一种可与市电并联的分布式发电储能离网逆变器控制方法及应用

孙玉鸿 严 蕾

（1. 上海追日电气有限公司，上海 200331；2. 山东省水利勘测设计院，济南 250014）

一种可与市电并联的分布式发电储能离网逆变器控制方法及应用

孙玉鸿1严 蕾2

（1. 上海追日电气有限公司，上海 200331；2. 山东省水利勘测设计院，济南 250014）

本文提出了一种新的储能型分布式发电离网逆变器控制方案：当市电正常时，可并网运行，供给负载运行所需的大部分能量；当市电不正常时，快速切换到离网运行，确保重要负荷的不间断供电。方案采用双向 BUCK-BOOST电路实现小容量分布式光伏发电离网或并网运行，从而优化并降低户用型光伏发电储能系统的配置成本，提高动力电池的综合利用率。通过调节光伏储能离网逆变并联市电输出的相位和幅值，使市电提供负载大部分功率的同时，该逆变器的并网电流和市电之间只存在给定的相位差，从而有效提高系统运行的功率因数。

储能；离网逆变器；市电；功率因数；光伏微网

风能、太阳能等间歇式可再生新能源发电电源并网及其输配电应用技术是目前能源领域优先发展主题之一，是今后能源结构调整的主流方向。真正影响未来能源大格局的是电力的储能技术，储能技术很可能是下一个能源革命里面最重要的突破方向，是未来改变即发即用传统发输配能源结构和电力消费方式变革的战略性支撑。电池储能系统在分布式电源与负荷供需特征矛盾下的应用更受关注，但目前由于动力电池储能成本仍然较高、效率偏低，仍处于示范应用与技术经济性提升开发阶段，在技术创新提升经济性的同时，商业模式的创新与政策环境的支持也在同步探讨中[1-2]。

通过储能离网逆变器，可以实现对分布式间歇供电、供电环境不稳定及孤岛离网运行方式下网侧电能的供给、控制与调节等任务。研究储能离网逆变器在各种应用条件下的最佳拓扑结构、组合方式、可并网性以及控制算法，对优化储能设施成本及利用率、减小整体损耗、提高市电功率因数、改善供电可靠性等各个方面具有重要的意义和工程实用价值[3-6]。

动力电池储能系统一般由储能电池组、逆变器、用电负荷及控制系统组成，灵活地接入分布式新能源发电供能进行局域运行是一种经济供给方式。由于动力储能电池组成本高，独立的分布式供电容量有限，还受光伏发电非连续性等影响，导致其带载能力受到负载特性及电器开关投入冲击性等限制而十分有限，这些都会增加电池储能系统应用的成本并导致系统效率低，制约新能源发电的高效利用。因而接合市电并网、可离并网运行的电池储能系统及其储能逆变器的控制研发与应用，是解决上述技术经济性问题的手段之一[7-8]。

本文研究的分布式光伏储能离网逆变器的市电并联运行的控制方式，图1所示为一种单相光伏储能逆变器离并网运行原理图。为了降低储能成本提高经济性，将光伏发电、储能离网逆变器、储能电池组与负载、市电融入在一个系统中，提升了分布式小容量光伏发电及配套储能电池的带载能力，减少了电池组串并联数量；前级通过双向 BUCKBOOST架构[9]，分别控制 Q1和 Q2开关管实现光伏对储能电池的充电与对负载的供电。其中 Q1和Q2的导通时序互补，Q1导通时Q2关断，Q1关断时Q2导通。当储能逆变器离网输出功率时，Q2为主开关管，此时 Q1的旁路二极管起 Q2关断后L0电感的续流作用，前级电路变为 BOOST电路；反之，储能逆变器与市电并联时，Q1为主开关管，此时Q2的旁路二极管起Q1关断后L0电感的续流作用，前级变为BUCK电路，负载主要由市电供能。当太阳能电池板光照不足且电池容量低于设定值时，市电还可通过后级全桥电路对储能电池进行反向充电，供给储能电池有足够的电能应对孤岛时负载的电能需求；通过控制方式的改进，当市电Vg正常时，继电器K闭合，光伏储能逆变器也可以通过电感L2与市电并联共同给负载提供电能。

图1 一种与市电并联的光伏储能离网逆变器架构

该双向BUCK-BOOST电路控制框图如图2所示。

图2 双向BUCK-BOOST电路控制框图

本文主要从光伏储能型离网逆变器可并联市电运行技术可实施角度，重点分析通过控制调整光伏储能离网逆变器输出的电压和相位角实现与市电的并联运行，提高并网输出质量与接入点功率因数，然后结合研究实验成果在光伏微网离并网储能系统的应用分析离并网运行控制实施的适应性与经济性，从而提高电池储能在分布式发电系统的利用率与应用价值。

