPPT模式，則多余的電量無法處理，此時需光伏降功率輸出，由光伏穩定高壓側電壓，不再工作于MPPT模式，而儲能則控制充電電流，以免過充；工作模式5中，并網運行光伏依然工作于MPPT模式，但不能滿足負載所需功率且儲能可充電與放電，因此控制電網的功率輸出可提供負載電能亦可對儲能充電。

2 并離網無縫切換控制策略

當所屬微網功率需要調整，閉環控制需一定的動態響應時間，如果下垂系數較小則微源出力不能及時改變，此時微網電壓的幅值與頻率會出現較大波動，達到穩定狀態后微源出力滿足不了微網中的功率波動；若采用的下垂系數較大，微源出力會出現過調節現象，微源出力會出現波動，微網將發生不穩定現象。假如微網系統需進行功率調整的短時間內取較大下垂系數，隨著微源出力的改變不斷減小下垂系數，則將兼顧二者優點，既能及時調整微源出力有效抑制微網電壓頻率與幅值較大幅度的波動，較高精度的滿足功率變動，又能使系統最終趨于穩定。一般雙模式并離網切換所存在的問題采用了下垂控制的單模式并離網切換方法，由于采用單模式的切換方法切換前后控制策略未發生改變，只是并網開關進行了導通與關斷的變化，避免了雙模式切換的種種問題。同時指出傳統下垂曲線控制并網時存在功率輸出不穩現象，以及其控制并離網切換時存在的問題，進而加以改進，采用了非線性下垂曲線控制。采用改進非線性下垂曲線控制后，逆變器并網運行時其輸出功率受網壓波動的影響減小，更加穩定，同時也改善了傳統下垂曲線并離網切換的效果，實現了平滑無縫切換。

3 系統分析

3.1 采樣調理電路設計

變換器主電路中對電壓、電流進行控制時，需要將其轉化為數字信號進行處理，在此過程中，電壓、電流信號經霍爾傳感器隔離采樣，將高壓大電流的強電信號轉變為低壓小電流的弱電信號，再通過模擬調理電路的處理，輸入到數字信號處理器中，對其進行控制。此系統中，需要對逆變器輸出電壓、電流、網壓等進行采集進行監測與控制，調理電路需將這些控制t轉化為符合DSP輸入要求的信號，并帶有一定保護功能。

3.2 故障保護電路設計

故障保護分為兩種，一種是從驅動芯片返回的故障信號，將其輸入DSP的TZ端，通過軟件封鎖脈沖進行保護。IPM有精良的內置保護電路以避免因系統失靈或過應力而使功率器件損壞。保護包括驅動電源欠壓保護，及過熱、過流、短路保護。故障信號，經光耦輸出到HD74HC32P芯片，此芯片能夠將多個IGBT故障集合成一個故障信號，即任意一個IGBT故障都將輸出故障信號fault7，然后經A32L翻轉輸入到DSP的TZ管腳，進行軟件封鎖脈沖，對電路進行保護。

3.3485，CAN通信電路設計

觸摸屏與DSP、以及DSP之間采用的是485通信，將DSP的SCI串口通信引腳外接RSM3485通信模塊，此模塊集成了電源隔離、電氣隔離、高速RS-485接口器件和總線保護功能于一身，性能穩定，將DSP發出信號轉換為差分信號后進行傳輸，提高了抗干擾性。儲能系統的BMS與DSP之間采用CAN通信協議，同樣應用了CTM8251外接DSP的CAN通信引腳，將邏輯電平轉換為了CAN總線的差分電平，提高了數據傳輸過程中的抗干擾性。

綜上所述，本文對光伏儲能并網系統進行了仿真研究，并在此基礎上對目前普遍存在的分布式電源在并網及離網兩種運行工況之間進行切換易產生電壓電流沖擊的角度進行了并離網無縫切換的?研究。

[1]羅瀟.光儲互補并離網一體逆變器的研究[D].東華大學，2015.

[2]謝締.兩級式光伏儲能并離網控制技術研究[D].西南交通大學，2016.