一种新型光伏储能逆变器系统

·分布式电源及并网技术· 电器与能效管理技术(2014No．9) 一种新型光伏储能逆变器系统 张彦虎， 刘宝其， 胡 兵， 薛丽英， 赵为 [阳光电源(上海)有限公司，上海201203] 摘要：针对家庭使用的光伏储能系统，提出了一种新型光伏储能逆变器系统结 构。系统由两个Dc／Ac变换器背靠背组成，利用直流母线电容使得电网侧与负荷侧解 耦。系统具有好的并、离网直接纯无缝切换特性。最后进行了仿真验证，仿真结果证明 了系统的稳定性和可靠性。 关键词：光伏；储能；逆变器系统结构；协调控制 中图分类号：TM 464文献标志码：A文章编号：1001—5531(2014)09一0045_()4 A Novel PV Energy Storage InVerter System ZHANG Ynnhu，LIU BnOqt，HU Bing，XUE Li≯ing，ZHAO Wei 『sunshine Power(shanghai)co．，Ltd．，shanghai 201203，china] 0 引 言 太阳能光伏发电作为一种重要的可再生能 源u J，在各国政府支持下得到了快速发展。光伏 发电系统主要以并网系统为主，离网系统为辅。 作为分布式发电系统的一种形式，当光伏发电系 统渗透率增加时，若不采取特殊措施，会引发很多 问题。例如引发电网的继电保护系统误动作、引 发电网电压和频率的波动等怛o。虽然逆变器可 通过增加控制功能来迎合电网的需求，对电网稳 定性做出贡献，但贡献能力是有限的。 在分布式光伏发电系统中增加储能装置可在 很大程度上缓解该问题。储能系统、光伏系统以 及负荷组成了一个多源的微电网系统口圳。微电 网系统的运行涉及到很多关键技术，其中一项关 键技术就是并网／离网模式的柔性切换。常见的 张彦虎(1976)， 男，博士，主要从事 电力电子技术在新 能源中的应用、分 布式发电及微电网 系统的研究。 解决问题思路是通过采取一些特殊的控制时序在 并网和离网模式之间进行切换，但效果一般口。7 o。 本文分析了当前常见光伏储能系统的结构， 并给出基于该结构的并网／离网切换解决方案，指 出其存在的问题。同时，从系统结构的重建角度 出发，提出一种新的系统结构，并给出新系统结构 的运行方式。 1 光伏储能系统 1．1光伏储能系统的作用 光伏储能系统可向电网提供清洁能源，在负 荷高峰时段对电网进行调峰，电网发生故障时持 续向本地负载供电等待电网恢复等优势。常规光 伏储能系统旧‘8 o如图1所示。 若电网中存在关键负荷，光伏储能系统在电 网出现故障时能独立向其供电，等到电网恢复后 刘宝其(1985)，男，高级系统工程师，主要从事新能源发电变换技术的研究。 胡兵(1977 )，男，博士后，主要从事新能源转换系统、储能微网系统的研究。 一45一 慕淼茹吣一～～一～～ m血 峨 ㈣k胁舶 一蛐 一 州“成姒 啡一胜此 妒删 雌一～一岫蝻一一 一跚姒舶 一枷一一幽廿咿印一m尝篇峪．篡蕈．～咖肌峨山一妒畔舢乩善．一毗 一～一 一吣～嘲差| 一一协咄一一疵腻㈨池?删珊 删蛐 一Ⅻ岫岫 一哆掣‰Ⅲ油一Ⅲm-譬∞甜d=罩舭 洲-蚕 畔矧-蚕=蚕础 Ⅲ_薹 即．则呻．碍毗 ■ Ⅵm-耋乩 ∥出1l一一一訾她一～～～～～一一 A-善 ㈨ 鹏k ㈨K 痂 舛m 呲-亘 万方数据 电器与能效管理技术(2014No．9) ·分布式电源及并网技术· 直流母线 图1常规光伏储能系统 系统再并入电网发电，同时在整个过程中必须维 持本地关键负荷上电压的稳定。系统能够工作于 并网模式和孤岛运行模式，以保证本地关键负荷 的供电安全，同时必须保证在两种工作模式问的 切换是无扰动、无缝的，以减小本地关键负荷上电 压的闪变或并网电流的突变。 1．2并网／离网切换策略 常规光伏储能系统中，在并网情况下光伏组 串的最大功率点跟踪功能由u1或者u2执行完 成，U2控制Bus电压和逆变并网电流，U3根据上 位机发出的指令进行充、放电控制；在离网情况 下，u2先与电网脱离，u3控制Bus电压，u2控制 逆变电压。针对u2单元，采用的并网／离网切换 策略如图2所示。 