1 储能离网逆变器与市电并网运行输出电压幅值和相位推导

设市电 Vg为一个标准的正弦波形且 L2自身的阻抗为ωL2，离网逆变器输出参考Vref为V0sin(ωt-α)，则流过 L2的电流 iL2为

其中，2LI 和δ可以求得

为了提高市电PF值，需要保证0δ=，所以通过取储能逆变器输出电压0V的相位α保证

如果满足上式，则2Li的相位为0，这样就提高了市电Vg的功率因数。

从式（2）、式（3）可以看出，市电是不可改变的，为了得到2L上的期望电流，只能通过调节逆变的输出电压幅值0V和相位α来实现。当设定2LI和δ已知时，可得[10]

这样，根据式（5）和参考文献[11]采用的带负载电流前馈的储能逆变器双环控制框图，实现离网逆变器的市电并联运行，如图3所示。

图3 与市电并联的储能逆变器控制框图

2 光伏储能离网逆变器并网运行效果的实验验证

为了验证上述控制算法的可能性及并联运行的稳定性，在5kW储能离网逆变器上进行改进验证，离网逆变硬件部分的基本参数为 C = 2 5μF，L1=8 80μH，L2=50μH。尽管δ=0时功率因数最大，但根据式（5）此时要求逆变输出幅值 V0为，由于实际中在带较大功率负载时逆变的输出电压不会太高，所以此时V0的真实值较理论值要小很多，反而控制效果不是很好。为此，在实验中，令sinδ=0.25，即要求市电电压和电流相位差 δ = 0 .2527，此时，市电的功率因数cosδ = 0 .9682。

在下面各实验测试的 5kW 储能离网逆变器与市电并网运行带负载时的电流、电压波形。图4中1为逆变器输出的电压波形，2为市电的电压波形，3为负载电流波形也即改进之前的市电电流波形，4为并联运行后的市电电流波形。可以看出，在光伏储能离网逆变器与市电并联运行时市电分担了负载大部分电能需求。以图7为例，市电单独带载时，市电电流PF值为0.62，THD变为31%左右；离网储能逆变器和市电并联后，市电电流PF值为0.76，THD变为18%左右。这样在非线性负载条件下并网接入点的功率因数得到提高。

图4 投0.5K阻性载时的波形

图5 投2K阻性载时的波形

图6 投0.3K RCD载（负载电容为0.3×2200μF）时的波形

图7 带1.3K RCD载（负载电容为1.3×2200μF）时的波形

分析上述得到的实验结果，对阻性负载的控制效果要好于对非线性负载的控制效果，这是由于当光伏储能离网逆变器带非线性负载时，其输出不是一个标准正弦函数的缘故，带非线性负载控制效果要略差于阻性负载。通过分析，我们认为这是由于在这些情况下负载电流很小（尤其是在阻性负载的情况），这样L2I 就比较小，通过上述推导公式可以看出在这种情况下，逆变输出同市电之间的相位差也就很小。这样就直接导致控制程序中一些不可避免的计算误差以及市电的非严格正弦性所带来的误差相对而言很大，使得控制效果就不是很好。值得注意的是，在实验中，当负载电流越大时，得到的控制效果越好，同时结合市电并网运行效果明显更好。由于储能成本与转换效率等原因单纯的动力电池储能还不具备推广的优势，但这种具有离并网功能的储能逆变器对偏远地区、电网供应不稳定或常停电的场合结合新能源发电的平衡供电与应急用电的调节具有一定的推广价值。

3 储能离网逆变器的并网示范运行应用情况

上海中鑫企业广场园区绿化走廊10kW光伏微网离/并网储能示范系统，采用上述 5kW 光伏储能离网逆变器进行离并网运行改造后，与10kW光伏组件、5kW光伏并网逆变器、40.96kW·h锂离子动力蓄电池、BMS电池管理系统、通信转换单元、后台远程监控系统、小区供电网、办公楼负载单元等组成，其中光伏储能离网逆变器内设置有离并网逆变单元、储能充放单元与储能控制开关，实现了真正的离并网运行。该系统可实现的主要功能包括：光伏并网发电与光伏充电、光伏离网发电并给负载供电、光伏离网发电并给电动汽车充电，光伏离网发电并与动力蓄电池组一起同时给负载供电，动力蓄电池组单独给负载供电或给电动汽车充电等。同时系统在储能离网逆变器并网运行时通过本文提供的逆变器输出电压和相位的偏差设定也改善了电网并入点的功率因数。该系统共有4种主要工作状态，即光伏并网运行状态、光伏储能离网运行状态、储能离网运行状态、市电独立运行状态。

光伏并网运行状态：投入系统中的“光伏控制”、“并网控制”开关，系统处于光伏并网运行状态，并网逆变单元、离并网逆变单元工作，系统主要将光伏发电与市电并联进行并网运行，并支持就地所有负荷的正常工作，如图8所示。在此状态下投入储能逆变器的“储能控制”开关，离并网储能充放单元可同时与动力电池组互联工作，结合储能电流进行双向充放电控制，如图9所示。

