“儲能光伏逆變器：雙碳目標下的‘光儲充一體化’并離網(wǎng)技術新范式“

摘要：本文首先介紹了多模態(tài)控制光伏逆變器控制的策略，分析了無儲能光伏逆變器的運行模式，提出了光伏逆變器主電路的拓撲結(jié)構，依次闡述了并網(wǎng)運行控制策略與無儲能孤島控制策略，然后進一步探討并網(wǎng)平滑切換技術的具體應用，并通過實驗方法檢驗該切換技術的應用效果，旨在為“雙碳”背景下，分布式光伏電站的穩(wěn)定運行提供保障。

關鍵詞：雙碳；無儲能光伏逆變器；并網(wǎng)平滑切換

0引言

在我國提出“碳達峰”“碳中和”兩個目標以來，我國逐步擴大了光伏新能源發(fā)電的裝機規(guī)模，但并網(wǎng)運行主要采取電流型控制模式，對于電網(wǎng)電壓、頻率的依賴性較高，一旦發(fā)生電壓失穩(wěn)、頻率波動現(xiàn)象，可能出現(xiàn)反孤島保護而影響光伏逆變器的運行。為了解決這一問題，誕生了無儲能光伏電壓型控制技術，但需實現(xiàn)并網(wǎng)電流型控制，兩網(wǎng)電壓型控制之間的合理轉(zhuǎn)換，通過多模態(tài)控制策略，并網(wǎng)平滑切換技術的有效實施，確保無儲能孤島運行保持穩(wěn)定，從而實現(xiàn)電力能源的持續(xù)輸送。

1雙碳背景下無儲能光伏逆變器的多模態(tài)控制分析

1.1光伏逆變器的運行模式

電流型控制模式下，交流母線的電壓值低是影響光伏逆變器并網(wǎng)運行效果的關鍵要素，同時電網(wǎng)頻率的大小也與逆變器能否穩(wěn)定運行具有直接關聯(lián)。若是由于這兩方面因素影響導致負荷出現(xiàn)大幅變化，則需要利用電網(wǎng)平衡源帶動。在此過程中，光伏電網(wǎng)電網(wǎng)輸送有功功率，并且光伏逆變器對功率會進行追蹤，若指令要求難以滿足，則需要采用*大功率跟蹤控制運行方式。而在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，電壓、頻率的穩(wěn)定輸送狀態(tài)會被打破，此時，需要隔離運行，將并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)換為無儲能孤島運行模式。無儲能孤島運行模式下，光伏逆變器采用的是電壓型控制方式，既要對母線電壓提供支持，還需要對負載功率需求進行平衡。運行時，光伏逆變器要單機運行，以滿足支撐電壓及頻率要求，還需用恒壓恒頻控制方式，應對剛體轉(zhuǎn)矩一荷功率處于平衡狀態(tài)，并根據(jù)負荷功率需求合理調(diào)節(jié)光伏輸出功率。在電網(wǎng)恢復供電后，光伏逆變器再利用并網(wǎng)切換技術向電流型控制模式轉(zhuǎn)換。

1.2逆變器主電路的拓撲結(jié)構

通過分析光伏逆變器的運行狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，光伏逆變器的拓撲結(jié)構應由前、后兩級構成，前級為Boost變換器，后級為逆變器。通過數(shù)據(jù)方式，采用解耦控制模式，可同時對直接母線的電壓以及電池的輸出功率進行控制。逆變器通常選用三電平式逆變器，此種逆變器的前后級采用的控制裝置有所不同，前級是直流升壓變換器，而后級則需選用中點鉗位型逆變器。逆變器主電路采用固態(tài)開關切換逆變器控制方式，此開關安裝在電網(wǎng)、光伏逆變器的中部，若需實施并網(wǎng)，需要閉合此開關，使逆變器以電流型控制模式運行。若交流母線供電質(zhì)量與負載要求不相符，為了確保負荷供電的連續(xù)性與穩(wěn)定性，需要斷開固態(tài)開關，只采用光伏電池供電的情況下，逆變器會向無儲能孤島模態(tài)轉(zhuǎn)換。光伏逆變器主電路的拓撲結(jié)構詳見圖1。

圖1 光伏逆變器主電路拓撲結(jié)構示意圖

1.3多模態(tài)控制策略

（1）并網(wǎng)運行控制策略。電網(wǎng)以多模態(tài)控制模式運行時，需要采用恒定功率追蹤策略，由于光伏逆變器具備良好的性能，可以動態(tài)化追蹤系統(tǒng)傳送過來的功率指令，可以實時調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓。并網(wǎng)運行模式下，需要應用鎖相環(huán)，因而電網(wǎng)電壓、逆變器的坐標系是統(tǒng)一的，此時可無需考慮輸入信號，可運用下式計算逆變器輸出的功功率及無功功率，進而對需要的并網(wǎng)功率進行跟蹤調(diào)整。

