儲能逆變器能量管理及直流母線控制策略的研究

李冰 李宏

摘 要：儲能逆變器既可以支持并網工作，也可以支持離網工作，同時還支持并離網無縫切換，較普通并網逆變器或離網逆變器復雜很多。傳統的方案仍然把儲能逆變器看做一個整體，但是實際應用中工況繁多，系統變得復雜龐大，嚴重影響系統的分析和研究，進而影響系統的穩定性。為了降低系統分析和研究的難度，筆者首先調研了儲能逆變器的市場需求，從中歸納了能量管理的方案。在此前提下，研究了一種基于母線管理的系統分解方案。將系統分解為多個子系統，不同工況下，通過指定不同子系統控制母線的辦法，讓各子系統獨立運行。通過實際驗證，方法可行有效。

關鍵詞：光伏、儲能、逆變器、母線電壓控制

0 引言

太陽能作為取之不盡、用之不竭、分布廣泛、無污染的新能源，具有更廣闊的發展前景，更受到各方研究人員的青睞。據國際能源署（IEA）預測，到2030年全球光伏累計裝機量有望達1721GW，到2050年將進一步增加至4670GW，光伏行業發展潛力巨大。

但是，太陽能光伏發電的能量直接來源于太陽光的照射，而地球表面上的太陽照射受氣候的影響很大，長期的雨雪天、陰天、霧天甚至云層的變化都會嚴重影響系統的發電狀態。隨著光伏裝機容量的增長，光伏并網發電的不穩定性問題逐漸凸顯。為解決光伏發電的穩定性，同時增加電網的可靠性，均衡峰谷電荷，光伏廠家逐漸開始開發儲能產品。

儲能逆變器既可以工作在并網模式，也可以工作與離網模式，電池板、電池、電網、負載會出現多種組和工況，給儲能系統的設置增加很多難度。為增加系統穩定性，減小設計難度，筆者以公用直流母線電壓為接口，將復雜的系統解耦為多個獨立的子系統。

1. 能量管理

傳統的并網逆變器實時將電池板的能量輸送到電網；傳統的離網逆變器輕載時將電池板的能量存入電池，重載時從電池取電。兩者的能量管理模式都很單一，管理算法簡單。

儲能逆變器，可以并網也可以離網，還需要并離網無縫切換。能量管理比較復雜。能量流動方向如下圖。

筆者調研了儲能逆變器的市場需求，按照應用需求，歸納為3種工作模式：通用模式、離網模式、備用模式和經濟模式。

通用模式：該模式為儲能機的常用模式，能量管理總策略為：最大能力本地消化能量。當電池板功率大時，優先給負載和電池使用；電池板功率小時負載優先使用電池能量。即：

能量消耗順序：電池板 > 電池 > 電網。

能量輸出順序：本地負載 > 電池 > 電網

離網模式：該模式主要應用于偏遠山區或牧區等無電網區域。能量管理同離網機：輕載時將板的能量存入電池，重載時從電池取電。

備用模式：該模式主要應用于有電網，但是電網不穩定，經常停電的情況。能量管理策略為有電網時，電池板能量優先給電池充電，電網斷電時，用電池的能量供本地負載。

經濟模式：該模式主要應用于峰谷電價差別較大的地區。能量管理策略為：電網用電高峰期把電池能量輸送到電網；電網用電低谷期從電網上取電給電池充電。

2. 子系統劃分

為降低系統復雜性，按照功能劃分，分為4個子系統：邏輯時序及控制子系統、電池板輸入子系統、電池管理子系統、逆變子系統。各子系統的功能如下：

2.1 邏輯時序及控制子系統。該子系統主要負責啟停時序，運行邏輯，電量統計，接地故障檢測，漏電流檢測，孤島檢測等。

2.2電池板輸入子系統。該子系統負責在并網模式或有電池的離網模式下對電池板進行MPPT跟蹤，在無電池的離網模式下控制母線電壓。

2.3電池管理子系統。該子系統負責儲能的充放電管理，同時在離網模式下穩母線電壓。

2.4 逆變子系統。該子系統負責將直流電轉換為交流電，接電網及用電設備。

3.母線電壓的控制

電池板輸入子系統、電池輸入子系統、逆變子系統三者以母線為界分為三個獨立系統，三個子系統處了共用直流母線，幾乎無耦合。

根據電網電壓及直流輸入電壓，計算出停止PV輸入母線電壓Ubus_boost_stop，啟動PV輸入母線電壓Ubus_start，電池自動充電最低電壓Ubus_charge，交流穩壓電壓給定Ubus_give，電池自動放電最高電壓Ubus_discharge。

電池板輸入子系統負載最大功率點跟蹤，不參與母線控制，當能量過剩，母線超過Ubus_ boost_stop時停止工作，當母線電壓將至Ubus_ boost_start時再次啟動。

系統處于離網模式時，電池輸入子系統負責控制母線電壓：如果母線電壓大于等于Ubus_charge，電池管理子系統給電池充電；如果母線電壓小于等于Ubus_discharge，電池管理子系統從電池放電；母線電壓在兩者之間時，不充電也不放電，此時，電池板能量與負載能量相等。

系統處于并網模式時，逆變子系統負責控制母線電壓： 如果系統處于賣電的狀態，電池管理子系統給電池充電；如果系統處于買電的狀態，電池管理子系統從電池放電；如果系統處于買賣電平衡狀態，不充電也不放電。

4.驗證

筆者根據上述策略設計了一臺5kw儲能樣機，并用該樣機組建家庭微網系統。電池板5kw，電池48V、200Ah，負載有手機充電器、電視機、風扇、照明燈具等。

經1個月的觀察，機器運行穩定，無論電網是否有電，各用電負載正常工作。同時，負載輕、電池板能量強時可實現余電上網；電池板能量若時電池放電，也可以維持賣電賣電平衡，電池電量低時，自動從電網取電，確保負載正常供電。

5.結論

筆者通過對其系統的分解，將其分為多個獨立運行的子系統。該方案可大大減小系統設計和分析的難度，增加系統穩定度。經實際驗證，上述控制策略完全可以滿足當前常規用戶的使用要求。