基于光儲一體逆變器的10 kW儲能系統(tǒng)試驗研究

雷夢琪,任曉明,那偉

（1.上海電機學(xué)院電氣學(xué)院，上海 200240；2.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 201615）

0 引言

風(fēng)能和太陽能作為可再生清潔能源被廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電領(lǐng)域。由于風(fēng)能和太陽能受環(huán)境因素影響較大，必須配套相應(yīng)的儲能電池進行互補，因此，集光伏、風(fēng)力發(fā)電與蓄電池一體的混合逆變器儲能系統(tǒng)應(yīng)運而生[1]～[4]。

近年來，儲能系統(tǒng)中逆變器的研究主要從逆變器拓撲結(jié)構(gòu)和逆變器供電方式兩方面展開。儲能系統(tǒng)中的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)主要有單相全橋、兩電平三相橋式和三電平3類。文獻[5]將單相全橋光儲逆變器應(yīng)用于儲能系統(tǒng)，雖然該逆變器控制方式和換流過程都很簡單，但只能在小功率場合使用，而且在并網(wǎng)和離網(wǎng)運行狀態(tài)切換時，響應(yīng)時間過長，電流電壓波形不理想。文獻[6]，[7]研究了以單臺兩電平三相橋式光儲一體逆變器為核心的儲能系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)中需多臺變換器同時接入完成交直流變換的問題，簡化了電路模型。文獻[8]完成了T型三電平光儲一體并網(wǎng)逆變器的設(shè)計，該逆變器拓撲結(jié)構(gòu)提高了電路的電壓等級，適用于大功率場合。但針對T型三電平逆變器固有的中點電位波動問題，沒有進行試驗驗證。文獻[9]研究了三相六開關(guān)三電平光伏逆變器，該拓撲結(jié)構(gòu)減少了系統(tǒng)電路開關(guān)管的數(shù)量，簡化了電路模型，并且有效地抑制了漏電流的產(chǎn)生。儲能系統(tǒng)中的逆變器供電方式主要有光儲混合供電和風(fēng)光儲混合供電。文獻[10]，[11]介紹了以光伏電池與儲能設(shè)備雙供電的逆變器儲能系統(tǒng)模型為核心的微電網(wǎng)工程，均實現(xiàn)了微電網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換。文獻[12]，[13]提出了風(fēng)光儲混合供電的儲能系統(tǒng)模型，同時解決了傳統(tǒng)供電不環(huán)保和新能源技術(shù)供電不穩(wěn)定的問題，但是由于供電方式多樣導(dǎo)致其工作模型和控制方式都較為復(fù)雜。

本文研究了T型三電平光儲一體逆變器，并將其應(yīng)用于10 kW儲能系統(tǒng)，解決了單相逆變器[5]和兩電平三相橋式逆變器[6]，[7]只能應(yīng)用在小功率場合的弊端。該逆變器的光伏陣列和儲能電池通過升降壓變換器將電流分三路輸入直流母線側(cè)，直流母線通過DC/AC變換器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電后流入交流母線側(cè)，經(jīng)LC濾波后實現(xiàn)并網(wǎng)。最后，基于該光儲一體逆變器搭建了10 kW儲能系統(tǒng)試驗平臺，通過設(shè)計一系列穩(wěn)態(tài)試驗和動態(tài)試驗，驗證了該逆變器的工作性能。

1 試驗方法

1.1 試驗平臺

10 kW儲能系統(tǒng)試驗平臺包括供電儲能端、光儲一體逆變器、電網(wǎng)端、負載和測量端五大模塊，示意圖如圖1所示。其中，電網(wǎng)電壓為380～220 V，額定頻率為50/60 Hz，功率因素為0.8超前～0.8滯后，電流諧波畸變率<3%。

圖1 試驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental platform structure