有功功率計算公式：

無功功率計算公式：

式中，imd 與umd 分別代表旋轉(zhuǎn)坐標系中，逆變器輸出電流im 以及輸出電壓um各自的輸入量。逆變器運行時，要確保逆變器前后級間電流、電壓均保持穩(wěn)定，從而有效平衡輸入輸出端的功率，才能保證此種控制模式的有效運行。因直流母線電壓額定值已確定，在直流側(cè)電壓出現(xiàn)波動時，只需利用Boost變換器對光伏電池的輸出功率進行調(diào)整即可滿足功率要求。如果光伏逆變器無法輸出各要求的功率值，逆變器會在*大功率點處運行，此時，Boost變換器會以電壓電流雙閉環(huán)模式運行，以便有效追蹤電壓指令，同時，對電感電流進行調(diào)整。而后級逆變器則以電流單閉環(huán)控制方式運行，可根據(jù)已知功率指令完成電流環(huán)指令值的計算。

（2）無儲能孤島控制策略。無儲能孤島模態(tài)主要是在電網(wǎng)出現(xiàn)故障后運行。運行時，因沒有外部電源支持，光伏逆變器需要使用恒壓恒頻控制方式，以確保交流母線電壓及頻率保持穩(wěn)定狀態(tài)。運行過程中，光伏輸出端、負荷需求需要具有相同的功率值，如果受到不可控因素導致光伏電池的功率輸出無法保持穩(wěn)定，或是負荷值發(fā)生改變，光伏電池會自動啟動工作點調(diào)節(jié)功能，用于平衡兩端功率。如果電池輸出的功率比負載需求的功率更高，會出現(xiàn)直流電容*大現(xiàn)象；反之，則會使直流電容降低。直流電容的電壓變化是由于源側(cè)及負載側(cè)之間功率不一致造成的，為保持源端功率的平衡性，應使直流母線電壓保持穩(wěn)定，即對前級光伏的工作點進行確定，合理控制光伏功率變動。

2無儲能光伏逆變器并網(wǎng)兩種切換技術的應用策略

2.1 并網(wǎng)運行和無儲能孤島模態(tài)的切換

電網(wǎng)故障情況下，光伏逆變器需要將并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)換成無儲能孤島運行。在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，保證直流電壓的穩(wěn)定性是Boost變換器的主要任務，此時，需要將恒定功率控制切換為恒壓恒頻控制方式，以確保模態(tài)切換順利完成。并網(wǎng)運行模式下，兩個固態(tài)開關分別以閉合、開啟兩種不同狀態(tài)工作，如果坐標發(fā)生變化，需要以鎖相環(huán)兩側(cè)相位為依據(jù)，對每個相位發(fā)出功率指令需要的電流進行計算。若不限以并網(wǎng)狀態(tài)運行，而是切換為無儲能孤島運行模式時，需要將兩個固態(tài)開關中原本閉合的開關打開，并將開啟狀態(tài)的開關閉合，此時，會由電壓外環(huán)輸出電流指令，相位的產(chǎn)生則會以頻率指令作為依據(jù)。如果光伏逆變器的控制模式為電流內(nèi)環(huán)控制，并網(wǎng)運行以及無儲能孤島運行模式下，控制器并未不在明顯差異，但內(nèi)環(huán)指令的生成在有序不同，所以會引發(fā)過流沖擊。為防止此問題，需要利用積分器進行初始化，使切換前后數(shù)據(jù)保持一致。這樣，模態(tài)切換的過程中，電壓外環(huán)仍然執(zhí)行的是并網(wǎng)時的電流指令，且控制模塊的相位也發(fā)生變化，可增加電流指令穩(wěn)定性，避免相位發(fā)生非正常跳轉(zhuǎn)，還可使控制模塊的切換更加順暢。

