基于雙環解耦控制的光儲一體化變流器設計

張旭峰 俞嘯玲 趙莉莉 孫亮

摘 要：隨著微電網技術的發展，基于光伏發電系統的集成式儲能裝置得到了廣泛關注，針對其并/離網工作模式的需求提出了一種光儲一體化變流器的設計方案。首先總結了光儲一體化變流器的工作原理，包括光伏側、儲能側和負載側變換器的拓撲結構設計;在此基礎上對負載側變換器采用雙環解耦控制策略，保證了系統在工作運行時的穩定性;最后通過仿真驗證表明，該設計系統在并/離網模式下均具有較好的穩態性能并且能夠實現快速穩定的模式切換，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：光儲一體化;變流器;并/離網;雙環解耦

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.185

0 引言

微電網系統主要由分布式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監控保護裝置組成，其中，儲能裝置作為微電網系統中的關鍵環節，能夠對太陽能、風能等具有間歇性的可再生能源進行存儲[1-2]。因此，隨著微電網技術的發展，基于光伏發電系統的集成式儲能裝置得到了廣泛關注。

本文提出了一種光儲一體化變流器的設計方案，逆變器基于三電平T型拓撲結構[3-4]，采用雙環解耦控制方法，實現了光儲一體化變流器并/離網模式下的穩定運行。

1 光儲一體化變流器總體結構設計

傳統的光伏儲能發電系統主要由多個變流器構成，而光儲一體化變流器則是將這些變流器集成為一體，主要由光伏側和儲能側的兩個DC/DC變換器，負載側的DC/AC變換器組成。其中，光伏側變換器采用BOOST拓撲結構，將光伏組件產生的電壓轉變為直流母線所需電壓;儲能側變換器采用BUCK-BOOST拓撲結構，使能量能夠雙向流動，當變換器工作在BUCK電路時，裝置為蓄電池充電，當變換器工作在BOOST拓撲結構時，蓄電池向直流母線充電，維持母線電壓恒定;DC/AC變換器采用T型三電平拓撲，根據電網工作的工作狀態能夠分別在并網模式和離網模式下運行。

2 光儲一體化變流器主電路拓撲結構

2.1 光伏側BOOST電路拓撲

光儲一體化變流器光伏側變換器基于BOOST拓撲結構，如圖1所示，用于將光伏組件產生的電壓轉變為維持直流母線所需要的電壓。假設電感和電容的值為無窮大，當可控開關閉合時，向充電，起到儲能作用;當可控開關關斷時，起到泵生電壓的作用，和同時對電容充電并向負載供電，用于維持負載側的電壓。

2.2 儲能側BUCK-BOOST電路拓撲

儲能側變換器基于BUCK-BOOST拓撲結構，當可控開關保持閉合狀態時，變換器工作在BUCK模式，通過控制的開關狀態使系統為蓄電池提供充電電壓，即當閉合時，由直流母線向蓄電池充電，電感儲能，當關斷時，釋放能量;當可控開關保持閉合狀態時，變換器工作在BOOST模式，通過控制的開關狀態使蓄電池為母線電容充電并向負載供電。

2.3 負載側T型三電平電路拓撲

圖2是T型三電平拓撲的基本結構[4]，主要用于光儲一體化變流器的逆變或整流環節，由12個可控開關組成，根據可控開關的關斷可以輸出三種電平。表1是以A相為例的T型三電平變流器的開關狀態表，其中P、O、N分別表示橋臂輸出端與直流側正端、中性點、負端相連的狀態。當裝置工作在并網運行狀態時，變流器將電網的輸入電流整定在直流母線上，為蓄電池充電，實現整流功能;當裝置工作在離網狀態時，變流器將光伏組件和蓄電池對直流母線施加的電壓進行逆變，輸出三相電流為負載供電，實現逆變功能。

3 光儲一體化變流器控制策略設計

系統在并網和離網模式下正常工作是光儲一體化變流器穩定運行的關鍵，其整體控制結構如圖3所示。T型三電平變流器與直流母線相連，經LC濾波器連接至大電網及負載，變流器側的三相電流經過電流控制環節，獲得高質量的輸出波形。為了保證直流母線中點電位的平衡并降低開關算法的復雜程度，采用改進后的60°SVPWM算法，輸出脈沖控制開關管的關斷。當系統運行在并網模式時，蓄電池根據剩余容量（SOC）進行充電;當系統運行在離網模式時，光伏組件根據光照強度和溫度，采用MPPT控制策略獲取最大功率點電壓，將輸入電壓通過BOOST變換器為直流母線和蓄電池充電。

4 雙環解耦控制策略

為滿足光儲一體化變流器的并/離網需求，負載側AC/DC變換器根據運行方式分別采用不同的控制策略，如圖4所示。當孤島運行時，采用電壓外環電流內環控制策略，即V/f控制，電壓外環選取變流器側三相電壓，用于確保交流側三相電壓的穩定和確定指令電流的參考值，電流內環選取電感電流，用于實現電流的快速跟蹤;當并網運行時，采用功率外環電流內環控制策略，即P/Q控制，功率外環經PI控制為內環提供參考電流，兩種狀態根據公共耦合點PCC的接收信號進行切換。然后實際電流與參考電流的差值經過PI控制與電流的交叉耦合項進行比較，得到dq軸輸出電壓、，根據派克反變換計算三相輸出電壓，并通過SVPWM調制單元得到變流器的觸發脈沖，實現了控制系統的穩定性與快速響應。

5 仿真驗證

為了驗證光儲一體化變流器在并/離網模式下系統的穩定性，在Simulink中搭建光儲一體化變流器的系統模型，分別為光儲一體化變流器由并網切換到孤島和孤島切換到并網時的輸出波形，均在0.5s開始切換?？梢钥闯?，光儲一體化變流器在孤島和并網工作模式下均保持較好的穩定特性，兩種模式的電壓和電流切換過程快速穩定，系統工作運行正常，具有較好的穩態性能及動態響應。

6 結論

本文在分析光儲一體化變流器基本原理的基礎上，對光儲一體化變流器的電路拓撲進行了設計，根據并/離網運行要求，采用雙環解耦方法對逆變器側進行控制，并進行了仿真性能的驗證。實驗表明本方案設計的光儲一體化變流器具有較好的穩態性能及動態響應，能夠滿足并離網運行需求，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]楊新法，蘇劍，呂志鵬等.微電網技術綜述[J].中國電機工程學報，2014（01）：57-70.

[2]魯宗相，王彩霞，閔勇等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化，2007，31（19）：100-107.

[3]邢相洋.非隔離T型三電平光伏逆變器關鍵控制技術研究[D].2016.

[4]Park，Yongsoon，Sul，et al.Asymmetric Control of DC-Link Voltages for Separate MPPTs in Three-Level Inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（06）：2760-2769.