一種可與市電并聯的分布式發電儲能離網逆變器控制方法及應用

孫玉鴻 嚴 蕾

（1. 上海追日電氣有限公司，上海 200331；2. 山東省水利勘測設計院，濟南 250014）

一種可與市電并聯的分布式發電儲能離網逆變器控制方法及應用

孫玉鴻1嚴 蕾2

（1. 上海追日電氣有限公司，上海 200331；2. 山東省水利勘測設計院，濟南 250014）

本文提出了一種新的儲能型分布式發電離網逆變器控制方案：當市電正常時，可并網運行，供給負載運行所需的大部分能量；當市電不正常時，快速切換到離網運行，確保重要負荷的不間斷供電。方案采用雙向 BUCK-BOOST電路實現小容量分布式光伏發電離網或并網運行，從而優化并降低戶用型光伏發電儲能系統的配置成本，提高動力電池的綜合利用率。通過調節光伏儲能離網逆變并聯市電輸出的相位和幅值，使市電提供負載大部分功率的同時，該逆變器的并網電流和市電之間只存在給定的相位差，從而有效提高系統運行的功率因數。

儲能；離網逆變器；市電；功率因數；光伏微網

風能、太陽能等間歇式可再生新能源發電電源并網及其輸配電應用技術是目前能源領域優先發展主題之一，是今后能源結構調整的主流方向。真正影響未來能源大格局的是電力的儲能技術，儲能技術很可能是下一個能源革命里面最重要的突破方向，是未來改變即發即用傳統發輸配能源結構和電力消費方式變革的戰略性支撐。電池儲能系統在分布式電源與負荷供需特征矛盾下的應用更受關注，但目前由于動力電池儲能成本仍然較高、效率偏低，仍處于示范應用與技術經濟性提升開發階段，在技術創新提升經濟性的同時，商業模式的創新與政策環境的支持也在同步探討中[1-2]。

通過儲能離網逆變器，可以實現對分布式間歇供電、供電環境不穩定及孤島離網運行方式下網側電能的供給、控制與調節等任務。研究儲能離網逆變器在各種應用條件下的最佳拓撲結構、組合方式、可并網性以及控制算法，對優化儲能設施成本及利用率、減小整體損耗、提高市電功率因數、改善供電可靠性等各個方面具有重要的意義和工程實用價值[3-6]。

動力電池儲能系統一般由儲能電池組、逆變器、用電負荷及控制系統組成，靈活地接入分布式新能源發電供能進行局域運行是一種經濟供給方式。由于動力儲能電池組成本高，獨立的分布式供電容量有限，還受光伏發電非連續性等影響，導致其帶載能力受到負載特性及電器開關投入沖擊性等限制而十分有限，這些都會增加電池儲能系統應用的成本并導致系統效率低，制約新能源發電的高效利用。因而接合市電并網、可離并網運行的電池儲能系統及其儲能逆變器的控制研發與應用，是解決上述技術經濟性問題的手段之一[7-8]。

本文研究的分布式光伏儲能離網逆變器的市電并聯運行的控制方式，圖1所示為一種單相光伏儲能逆變器離并網運行原理圖。為了降低儲能成本提高經濟性，將光伏發電、儲能離網逆變器、儲能電池組與負載、市電融入在一個系統中，提升了分布式小容量光伏發電及配套儲能電池的帶載能力，減少了電池組串并聯數量；前級通過雙向 BUCKBOOST架構[9]，分別控制 Q1和 Q2開關管實現光伏對儲能電池的充電與對負載的供電。其中 Q1和Q2的導通時序互補，Q1導通時Q2關斷，Q1關斷時Q2導通。當儲能逆變器離網輸出功率時，Q2為主開關管，此時 Q1的旁路二極管起 Q2關斷后L0電感的續流作用，前級電路變為 BOOST電路；反之，儲能逆變器與市電并聯時，Q1為主開關管，此時Q2的旁路二極管起Q1關斷后L0電感的續流作用，前級變為BUCK電路，負載主要由市電供能。當太陽能電池板光照不足且電池容量低于設定值時，市電還可通過后級全橋電路對儲能電池進行反向充電，供給儲能電池有足夠的電能應對孤島時負載的電能需求；通過控制方式的改進，當市電Vg正常時，繼電器K閉合，光伏儲能逆變器也可以通過電感L2與市電并聯共同給負載提供電能。