图8 光伏并网运行状态实际画面1

图9 光伏并网状态实际运行画面2

光伏储能离网运行状态：投入系统中的“光伏控制”开关，断开“并网控制”开关，系统脱离市电进行离网运行，并网逆变单元自动停止，离并网逆变单元继续运行，系统自动将光伏太阳能和储能蓄电池的能量通过离并网逆变器转换为工作电源，优先保证重要负载正常工作的供电需要，如图10所示。

图10 光伏储能离网状态实际运行画面

储能离网运行状态：光伏没有电能可供且市电也不正常时，断开系统中的“光伏控制”开关、“并网控制”开关，系统处于储能离网运行状态，离并网逆变单元将储能电池的能量通过离并网逆变器转换为工作电源，优先保证重要负载正常工作的供电需要，如图11所示。

图11 储能离网状态实际运行画面

市电独立运行状态：对于非重要负载投入系统“并网控制”开关，断开“光伏控制”开关，系统处于市电独立运行状态，离并网储能逆变单元都停止工作，如图12所示。为了保持重要负载的不间断供电，对于重要负载在该状态增加离网逆变器和市电并联运行模式，正常下重要负载的大部分电能由市电提供，离网逆变器的任务是提高负载功率因数。市电异常时该状态快速切换到光伏储能离网运行状态或储能离网运行状态，确保重要负载的不间断供电。系统设置当夜间低谷或白天高峰用电时自动投入储能逆变器的“储能控制”开关，结合动力电池单元的电量进行双向的补能或供能运行，以获得更好的经济效益，此时对比投入前后在相同负荷下的测量数据接入点功率因数最高提升了 1%，如图 13所示。

图12 市电独立状态实际运行画面1

图13 市电独立状态实际运行画面2

鉴于应用中的储能逆变器前级加入 BUCKBOOST架构，降低了储能电池最低电压进一步减少了电池的串联数与系统配置成本。同时策略中设定输出电压为标准的正弦波，采用了上述式（5）控制分布式离网逆变器的电压参考值提高了市电模式下的功率因数，但在此试验中非线性负载条件下电压畸变较大，提高功率因数较少，后续需持续研究改进该算法。

该工程通过本研究改造扩展了离网储能逆变器的功用，并在光伏微电网系统中并网应用，系统储能容量由原先设计的单纯光伏离网发电储能试验运行，需要结合光伏能力考虑足够的储能容量、结合负载及负载的冲击性考虑足够的冗余度的目标需求降低了2/3。系统功能由原分散性离网并网运行、充电储能试验性研究改进为基于分布式光伏发电的离并网储能微网运行系统的开发与验证。运行方式由单纯的光伏储能对小容量负荷供电改进为供电正常情况下并网优先供本地负载使用、夜间储能补电，供电不正常下储能与光伏同时承担办公楼重要负载的供电，在满足目标开发测试功能的情况下优化了近1/2的系统配置成本，取得了好的效果。

其经济性也在具体的使用中体现：运行3年来通过地方对可再生能源光伏发电实现电费补贴或减少电费支出收益、储能充放电应急使用等综合效益已直接或间接收回投入近1/3。相应地减少碳排放与节能降耗因素也能具体体现在对环境污染治理等综合效益中。作为电力发展的预期政策，动力电池储能应用参与电网峰谷电价差异加大后供电与负荷两种角色的转换应用将变为现实，这种可并网的储能逆变器会更好地得到推广应用。目前在电网供应不足或不稳定、需要储能供电调节的场合更具有实用价值与推广意义。

4 结论

本文通过对光伏储能型离网逆变器可并联市电运行控制方案的研究，实现了离网逆变器与市电的并联，采用控制逆变器输出电压的幅值和相位方式实现并网时市电对负载提供大部分电能的同时，还提高了并网运行时电网的功率因数。实验结果体现在改造离并网储能微网系统示范运行的成果中，验证了本控制方法及算法的可行性和实用性。

通过对储能离网逆变器并网功能扩展并在光伏微电网发电中的应用，使光伏发电及储能单元在市电优先的情况下并入系统运行，在市电不正常时可离网运行，负载运行所需的大部分能量由光伏及市电直接供给，实现了系统的经济运行。系统分担了储能动力电池的输出容量，改变了原有储能系统只能离网运行的单一模式，需要配置足够大的动力电池进行光伏发电的储能与负载运行的供给，降低户用型光伏发电系统及储能单元的配置成本，提高了设备综合的利用率。

新能源光伏发电与最佳应用对环境污染的控制、节能降耗等综合效益潜力很大，在未来储能成本进一步降低、市电峰谷电价差异加大后，具有离并网运行功能的储能单元作为供电与负荷两种角色进行高效转换，可进一步提升储能单元的应用价值。

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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

孙玉鸿（1967-），男，高级工程师，主要从事新能源转换与微电网储能、智能电网系统技术研究。