图2常规光伏储能系统的控制策略 在并网情况下，直接控制并网电流，u2等效为 电流源特性，称为电流源模式；在离网情况下，U2 等效为电压源特性，称为电压源模式。当电网掉电 或恢复时，存在电流源模式与电压源模式的互相切 换。这种控制方法的缺点是电流源模式和电压源 模式之问相互切换过程中，尤其是电流源向电压源 模式切换时，电压环控制存在起动响应过程，会造 成负载电源畸变。但不能实现真正的无缝切换。 2 新型光伏储能系统结构 2．1新型光伏储能系统结构 本文所提新型光伏储能系统拓扑结构如图3 ——46—— 所示。其中光伏接口、电池接口和电网接口为能 源端口，分别通过单向Dc／Dc(u1)、双向Dc／Dc (U3)和双向DC／AC(U2)连接于直流母线；交流 负荷端口通过DC／AC(U4)连接于直流母线，可 连接三相或者单相负荷。此外，直流母线也作为 一个负荷端口直接为直流负荷提供能量。系统 中，直流母线作为4个变换器的能量交换点，需安 装较大的电容用于并网／离网切换过程中的能量 缓冲并便于各变换器之问实现解耦控制。 l+ c．『 电网 —⑧]弋刁 单向 干网 双向 —⑧一1 DC／ACPV DdDC c丁匕一 U2 —⑧一Ul 双向 双向 电池 DC／DC DC／AC —叫AC —一负荷 U3 U4 图3新型光伏储能的系统拓扑结构 2．2新型光伏储能系统运行方式 新型光伏储能系统的结构如图4所示。 图4新型光伏储能系统的结构不意图 上位机作为人机接口设备可查询系统状态和 给定综合调度信息，控制和采集系统中各变换器 的控制参数、处理整个系统的控制过程。控制器 主要负责u1、u2、u3及u4的瞬时功率平衡 控制。 2．2．1运行模式说明 在并网情况下，U1根据PV情况起动或停 止；U2控制母线电压及并网电流，四相限运行； U3根据上位机指令起动或停止工作；U4保持运 万方数据 ·分布式电源及并网技术· 电器与能效管理技术(2014No．9) 行在电压源状态，为关键负荷提供电源。在离网 情况下，u1根据PV情况起动或停止；u2脱离电 网，停止工作；U3接管Bus电压控制权力；U4保 持运行在电压源状态，为关键负荷提供电源。 并网、离网运行模式的差异主要在于U2是 否工作，同时U4保持在电压源模式不问断运行。 2．2．2并网／离网切换控制策略 新的储能逆变器系统结构在并网／离网切换 时，优势体现得非常明显，让切换过程变得非常简 单。当控制器判断到电网发生异常或者掉电时， U2停止工作，U3快速接管母线电压控制权力，控 制母线电压稳定在设定值。当电网恢复正常后， 需要从离网切换到并网时，让U2运行在电流源 模式，整个切换过程中U4保持在电压源模式不 问断运行。具体并网／离网切换策略如图5所示。 J＼位为!之／i、． U1：MPPT； 』、、迥21 u2：Bus电压 并网电流： 孥◇≤享矽 u3：恒压限 流充放电： + Y + Nj u4：负载电压 U1：NⅢPT： U1：Bus U1：～ⅢPT： u3：Bus电 电压： U3：Bus电 压恒流充 U3：恒压限 压恒流充 电： 流放电： 电： u4：负载 u4：负载 u4：负载 电压 电压 电乐 + + +Y嗡磊未≥『巡≯N J I 二网／离网标志位=1 并网／离网标志位=O 卸载或者停机 + + + 图5并l碉／离l碉切换控制策略 R。。。指蓄电池的充电状态，P，。和P‰。分别指 光伏组件能发出的光伏功率和负载功率。在并网 状态下，前面已有描述，不赘述。在离网状态下， 如果R，。Rh。。时分2种情况：①如果蓄电池还 没有充满电(即RsocRsoc…)，则U1做MPPT，U3控制母线 电压并恒流放电，u4控制负载电压；②蓄电池没 有电可放(即R。。。≤R。。。…)，则卸载或者停机。 2．3新型光伏储能系统评价 由分析可知，光伏储能逆变系统可以通过上 位机组建微电网系统，给本地的直流和交流负荷 提供优质、高效的电源。上层的控制系统可根据 一定的优化目标对系统进行能量管理和调度，使 得用户获得最大的经济效益。 