罗潇，李征

（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620）

随着全球能源危机以及环境问题的日益严峻，以清洁、可再生的太阳能作为能源的光伏发电技术受到越来越多的关注[1－3]。太阳能光伏发电系统作为清洁能源对于缓解能源危机以及环境污染等问题具有重要的意义。对于传统的光伏发电系统，大都单独采用光伏并网型或者光伏离网型[4－6]，对于偏远地区和非洲贫困地区都不能有效实现家庭负载的不间断供电。

本文采取并离网一体光储互补型逆变器来实现系统的供电，光伏板与锂电池以及电网都能作为电源为家庭负载提供电能。

1 系统架构

本文研究的光储互补并离网一体逆变器系统架构如图1所示，该系统是由光伏组件，锂电池，电网以及开关器件组成。包含两个DC/DC变换器，其中光伏侧单向DC/DC变换器（Boost）将太阳能组件提供的电压（175～450 V）升压至直流母线所需电压（本文直流母线电压为480 V），锂电池侧双向DC/DC（Buck－Boost）跨接到直流母线上共同控制直流母线电压的稳定，直流母线接到全桥逆变器上来给负载供电。通过控制开关S来实现系统进行并网模式和离网模式的切换。

2 运行工况

光伏储能并离网一体逆变器的核心就是能够实现对负载的不间断供电，为了使发电系统能够稳定协调的运行，本文将系统的运行情况分四种工况来讨论。

工况一：对于光伏组件来说，在白天光照充足时光伏组件能够获取足够的电能来为负载供电，若此时锂电池还没有充满电，则光伏在给负载供电的同时也给锂电池充电。

工况二：在工况一的前提下，若此时锂电池已充满电，则光伏组件在给负载供电的同时也给电网馈电。

工况三：在晚上或者阴雨天时，光伏组件提供的电能不能够满足负载的需求，此时若锂电池能够提供电能，则由光伏组件与锂电池共同给负载供电。

工况四：在工况三的前提下，若此时光伏组件与锂电池同时供电也满足不了负载的需求，则此时由电网给负载供电同时也给锂电池充电。

3 变换器控制策略

3.1 光伏侧Boost变换器控制策略

对于光伏侧，Boost变换器可以工作在MPPT模式或者CV模式。图2给出了光伏侧Boost变换器的控制框图。其中upv为光伏侧出口电压，udc为直流母线电压，iL1为光伏侧Boost变换器的电感电流。当变换器工作在CV模式时，其目标是控制直流母线电压稳定。采用电感电流内环，电压外环的双闭环控制方式，电感电流内环可提高系统的动态性能，电压外环能提高系统稳态精度和抗扰性能。当变换器工作在MPPT模式时，其目标是最大限度的获取太阳能。目前，国内外对于MPPT控制方法中运用较多的有恒压法、电导增量法、扰动观测法等，本文选取扰动观测法来实现MPPT功能。

3.2 锂电池侧Buck-Boost变换器控制策略

对于锂电池侧，Buck-Boost变换器可以工作在Buck模式或者Boost模式。图3给出了锂电池侧Buck-Boost变换器的控制框图。其中ubat为锂电池出口电压，iL2为电池侧Buck-Boost变换器的电感电流。

当变换器工作在Buck模式时，其目标是对锂电池进行充电。采用电感电流环的控制方式对锂电池进行恒流充电，直到锂电池SOC达到95%为止。此时开关管S3始终断开，控制器只给开关管S2发脉冲。

图1 系统拓扑结构Fig.1 Topology of power generation system

图2 Boost变换器控制框图Fig.2 Control diagram of the Boost converter

当变换器工作在Boost模式时，其目标是控制直流母线电压稳定。采用电感电流内环，电压外环的双闭环控制方式。此时开关管S2始终断开，控制器只给开关管S3发脉冲。

3.3 全桥逆变器控制策略

对于负载侧，全桥逆变器可工作在独立逆变模式与并网模式。工作在独立逆变模式时，系统给负载供电。工作在并网模式时，太阳能把输出富余的能量馈给电网。

图3 Buck-Boost变换器控制框图Fig.3 Control diagram of the Buck-Boost converter

独立逆变模式时的控制框图如图4所示。采用三环的控制方式，内环为电感电流环，来提高系统的动态性能。中环为瞬时电压环，使输出电压波形稳定。外环为电压有效值环，提高电压有效值精度。把电压有效值220 V作为参考值与采样回来经过计算得到的有效值相比较，误差经过PI调节器后的值作为瞬时电压的参考值，再与采样得到的电压值相比较，误差经过PI调节器后的值作为电感电流的参考值，与采样得到的电感电流相比较，误差经过P调节器之后进行PWM调制来驱动开关管的动作。