圖1 一種與市電并聯的光伏儲能離網逆變器架構

該雙向BUCK-BOOST電路控制框圖如圖2所示。

圖2 雙向BUCK-BOOST電路控制框圖

本文主要從光伏儲能型離網逆變器可并聯市電運行技術可實施角度，重點分析通過控制調整光伏儲能離網逆變器輸出的電壓和相位角實現與市電的并聯運行，提高并網輸出質量與接入點功率因數，然后結合研究實驗成果在光伏微網離并網儲能系統的應用分析離并網運行控制實施的適應性與經濟性，從而提高電池儲能在分布式發電系統的利用率與應用價值。

1 儲能離網逆變器與市電并網運行輸出電壓幅值和相位推導

設市電 Vg為一個標準的正弦波形且 L2自身的阻抗為ωL2，離網逆變器輸出參考Vref為V0sin(ωt-α)，則流過 L2的電流 iL2為

其中，2LI 和δ可以求得

為了提高市電PF值，需要保證0δ=，所以通過取儲能逆變器輸出電壓0V的相位α保證

如果滿足上式，則2Li的相位為0，這樣就提高了市電Vg的功率因數。

從式（2）、式（3）可以看出，市電是不可改變的，為了得到2L上的期望電流，只能通過調節逆變的輸出電壓幅值0V和相位α來實現。當設定2LI和δ已知時，可得[10]

這樣，根據式（5）和參考文獻[11]采用的帶負載電流前饋的儲能逆變器雙環控制框圖，實現離網逆變器的市電并聯運行，如圖3所示。

圖3 與市電并聯的儲能逆變器控制框圖

2 光伏儲能離網逆變器并網運行效果的實驗驗證

為了驗證上述控制算法的可能性及并聯運行的穩定性，在5kW儲能離網逆變器上進行改進驗證，離網逆變硬件部分的基本參數為 C = 2 5μF，L1=8 80μH，L2=50μH。盡管δ=0時功率因數最大，但根據式（5）此時要求逆變輸出幅值 V0為，由于實際中在帶較大功率負載時逆變的輸出電壓不會太高，所以此時V0的真實值較理論值要小很多，反而控制效果不是很好。為此，在實驗中，令sinδ=0.25，即要求市電電壓和電流相位差 δ = 0 .2527，此時，市電的功率因數cosδ = 0 .9682。

在下面各實驗測試的 5kW 儲能離網逆變器與市電并網運行帶負載時的電流、電壓波形。圖4中1為逆變器輸出的電壓波形，2為市電的電壓波形，3為負載電流波形也即改進之前的市電電流波形，4為并聯運行后的市電電流波形。可以看出，在光伏儲能離網逆變器與市電并聯運行時市電分擔了負載大部分電能需求。以圖7為例，市電單獨帶載時，市電電流PF值為0.62，THD變為31%左右；離網儲能逆變器和市電并聯后，市電電流PF值為0.76，THD變為18%左右。這樣在非線性負載條件下并網接入點的功率因數得到提高。

圖4 投0.5K阻性載時的波形

圖5 投2K阻性載時的波形

圖6 投0.3K RCD載（負載電容為0.3×2200μF）時的波形

圖7 帶1.3K RCD載（負載電容為1.3×2200μF）時的波形

分析上述得到的實驗結果，對阻性負載的控制效果要好于對非線性負載的控制效果，這是由于當光伏儲能離網逆變器帶非線性負載時，其輸出不是一個標準正弦函數的緣故，帶非線性負載控制效果要略差于阻性負載。通過分析，我們認為這是由于在這些情況下負載電流很小（尤其是在阻性負載的情況），這樣L2I 就比較小，通過上述推導公式可以看出在這種情況下，逆變輸出同市電之間的相位差也就很小。這樣就直接導致控制程序中一些不可避免的計算誤差以及市電的非嚴格正弦性所帶來的誤差相對而言很大，使得控制效果就不是很好。值得注意的是，在實驗中，當負載電流越大時，得到的控制效果越好，同時結合市電并網運行效果明顯更好。由于儲能成本與轉換效率等原因單純的動力電池儲能還不具備推廣的優勢，但這種具有離并網功能的儲能逆變器對偏遠地區、電網供應不穩定或常停電的場合結合新能源發電的平衡供電與應急用電的調節具有一定的推廣價值。