此外，当电网掉电时，只需将母线电压控制切 换为U3控制即可，U2停止工作，U4一直正常工 作，可保证系统并网／离网状态之问的无缝切换， 本地的关键负荷不受影响。 5 诵 臭 3．1仿真系统介绍 针对所提新型光伏储能系统进行仿真分析， 单向u1选择为Boost电路；双向u3选择为双向 Buck／Boost电路；双向U2选择为三相三线全桥 电路；U4选择为三相四线制的三相半桥电路。 3．2仿真结果分析 u2和u4输出端口电压和电流的仿真波形 如图6所示。 400 芝202 ≥一200 一400要：蕊芝叭l 瑟旷＼／^＼√／^＼√ 400 L—百打—1志■—晶r—百高—1盔■百06要一冀roⅣo 图6并网／离网切换仿真波形 一47— 万方数据 电器与能效管理技术(2014No．9) ·分布式电源及并网技术· 由图6可见，在f=0．04 s时，电网掉电，电网 电压消失，并网电流变成0 A；u4依然保持很好 的运行状态，对于关键负荷无任何冲击。真正做 到了并网／离网的无缝切换。 4 结 语 本文针对光伏储能系统，首先分析了常规系统 拓扑及其并网／离网控制策略的优缺点，接着提出 了一种新型的系统结构，增加了一个单向的Dc／Ac 用于为本地的关键负荷提供不问断电源，系统具 有丰富的运行模式和控制策略，可实现电网掉电 时关键负荷供电完全不受影响。最后，仿真验证 了所提系统结构的正确性和有效性。 【参考文献】 『1] 张兴，曹仁贤．太阳能光伏并网发电及其逆变控制 [M]．北京：机械工业出版社，2010． 『2] 赵上林，吴在军，胡敏强，等．关于分布式发电保护 及微网保护的思考[J]．电力系统自动化，2010，34 (1)：73—77． (上接第32页) 由表5可见，优化后的样机功耗(最低动作 电压)降低了55％，动作时问缩短45％，体积减小 60％ 3 结 语 (1)磁通变换器在动铁心开始运动后，由于 受到运动反电势的影响，在速度达到一定的数值 后，线圈电流反而减小，在电流曲线上出现下凹。 (2)设置磁阻相对较小的旁路并调整铁心的 工作点在磁化曲线的拐点附近，能够在较小电流 下更加显著地抵消永磁体的吸力，从而减小磁通 变换器的动作电压。 (3)磁通变换器动作过程的仿真结果与试验 结果很好吻合，验证了仿真方法及结果的正确性。 (4)通过对磁通变换器优化方法的研究，利 用本文的优化方法对磁通变换器进行了优化设 计。优化前、后样机的对比测试表明，优化方法能 显著地降低功耗、提高动作速度。 一48一 【参考文献】 BOMPA L．SCHUELLER P．SABOMADIERE J C． Analvsis and svlmlesis of an electromagnet used for circuit breaker operation J ．IEEE Transactions on Magnetic，1985，21(6)：2464—2467． ATIENZ E．PERRAUET M．WURTZ F，et a1．A methodology for the sizing and the optimization of an electromagnetic release J ． IEEE Transactions on Magnetic，2000，36(4)：1659—1663． 向洪岗，陈德桂，李兴文，等．基于磁场和等效磁路 的磁通变换器特性仿真和优化设计[J]．电工技术 学报，2009，24(4)：85—91． 陈德桂．磁通变换器的优化设计[J]．低压电器， 2005(9)：7—9． 颜威利，杨庆新，汪友华，等．电气工程电磁场数值 分析f M]．北京：机械工业出版社，2005． 周英姿，尹天文，李甲，等．磁通变换器的动态特性 仿真[J]．低压电器，20ll(12)：1—3，23． 收稿日期：2014 04一03 一一一一一 一班一一一一 一一 ～一一一一 一一一一一瓤一一～一一一n一一 一一～一一一一一～一一一一一一一一一一铽一～～一 3 4 5 6 7 8 ]J]J]J]I 1 2 3 4 5 6 rl rl rl r} 万方数据