1.1.1 供電儲能端

本試驗平臺的供電儲能端采用光伏和電池雙供電的儲能形式。光伏（PV）采用具有太陽能光伏陣列的Chrom62150H-1000s可控直流電源供電器供電，該供電器輸出功率可達15 kW，輸出電壓為0～1 000 V，電壓測量精度為0.05%+0.05%F.S.，電流測量精度為0.05%+0.05%F.S.，電壓紋波為1 950 mV，電流紋波為270 mA。電池采用磷酸鐵鋰電池（LFP），電池模組由15個3.2 V/50 Ah的電芯串聯(lián)，規(guī)格為48 V50 Ah，容量為2.4 kW·h。電池系統(tǒng)由11個電池模塊串聯(lián)組成，規(guī)格為500 V50 Ah，采樣精度為14bitADC±10 mV，通訊接口為CAN2.0 29位擴展ID，速率為500 kbps。

1.1.2 10 kW光儲一體逆變器

10 kW光儲一體逆變器的主電路為T型三電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)，主控制器為DSP28035，硬件設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。PV和鋰離子電池儲能供電端通過DC/DC變換電路升壓后，將輸出的直流電通過T型逆變電路進行DC/AC變換，升降壓電路與逆變電路的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)DSP28035的AD口采集送入儲能系統(tǒng)，經(jīng)過SPWM控制方式調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動信號，再經(jīng)過LC濾波電路后產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同相的電流實現(xiàn)并網(wǎng)。

圖2 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Overall structure diagram of hardware system

該逆變器有如下4種工作模式。

①一般模式：若PV充足，則優(yōu)先給負載供電，然后給電池充電，最后將剩余電量輸入電網(wǎng)；若PV不充足，電池和電網(wǎng)一起給負載供電。

②電池模式：PV和電網(wǎng)給負載供電，并給電池充電；僅當(dāng)電網(wǎng)異常時，電池放電給負載供電。

③微電網(wǎng)模式：PV和電池組成微網(wǎng)系統(tǒng)。若PV充足，則優(yōu)先給本地負載供電，然后給電池充電；若PV不充足，電池放電給負載供電。

④削峰模式：根據(jù)電價的不同，1 d可以分為4個時段：尖期、峰期、平期和谷期。谷期電網(wǎng)和PV為電池充電；平期當(dāng)PV足夠時，電池充電；尖峰期電池放電為負載供電。

該逆變器的主要參數(shù)分為PV側(cè)、電池側(cè)和負載側(cè)3方面，其中：PV側(cè)最大輸出功率為13 kW，最大直流電壓為1 000 V，MPPT電壓為330～800 V；電池電壓為200～800 V，額定電池電壓為500 V；負載側(cè)額定功率為10 kW，最大輸出電流為16.7 A。該逆變器具備防孤島保護、直流開關(guān)保護、防浪涌保護、輸出過流過壓保護和輸出短路保護。

1.1.3 負載和測量端

本試驗平臺采用深圳市威爾華公司的RCL負載箱代替本地負載。測量端包括功率分析儀和示波器，其中功率分析儀采用致遠PA8000，該功率分析儀有7通道，可任意選配電機板卡，基本功率精度為0.01%讀數(shù)+0.03%量程，帶寬為0.1 Hz～5 MHz，分采樣率為2 MS/s；示波器采用德科技（原安捷倫）KEYSIGHT DSOX3014T數(shù)字顯示示波器，該示波器有4個模擬通道，帶寬為100 MHz，最大存儲器深度為4 Mpts，最大采樣率為5 GSa/s。

1.2 試驗

1.2.1 穩(wěn)態(tài)試驗

穩(wěn)態(tài)試驗是為了檢測逆變器并網(wǎng)運行時的輸入輸出性能，從而確保其在電網(wǎng)側(cè)穩(wěn)定時正常工作。本文基于10 kW光儲一體逆變器的試驗平臺，完成了包括滿載運行并網(wǎng)電壓電流狀態(tài)、電流諧波畸變率和中點電位波動的穩(wěn)態(tài)試驗分析。示波器和功率分析儀記錄并網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流和直流側(cè)半母線電壓3組數(shù)據(jù)。

