基于双环解耦控制的光储一体化变流器设计

张旭峰 俞啸玲 赵莉莉 孙亮

摘 要：随着微电网技术的发展，基于光伏发电系统的集成式储能装置得到了广泛关注，针对其并/离网工作模式的需求提出了一种光储一体化变流器的设计方案。首先总结了光储一体化变流器的工作原理，包括光伏侧、储能侧和负载侧变换器的拓扑结构设计;在此基础上对负载侧变换器采用双环解耦控制策略，保证了系统在工作运行时的稳定性;最后通过仿真验证表明，该设计系统在并/离网模式下均具有较好的稳态性能并且能够实现快速稳定的模式切换，具有广泛的应用前景。

关键词：光储一体化;变流器;并/离网;双环解耦

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.185

0 引言

微电网系统主要由分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置组成，其中，储能装置作为微电网系统中的关键环节，能够对太阳能、风能等具有间歇性的可再生能源进行存储[1-2]。因此，随着微电网技术的发展，基于光伏发电系统的集成式储能装置得到了广泛关注。

本文提出了一种光储一体化变流器的设计方案，逆变器基于三电平T型拓扑结构[3-4]，采用双环解耦控制方法，实现了光储一体化变流器并/离网模式下的稳定运行。

1 光储一体化变流器总体结构设计

传统的光伏储能发电系统主要由多个变流器构成，而光储一体化变流器则是将这些变流器集成为一体，主要由光伏侧和储能侧的两个DC/DC变换器，负载侧的DC/AC变换器组成。其中，光伏侧变换器采用BOOST拓扑结构，将光伏组件产生的电压转变为直流母线所需电压;储能侧变换器采用BUCK-BOOST拓扑结构，使能量能够双向流动，当变换器工作在BUCK电路时，装置为蓄电池充电，当变换器工作在BOOST拓扑结构时，蓄电池向直流母线充电，维持母线电压恒定;DC/AC变换器采用T型三电平拓扑，根据电网工作的工作状态能够分别在并网模式和离网模式下运行。

2 光储一体化变流器主电路拓扑结构

2.1 光伏侧BOOST电路拓扑

光储一体化变流器光伏侧变换器基于BOOST拓扑结构，如图1所示，用于将光伏组件产生的电压转变为维持直流母线所需要的电压。假设电感和电容的值为无穷大，当可控开关闭合时，向充电，起到储能作用;当可控开关关断时，起到泵生电压的作用，和同时对电容充电并向负载供电，用于维持负载侧的电压。

2.2 储能侧BUCK-BOOST电路拓扑

储能侧变换器基于BUCK-BOOST拓扑结构，当可控开关保持闭合状态时，变换器工作在BUCK模式，通过控制的开关状态使系统为蓄电池提供充电电压，即当闭合时，由直流母线向蓄电池充电，电感储能，当关断时，释放能量;当可控开关保持闭合状态时，变换器工作在BOOST模式，通过控制的开关状态使蓄电池为母线电容充电并向负载供电。

2.3 负载侧T型三电平电路拓扑

图2是T型三电平拓扑的基本结构[4]，主要用于光储一体化变流器的逆变或整流环节，由12个可控开关组成，根据可控开关的关断可以输出三种电平。表1是以A相为例的T型三电平变流器的开关状态表，其中P、O、N分别表示桥臂输出端与直流侧正端、中性点、负端相连的状态。当装置工作在并网运行状态时，变流器将电网的输入电流整定在直流母线上，为蓄电池充电，实现整流功能;当装置工作在离网状态时，变流器将光伏组件和蓄电池对直流母线施加的电压进行逆变，输出三相电流为负载供电，实现逆变功能。

3 光储一体化变流器控制策略设计

系统在并网和离网模式下正常工作是光储一体化变流器稳定运行的关键，其整体控制结构如图3所示。T型三电平变流器与直流母线相连，经LC滤波器连接至大电网及负载，变流器侧的三相电流经过电流控制环节，获得高质量的输出波形。为了保证直流母线中点电位的平衡并降低开关算法的复杂程度，采用改進后的60°SVPWM算法，输出脉冲控制开关管的关断。当系统运行在并网模式时，蓄电池根据剩余容量（SOC）进行充电;当系统运行在离网模式时，光伏组件根据光照强度和温度，采用MPPT控制策略获取最大功率点电压，将输入电压通过BOOST变换器为直流母线和蓄电池充电。

4 双环解耦控制策略

为满足光储一体化变流器的并/离网需求，负载侧AC/DC变换器根据运行方式分别采用不同的控制策略，如图4所示。当孤岛运行时，采用电压外环电流内环控制策略，即V/f控制，电压外环选取变流器侧三相电压，用于确保交流侧三相电压的稳定和确定指令电流的参考值，电流内环选取电感电流，用于实现电流的快速跟踪;当并网运行时，采用功率外环电流内环控制策略，即P/Q控制，功率外环经PI控制为内环提供参考电流，两种状态根据公共耦合点PCC的接收信号进行切换。然后实际电流与参考电流的差值经过PI控制与电流的交叉耦合项进行比较，得到dq轴输出电压、，根据派克反变换计算三相输出电压，并通过SVPWM调制单元得到变流器的触发脉冲，实现了控制系统的稳定性与快速响应。

5 仿真验证

为了验证光储一体化变流器在并/离网模式下系统的稳定性，在Simulink中搭建光储一体化变流器的系统模型，分别为光储一体化变流器由并网切换到孤岛和孤岛切换到并网时的输出波形，均在0.5s开始切换。可以看出，光储一体化变流器在孤岛和并网工作模式下均保持较好的稳定特性，两种模式的电压和电流切换过程快速稳定，系统工作运行正常，具有较好的稳态性能及动态响应。

6 结论

本文在分析光储一体化变流器基本原理的基础上，对光储一体化变流器的电路拓扑进行了设计，根据并/离网运行要求，采用双环解耦方法对逆变器侧进行控制，并进行了仿真性能的验证。实验表明本方案设计的光储一体化变流器具有较好的稳态性能及动态响应，能够满足并离网运行需求，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]杨新法，苏剑，吕志鹏等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014（01）：57-70.

[2]鲁宗相，王彩霞，闵勇等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31（19）：100-107.

[3]邢相洋.非隔离T型三电平光伏逆变器关键控制技术研究[D].2016.

[4]Park，Yongsoon，Sul，et al.Asymmetric Control of DC-Link Voltages for Separate MPPTs in Three-Level Inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（06）：2760-2769.