3 儲能離網逆變器的并網示范運行應用情況

上海中鑫企業廣場園區綠化走廊10kW光伏微網離/并網儲能示范系統，采用上述 5kW 光伏儲能離網逆變器進行離并網運行改造后，與10kW光伏組件、5kW光伏并網逆變器、40.96kW·h鋰離子動力蓄電池、BMS電池管理系統、通信轉換單元、后臺遠程監控系統、小區供電網、辦公樓負載單元等組成，其中光伏儲能離網逆變器內設置有離并網逆變單元、儲能充放單元與儲能控制開關，實現了真正的離并網運行。該系統可實現的主要功能包括：光伏并網發電與光伏充電、光伏離網發電并給負載供電、光伏離網發電并給電動汽車充電，光伏離網發電并與動力蓄電池組一起同時給負載供電，動力蓄電池組單獨給負載供電或給電動汽車充電等。同時系統在儲能離網逆變器并網運行時通過本文提供的逆變器輸出電壓和相位的偏差設定也改善了電網并入點的功率因數。該系統共有4種主要工作狀態，即光伏并網運行狀態、光伏儲能離網運行狀態、儲能離網運行狀態、市電獨立運行狀態。

光伏并網運行狀態：投入系統中的“光伏控制”、“并網控制”開關，系統處于光伏并網運行狀態，并網逆變單元、離并網逆變單元工作，系統主要將光伏發電與市電并聯進行并網運行，并支持就地所有負荷的正常工作，如圖8所示。在此狀態下投入儲能逆變器的“儲能控制”開關，離并網儲能充放單元可同時與動力電池組互聯工作，結合儲能電流進行雙向充放電控制，如圖9所示。

圖8 光伏并網運行狀態實際畫面1

圖9 光伏并網狀態實際運行畫面2

光伏儲能離網運行狀態：投入系統中的“光伏控制”開關，斷開“并網控制”開關，系統脫離市電進行離網運行，并網逆變單元自動停止，離并網逆變單元繼續運行，系統自動將光伏太陽能和儲能蓄電池的能量通過離并網逆變器轉換為工作電源，優先保證重要負載正常工作的供電需要，如圖10所示。

圖10 光伏儲能離網狀態實際運行畫面

儲能離網運行狀態：光伏沒有電能可供且市電也不正常時，斷開系統中的“光伏控制”開關、“并網控制”開關，系統處于儲能離網運行狀態，離并網逆變單元將儲能電池的能量通過離并網逆變器轉換為工作電源，優先保證重要負載正常工作的供電需要，如圖11所示。

圖11 儲能離網狀態實際運行畫面

市電獨立運行狀態：對于非重要負載投入系統“并網控制”開關，斷開“光伏控制”開關，系統處于市電獨立運行狀態，離并網儲能逆變單元都停止工作，如圖12所示。為了保持重要負載的不間斷供電，對于重要負載在該狀態增加離網逆變器和市電并聯運行模式，正常下重要負載的大部分電能由市電提供，離網逆變器的任務是提高負載功率因數。市電異常時該狀態快速切換到光伏儲能離網運行狀態或儲能離網運行狀態，確保重要負載的不間斷供電。系統設置當夜間低谷或白天高峰用電時自動投入儲能逆變器的“儲能控制”開關，結合動力電池單元的電量進行雙向的補能或供能運行，以獲得更好的經濟效益，此時對比投入前后在相同負荷下的測量數據接入點功率因數最高提升了 1%，如圖 13所示。

圖12 市電獨立狀態實際運行畫面1

圖13 市電獨立狀態實際運行畫面2

鑒于應用中的儲能逆變器前級加入 BUCKBOOST架構，降低了儲能電池最低電壓進一步減少了電池的串聯數與系統配置成本。同時策略中設定輸出電壓為標準的正弦波，采用了上述式（5）控制分布式離網逆變器的電壓參考值提高了市電模式下的功率因數，但在此試驗中非線性負載條件下電壓畸變較大，提高功率因數較少，后續需持續研究改進該算法。