2.2 無儲能孤島內(nèi)部運行模式的切換

無儲能孤島運行模式內(nèi)并網(wǎng)運行模式切換時，應采用同步控制措施，消除負載相位、電壓及電網(wǎng)之間的差異，防止因相位變化引發(fā)過流沖擊現(xiàn)象而影響并網(wǎng)效果。無儲能孤島運行狀態(tài)下，要將固態(tài)開關切斷，通過頻率指令分段生成相位指令。從無儲能孤島運行切換至并網(wǎng)運行模式時，在固態(tài)開關閉合后，立即啟動并網(wǎng)環(huán)節(jié)，分別讀取兩側(cè)電壓值、電網(wǎng)電壓值，并求出二者的差值，然后計算具體的電壓調(diào)節(jié)需求。為了保障此數(shù)據(jù)計算的準確性，要將無儲能孤島模式下所產(chǎn)生的電壓指令值納入考量。然后，按照得出的準確預同步電壓指令進行調(diào)整，從而平衡兩側(cè)及電網(wǎng)電壓。在預同步相位的過程中，需要合理調(diào)整頻率，注意應根據(jù)鎖相環(huán)網(wǎng)側(cè)相位與參考相位之差來取頻率調(diào)節(jié)的具體數(shù)值。若網(wǎng)側(cè)相位比相位參考值高，且補償量為正，需調(diào)大角頻率，直至兩個相位值相同。若網(wǎng)側(cè)相位低于相位參考值，且補償量為負，則需調(diào)小角頻率，也可實現(xiàn)相位一致、電壓、相位預同步后，通過調(diào)控開關，將參考相位轉(zhuǎn)換為鎖相環(huán)輸出的網(wǎng)側(cè)相位，便可完成無儲能孤島模態(tài)向并網(wǎng)運行模態(tài)的轉(zhuǎn)換。MATLAB的Simulink仿真平臺，搭建仿真電路，控制電路詳見圖2所示。

圖2 逆變器輸出電壓并網(wǎng)切換

3并網(wǎng)平滑切換技術策略應用效果的驗證分析

3.1 搭建實驗平臺

驗證并網(wǎng)平滑切換技術應用效果時，選用直流源串聯(lián)電阻，將之視作光伏電池，采用前后級結(jié)構不同的三電平式逆變器，并運用兼具電感、電容、電容器的LCL濾波電路作為負荷端過渡裝置。光伏逆變器與電網(wǎng)之間采用固態(tài)開關、空氣開關連接，逆變器的控制器型號為DSP28377。實驗平臺的電網(wǎng)電壓及無儲能孤島運行電壓均為70V，而電流源電壓則介于70～80V，并網(wǎng)功率指今為210W，而無儲能孤島運行電壓頻率及開關頻率分別是50Hz與10kHz，負載及串聯(lián)電阻則分別是20Ω與2.5Ω。

3.2 實驗結(jié)果分析

并網(wǎng)運行模式下，光伏逆變器的輸出功率為210W，而無儲能孤島模態(tài)轉(zhuǎn)換時，先將空氣開關切斷，逆變器發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)存在故障后，會立即切斷固態(tài)開關，并進行模態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中，原本在并網(wǎng)運行模態(tài)下為74V的光伏電池端口電壓，逐步下降至70V，而直流母線電壓先是小幅度下降，然后快速升高，達到200V后保持穩(wěn)定，逆變器輸出電壓及電流切換過程沒有出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，逆變器輸出功率對負載需求進行跟蹤后，逐步提升并穩(wěn)定在360W（見圖3(a)）。而無儲能孤島切換至并網(wǎng)運行模態(tài)實驗中，無儲能孤島模態(tài)下逆變器以360W進行功率輸出，向并網(wǎng)運行模態(tài)切換時，逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓基本保持平衡，并且閉合固態(tài)開關后，切換順暢完成。整個切換過程中，直流母線的電壓一直保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，而光伏電池工作點處沒有出現(xiàn)過波不暢的情況。并網(wǎng)運行后，光伏電池的輸出功率未超過規(guī)

定的并網(wǎng)功率范圍（見圖3(b)）。實驗結(jié)果說明，按照本文提出的控制策略，可確保光伏逆變器在無儲能孤島運行及并網(wǎng)運行模態(tài)下進行相互間的平滑切換。切換實驗中逆變器輸出功率的變化情況詳見圖3所示。

圖3 切換實驗中逆變器輸出功率變化情況

4安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-2000MG 儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能 電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計 報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策 略選擇，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不 僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上級調(diào) 度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級調(diào)度指令，又可以 滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

4.2應用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

4.3系統(tǒng)結(jié)構

4.4系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監(jiān)測。

（5）可視化運行

實現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負荷進行功率預測，并結(jié)合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風電、儲能設備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5硬件及其配套產(chǎn)品

6 結(jié)語

為了滿足“雙碳”要求，確保分布式光伏逆變器在電網(wǎng)故障情況下，在無電源支持時能夠穩(wěn)定運行，本文提出了無儲能光伏逆變器多模態(tài)控制模式，并運用并網(wǎng)平滑切換技術確保并網(wǎng)運行模式能夠順暢、快捷轉(zhuǎn)換為無儲能孤島運行模式。對比以往常用的傳統(tǒng)控制策略，本文所提出的新型控制方法，創(chuàng)新在于可在不超過功能點范圍內(nèi)情況下，深度挖掘光伏的穩(wěn)定運行潛力，減少了對外部電源的依賴度，保證了并網(wǎng)兩種模態(tài)的順暢切換，降低了電壓電流沖擊現(xiàn)象的發(fā)生率。實驗結(jié)果驗證，本文所提出的控制策略與模態(tài)切換技術應用策略具有一定的可行性。