图4 独立逆变控制框图Fig.4 Control diagram of the full-bridge inverter in stand-alonemode

并网模式时的控制框图如图5所示。采用双闭环的控制方式，内环为电感电流环，外环为直流母线电压环。把直流母线电压给定值480 V作为参考值，与采样回来的直流母线电压进行比较，误差经过PI调节器后的值作为电网电流的参考值，与采样回来的电网电流进行比较，误差经过PI调节器后与电网电压进行叠加之后进行PWM调制来驱动开关管的动作。

图5 并网模式控制框图Fig.5 Control diagram of the full-bridge inverter in grid-connected mode

4 系统离网运行与并网运行

由以上分析可知，本文既可以工作在离网模式，也可以工作在并网模式。下面以工况一与工况二为例分析系统工作在离网模式与并网模式下的控制方式。如图6所示为系统运行在工况一下各个变换器的控制框图。此时，光伏侧Boost变换器工作在CV模式来维持直流母线电压稳定。锂电池侧Buck-Boost变换器工作在Buck模式，用来给锂电池充电。全桥逆变器工作在独立逆变模式，全桥逆变器采用三闭环的控制方式，内环为电感电流环，中环为瞬时电压环，外环为电压有效值环。在此工况下，系统的能量平衡关系式为：Ppv=Pbat+Pload。

图6 工况一控制框图Fig.6 Control diagram of system mode 1

如图7所示为系统运行在工况二下各个变换器的控制框图，此时BOOST变换器工作在CV模式来维持直流母线电压稳定。锂电池侧BUCK-BOOST变换器不工作，开关管S2、S3始终关闭。全桥逆变器工作在并网模式，全桥逆变器采用双闭环的控制方式，内环为电感电流环，外环为直流母线电压环。在此工况下，系统的能量平衡关系式为Ppv=Pgrid+Piand。

图7 工况二控制框图Fig.7 Control diagram of system mode 2

5 实验结果

为验证以上理论的可行性，搭建了光储互补并离网一体逆变器的5 kW实验样机。其中，光伏组件输出电压范围为175～450 V，锂电池输出电压范围为 180～240 V，直流母线电压为480 V，电网电压为220 V/50 Hz。

图8给出了逆变器工作在不同状态下的实验波形。其中Udc为直流母线电压，Uo为逆变器输出电压，Ugrid为电网电压，ipv为光伏电流，ibat_a为电池放电电流，ibat_b为电池充电电流。图8（a）给出了光伏侧给负载供电，同时给电池充电的实验波形。直流母线电压Udc稳定在480 V，负载侧电压Uo输出为220 V/50 Hz交流电。图8（b）给出了电池单独给负载供电的实验波形。直流母线电压稳定为480 V，负载侧电压为220 V/50 Hz。图8（c）给出了光伏侧给负载供电，同时给电网馈能的实验波形。直流母线电压稳定为480 V，负载侧电压为220 V/50 Hz。图8（d）给出了从光伏与电池共同给负载供电到光伏给负载供电同时给电池充电的切换波形图。可以看到，在切换过程中直流母线电压与电池侧电感电流有一定的波动，但逐渐趋于稳定，负载侧电压在切换过程中很稳定。

图8 电压电流波形图Fig.8 Waveforms of voltage and current

6 结 论

本文针对光储互补并离网一体逆变器系统，研究了其拓扑结构中各个变换器的控制策略。搭建了5KW实验样机，系统能稳定运行，并能实现工况间的切换。实验结果验证了本文提出的控制策略的可行性。

[1]张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].机械工业出版社，2011.

[2]Liu B，Duan S，Cai T.Photovoltaic DC-building-modulebased BIPV system-concept and design considerations[J].Power Electronics， IEEE Transactions on，2011，26 （5）:1418-1429.

[3]Bragard M，Soltau N，Thomas S，et al.The balance of renewable sources and user demands in grids:Power electronics for modular battery energy storage systems[J].Power Electronics， IEEE Transactions on，2010，25（12）:3049-3056.

[4]廖志凌，阮新波.一种独立光伏发电系统双向变换器的控制策略[J].电工技术学报，2008，23（1）:97-103.LIAO Zhi-ling，RUAN Xin-bo．Control strategy for bi-directional DC/DC converter of Anovel stand-alone photovoltaic power system[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23（1）:97-103．

[5]Kjaer S B，Pedersen J K，Blaabjerg F.Areview of singlephase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J].Industry Applications， IEEE Transactions on，2005，41（5）:1292-1306.

[6]Serban E，Serban H.Acontrol strategy for Adistributed power generation microgrid application with voltage-and current-controlled source converter[J].Power Electronics，IEEE Transactions on，2010，25（12）:2981-2992