光伏陣列和鋰電池雙供電儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)試驗的實現(xiàn)過程：首先光伏陣列實現(xiàn)并網(wǎng)，并網(wǎng)前，光伏陣列是開路狀態(tài)，端電壓無窮大，在并網(wǎng)瞬間，光伏陣列的輸出電流越來越大，端電壓慢慢降低到最大功率跟蹤點，此時，向電網(wǎng)輸出的有功功率最大；然后鋰電池儲能充電，光伏陣列通過光伏控制器給鋰電池充電，鋰電池端口電壓增大，同時，光伏陣列的端電壓被拉低，但略高于鋰電池端口電壓，直到光伏陣列的充電電流值和鋰電池端口電壓值趨于穩(wěn)定，鋰電池充電完成[14]；最后，光伏控制器的輸出電流直接流入逆變器中，鋰電池充電電流慢慢減小到零，鋰電池開始放電，隨著鋰電池放電電流的增大，光伏陣列的輸出功率慢慢降低，此時，鋰電池和光伏陣列的出力趨于動態(tài)平衡，標(biāo)志并網(wǎng)完成。并網(wǎng)完成后，外加10 kW純阻性負載，此時，逆變器為滿載狀態(tài)，觀察示波器和功率分析儀顯示的并網(wǎng)電壓電流波形和數(shù)據(jù)。

1.2.2 動態(tài)試驗

動態(tài)試驗是為了檢測逆變器的快速感應(yīng)能力、動作時間長度以及動態(tài)恢復(fù)性能，從而確保其在負載側(cè)和電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)波動時依舊能快速恢復(fù)正常工作狀態(tài)。本文基于10 kW光儲一體逆變器的試驗平臺，完成了包括滿載半載切換瞬間和開機加載順序切換瞬間、直流側(cè)電壓波動和并網(wǎng)電壓電流運行狀態(tài)的動態(tài)試驗分析。示波器和功率分析儀記錄的數(shù)據(jù)與穩(wěn)態(tài)試驗一致，分別為并網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流和直流側(cè)半母線電壓。

滿載半載切換試驗的實現(xiàn)過程：在光儲一體逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)并帶10 kW負載穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，將負載切換為5 kW的瞬間，暫停示波器和功率分析儀的取值，并等比例放大示波器的波形，觀察滿載切換為半載瞬間交、直流側(cè)電流電壓波形和數(shù)據(jù)；同理，在逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)并帶5 kW負載穩(wěn)定運行后，將負載切換為原10 kW的瞬間，觀察半載切換為滿載瞬間交、直流側(cè)電流電壓波形和數(shù)據(jù)。

開機加載順序切換試驗的實現(xiàn)過程：在光儲一體逆變器開機并網(wǎng)穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，將負載從0加到10 kW的瞬間，暫停示波器和功率分析儀的取值，并等比例放大示波器的波形，觀察開機并網(wǎng)后加載瞬間交、直流側(cè)電流電壓波形和數(shù)據(jù)；同理，逆變器先加10 kW負載，然后再開機并網(wǎng)瞬間，觀察交、直流側(cè)電流電壓波形和數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

本文在完成10 kW儲能系統(tǒng)試驗平臺的搭建后，進行了一系列穩(wěn)態(tài)試驗和動態(tài)試驗，具體試驗參數(shù)如表1所示。

表1 試驗參數(shù)Table 1 Test parameters

2.1 穩(wěn)態(tài)試驗

2.1.1 對稱負載并網(wǎng)運行

（1）并網(wǎng)運行

圖3為10 kW光儲一體逆變器滿載并網(wǎng)運行時，A相電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流以及直流側(cè)上下母線電壓波形圖。從試驗結(jié)果輸出的波形圖可以看出，A相電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的相位和頻率均相同，此時，并網(wǎng)電壓為220.9 V，并網(wǎng)電流為

圖3 A相并網(wǎng)電壓電流Fig.3 A-Phase grid-integrated voltage and current

14.86 A，頻率為49.92 Hz，直流側(cè)半母線電壓值分別為402 V和399 V，并網(wǎng)運行狀況良好。

（2）電流諧波測量

GB/T 37409-2019[15]中對并網(wǎng)電流的各次諧波含有率限值做出了明確規(guī)定，如表2所示，要求光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流各次諧波均低于限值，且總電流諧波畸變率≤5%。本試驗在逆變器并網(wǎng)穩(wěn)定運行后，通過功率分析儀截取了某時刻2～40次電流諧波含量，如圖4所示。從圖中可以看出，并網(wǎng)A相電流總諧波畸變率為2.47%，基波有效值為15.04 A，各次諧波含量均低于規(guī)定的限值。