該工程通過本研究改造擴展了離網儲能逆變器的功用，并在光伏微電網系統中并網應用，系統儲能容量由原先設計的單純光伏離網發電儲能試驗運行，需要結合光伏能力考慮足夠的儲能容量、結合負載及負載的沖擊性考慮足夠的冗余度的目標需求降低了2/3。系統功能由原分散性離網并網運行、充電儲能試驗性研究改進為基于分布式光伏發電的離并網儲能微網運行系統的開發與驗證。運行方式由單純的光伏儲能對小容量負荷供電改進為供電正常情況下并網優先供本地負載使用、夜間儲能補電，供電不正常下儲能與光伏同時承擔辦公樓重要負載的供電，在滿足目標開發測試功能的情況下優化了近1/2的系統配置成本，取得了好的效果。

其經濟性也在具體的使用中體現：運行3年來通過地方對可再生能源光伏發電實現電費補貼或減少電費支出收益、儲能充放電應急使用等綜合效益已直接或間接收回投入近1/3。相應地減少碳排放與節能降耗因素也能具體體現在對環境污染治理等綜合效益中。作為電力發展的預期政策，動力電池儲能應用參與電網峰谷電價差異加大后供電與負荷兩種角色的轉換應用將變為現實，這種可并網的儲能逆變器會更好地得到推廣應用。目前在電網供應不足或不穩定、需要儲能供電調節的場合更具有實用價值與推廣意義。

4 結論

本文通過對光伏儲能型離網逆變器可并聯市電運行控制方案的研究，實現了離網逆變器與市電的并聯，采用控制逆變器輸出電壓的幅值和相位方式實現并網時市電對負載提供大部分電能的同時，還提高了并網運行時電網的功率因數。實驗結果體現在改造離并網儲能微網系統示范運行的成果中，驗證了本控制方法及算法的可行性和實用性。

通過對儲能離網逆變器并網功能擴展并在光伏微電網發電中的應用，使光伏發電及儲能單元在市電優先的情況下并入系統運行，在市電不正常時可離網運行，負載運行所需的大部分能量由光伏及市電直接供給，實現了系統的經濟運行。系統分擔了儲能動力電池的輸出容量，改變了原有儲能系統只能離網運行的單一模式，需要配置足夠大的動力電池進行光伏發電的儲能與負載運行的供給，降低戶用型光伏發電系統及儲能單元的配置成本，提高了設備綜合的利用率。

新能源光伏發電與最佳應用對環境污染的控制、節能降耗等綜合效益潛力很大，在未來儲能成本進一步降低、市電峰谷電價差異加大后，具有離并網運行功能的儲能單元作為供電與負荷兩種角色進行高效轉換，可進一步提升儲能單元的應用價值。

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The Control Method of a Distributed PV Energy Storage Off-line Inverter in Parallel with Grid and its Application

Sun Yuhong1Yan Lei2
(1. Shanghai Surpass Sun Electric Co., Ltd, Shanghai 200331;2. Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy, Ji’nan 250014)

The paper proposes a novel control strategy for distributed energy storage off-line inverter. When the grid is normal, the inverter with the proposed control method can work in parallel with the grid and most load power consumption can be supplied by the grid. When the grid is abnormal,the inverter works in off-line mode quickly in order to supply power to important load uninterruptly. In the other hand, a BUCK-BOOST circuit with power double flow topology is used, therefore, small capacity power battery can satisfy the application in distributed energy storage system. Accordingly the cost of system hardware can be decreased, and the using efficiency of the energy storage battery can be increased. By way of adjusting the amplitude and phase of the output voltage and making the output current phase of the inverter deviate the given angle with the utility current, the electric energy of storage battery not only can be saved, the high power factor can be also be achieved for utility supply source.

energy storage; off-line inverter; utility; power factor; PV micro grid

孫玉鴻（1967-），男，高級工程師，主要從事新能源轉換與微電網儲能、智能電網系統技術研究。