储能逆变器能量管理及直流母线控制策略的研究

李冰 李宏

摘 要：储能逆变器既可以支持并网工作，也可以支持离网工作，同时还支持并离网无缝切换，较普通并网逆变器或离网逆变器复杂很多。传统的方案仍然把储能逆变器看做一个整体，但是实际应用中工况繁多，系统变得复杂庞大，严重影响系统的分析和研究，进而影响系统的稳定性。为了降低系统分析和研究的难度，笔者首先调研了储能逆变器的市场需求，从中归纳了能量管理的方案。在此前提下，研究了一种基于母线管理的系统分解方案。将系统分解为多个子系统，不同工况下，通过指定不同子系统控制母线的办法，让各子系统独立运行。通过实际验证，方法可行有效。

关键词：光伏、储能、逆变器、母线电压控制

0 引言

太阳能作为取之不尽、用之不竭、分布广泛、无污染的新能源，具有更广阔的发展前景，更受到各方研究人员的青睐。据国际能源署（IEA）预测，到2030年全球光伏累计装机量有望达1721GW，到2050年将进一步增加至4670GW，光伏行业发展潜力巨大。

但是，太阳能光伏发电的能量直接来源于太阳光的照射，而地球表面上的太阳照射受气候的影响很大，长期的雨雪天、阴天、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。随着光伏装机容量的增长，光伏并网发电的不稳定性问题逐渐凸显。为解决光伏发电的稳定性，同时增加电网的可靠性，均衡峰谷电荷，光伏厂家逐渐开始开发储能产品。

储能逆变器既可以工作在并网模式，也可以工作与离网模式，电池板、电池、电网、负载会出现多种组和工况，给储能系统的设置增加很多难度。为增加系统稳定性，减小设计难度，笔者以公用直流母线电压为接口，将复杂的系统解耦为多个独立的子系统。

1. 能量管理

传统的并网逆变器实时将电池板的能量输送到电网；传统的离网逆变器轻载时将电池板的能量存入电池，重载时从电池取电。两者的能量管理模式都很单一，管理算法简单。

储能逆变器，可以并网也可以离网，还需要并离网无缝切换。能量管理比较复杂。能量流动方向如下图。

笔者调研了储能逆变器的市场需求，按照应用需求，归纳为3种工作模式：通用模式、离网模式、备用模式和经济模式。

通用模式：该模式为储能机的常用模式，能量管理总策略为：最大能力本地消化能量。当电池板功率大时，优先给负载和电池使用；电池板功率小时负载优先使用电池能量。即：

能量消耗顺序：电池板 > 电池 > 电网。

能量输出顺序：本地负载 > 电池 > 电网

离网模式：该模式主要应用于偏远山区或牧区等无电网区域。能量管理同离网机：轻载时将板的能量存入电池，重载时从电池取电。

备用模式：该模式主要应用于有电网，但是电网不稳定，经常停电的情况。能量管理策略为有电网时，电池板能量优先给电池充电，电网断电时，用电池的能量供本地负载。

经济模式：该模式主要应用于峰谷电价差别较大的地区。能量管理策略为：电网用电高峰期把电池能量输送到电网；电网用电低谷期从电网上取电给电池充电。

2. 子系统划分

为降低系统复杂性，按照功能划分，分为4个子系统：逻辑时序及控制子系统、电池板输入子系统、电池管理子系统、逆变子系统。各子系统的功能如下：

2.1 逻辑时序及控制子系统。该子系统主要负责启停时序，运行逻辑，电量统计，接地故障检测，漏电流检测，孤岛检测等。

2.2电池板输入子系统。该子系统负责在并网模式或有电池的离网模式下对电池板进行MPPT跟踪，在无电池的离网模式下控制母线电压。

2.3電池管理子系统。该子系统负责储能的充放电管理，同时在离网模式下稳母线电压。

2.4 逆变子系统。该子系统负责将直流电转换为交流电，接电网及用电设备。

3.母线电压的控制

电池板输入子系统、电池输入子系统、逆变子系统三者以母线为界分为三个独立系统，三个子系统处了共用直流母线，几乎无耦合。

根据电网电压及直流输入电压，计算出停止PV输入母线电压Ubus_boost_stop，启动PV输入母线电压Ubus_start，电池自动充电最低电压Ubus_charge，交流稳压电压给定Ubus_give，电池自动放电最高电压Ubus_discharge。

电池板输入子系统负载最大功率点跟踪，不参与母线控制，当能量过剩，母线超过Ubus_ boost_stop时停止工作，当母线电压将至Ubus_ boost_start时再次启动。

系统处于离网模式时，电池输入子系统负责控制母线电压：如果母线电压大于等于Ubus_charge，电池管理子系统给电池充电；如果母线电压小于等于Ubus_discharge，电池管理子系统从电池放电；母线电压在两者之间时，不充电也不放电，此时，电池板能量与负载能量相等。

系统处于并网模式时，逆变子系统负责控制母线电压： 如果系统处于卖电的状态，电池管理子系统给电池充电；如果系统处于买电的状态，电池管理子系统从电池放电；如果系统处于买卖电平衡状态，不充电也不放电。

4.验证

笔者根据上述策略设计了一台5kw储能样机，并用该样机组建家庭微网系统。电池板5kw，电池48V、200Ah，负载有手机充电器、电视机、风扇、照明灯具等。

经1个月的观察，机器运行稳定，无论电网是否有电，各用电负载正常工作。同时，负载轻、电池板能量强时可实现余电上网；电池板能量若时电池放电，也可以维持卖电卖电平衡，电池电量低时，自动从电网取电，确保负载正常供电。

5.结论

笔者通过对其系统的分解，将其分为多个独立运行的子系统。该方案可大大减小系统设计和分析的难度，增加系统稳定度。经实际验证，上述控制策略完全可以满足当前常规用户的使用要求。