表2 電流諧波含有率限值Table 2 Limitation of current harmonic content

圖4 并網(wǎng)電流諧波含量Fig.4 Harmonic content of grid-integrated current

（3）中點電位波動

直流側(cè)中點電壓偏差波形圖如圖5所示。從圖中可以得出，測量時刻直流側(cè)上下母線電壓差為7.25 V，全母線電壓的波動為±5%Udc，半母線的波動為±2.5%Udc，滿足電壓波動要求[15]。

圖5 直流側(cè)半母線電壓波動圖Fig.5 Voltage fluctuation diagram of half-bus on DC side

2.1.2 不對稱負載并網(wǎng)運行

針對光儲一體逆變器并網(wǎng)運行時常見的三相不平衡問題，本文設(shè)計了仿真對比試驗，對逆變器帶10 kW三相對稱負載和3.3 kW單相負載（不對稱負載）的并網(wǎng)狀態(tài)進行了比較，直流側(cè)半母線電壓波形和A相并網(wǎng)電流諧波畸變率分別如圖6和圖7所示。從仿真試驗結(jié)果可以看出：逆變器帶3.3 kW單相不對稱負載時，A相并網(wǎng)電流基值為15.827 A，諧波畸變率為3.40%，較對稱負載增加了1.79%，但仍滿足光伏并網(wǎng)總電流諧波畸變率≤5%的要求；直流側(cè)半母線電壓值穩(wěn)定在400 V，上下母線電壓差控制在18 V以內(nèi)，較對稱負載增加了10 V，但同樣滿足半母線電壓波動為±2.5%Udc的要求。

圖6 直流側(cè)半母線電壓波動圖Fig.6 Voltage fluctuation diagram of half-bus on DC side

圖7 并網(wǎng)電流各次諧波含量Fig.7 Harmonic content of grid-integrated current

2.2 動態(tài)試驗

2.2.1 滿載和半載切換

圖8為滿載和半載切換時，A相電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流以及直流側(cè)上下母線電壓波動情況。從圖中可以看出，當(dāng)逆變器在滿載和半載之間切換時，經(jīng)過25 ms直流側(cè)電壓波形恢復(fù)，波動范圍在10 V以內(nèi)。因此可以得出，該10 kW逆變系統(tǒng)動態(tài)變化小，且調(diào)節(jié)時間短，具有很好的動態(tài)特性。

2.2.2 開機加載順序切換

圖9為開機后加滿載和滿載后開機瞬間并網(wǎng)電壓電流以及直流側(cè)上下母線電壓波動情況。從圖中可以看出，開機后加載瞬間和加載后開機瞬間，直流母線電壓都降低，且均經(jīng)過50 ms直流側(cè)電壓波形恢復(fù)，負載電流顯示到滿載狀態(tài)。兩種加載運行直流母線波動較小，證明該逆變器具有很好的動態(tài)特性。但是，加載后開機瞬間電流電壓波動分別為1.968 A和18.453 V，畸變明顯。所以，一般情況下選擇開機后加載，對逆變器和負載損壞程度都較小。

3 結(jié)論

本文研究了集光伏與鋰電池供電于一體的光儲混合逆變器技術(shù)，并基于該光儲一體機搭建了10 kW儲能系統(tǒng)試驗平臺，在并網(wǎng)運行狀態(tài)下完成了穩(wěn)態(tài)試驗和動態(tài)試驗。試驗結(jié)果表明：在穩(wěn)態(tài)運行時，該光儲一體逆變器能平穩(wěn)輸出與電網(wǎng)同頻同相的電壓電流，且電流諧波畸變率<3%，直流側(cè)半母線電壓波動在±2.5%Udc，滿足GB/T 37409-2019的要求；在動態(tài)運行時，該逆變器在負載切換瞬間直流電壓波動在10 V以內(nèi)，恢復(fù)時間為25 ms，具有很好的動態(tài)特性。因此，光儲一體逆變器能夠滿足10 kW儲能系統(tǒng)的技術(shù)要求。