光伏储能系统并/离网无缝切换技术研究

杨 柯

信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司

光伏储能系统并/离网无缝切换技术研究

杨 柯

信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司

随着环境和能源问题在全球范围内成为焦点，新能源技术得以迅速发展，以光伏储能系统为代表的分布式发电己被广泛应用于微电网组成中。本文在分析光伏储能系统模型及系统的能量管理与控制策略的基础上，着重对并网逆变器的并离网无缝切换技术进行了相关研究。对并网逆变器分析了并网及离网工况下的基本控制策略，研究了光伏电池的输出特性和与其相对应的Boost电路MPPT的控制方法，介绍了储能系统Buck-Boost电路原理及其控制策略，对不同结构的光伏储能系统进行了对比分析。

光伏储能系统；并网及离网；无缝切换

电力系统的发展是一直朝着大容量集中发电以及超高压的远距离输电的方向发展，然而虽然大规模电力系统在具备系统运行稳定发输电效率高等优点的同时，也带来了诸如运行成本高、覆盖区域局限等种种缺点，近几年以纽约大停电为代表的世界范围内几次大规模停电事故也暴露出电网在运行可靠性和安全性方面的弱点。

1 光伏储能井网系统与控制

1.1 结构

非隔离型结构光储系统与电网具有电气连接，实际的太阳能发电系统中光伏组件与地之间存在对地寄生电容。潮湿环境或雨天，该寄生电容可达200nF/kWp，而当众多光伏组件经串并联组成大规模光伏阵列后，寄生电容会达到更大。此对地寄生电容与光伏发电系统主电路和电网形成共模回路。逆变器中开关器件动作引起寄生电容电压变化，整个共模回路在寄生电容的共模电压激励下产生共模电流。共模回路的对地寄生电容与逆变器中滤波元件和电网阻抗形成谐振回路，当共模电流频率达到谐振回路的谐振频率点时，电路中会出现大的漏电流，此共模电流不仅增加了系统损耗，还会影响逆变器正常工作以及注入电网大童谐波，带来安全问题；另外，由于非隔离型并网逆变器桥臂与电网直接相连，维护人员碰到光伏侧时，电网电流流过桥臂将威胁人员安全，保证不了光伏侧电气安全出于上述考虑，电气隔离在光储并网系统中的应用越来越广泛。

1.2 控制策略

下面列举几种有代表性的工况进行说明：工作模式1中，由于光储并网运行，为充分提高光伏利用率使其工作于MPPT模式，但光伏功率高于负载且储能己达过充电压，因此将多余电能全部馈送电网：工作模式2中，光储离网运行，储能已达过充电压，若光伏继续工作于MPPT模式，则多余的电量无法处理，此时需光伏降功率输出，由光伏稳定高压侧电压，不再工作于MPPT模式，而储能则控制充电电流，以免过充；工作模式5中，并网运行光伏依然工作于MPPT模式，但不能满足负载所需功率且储能可充电与放电，因此控制电网的功率输出可提供负载电能亦可对储能充电。

2 并离网无缝切换控制策略

当所属微网功率需要调整，闭环控制需一定的动态响应时间，如果下垂系数较小则微源出力不能及时改变，此时微网电压的幅值与频率会出现较大波动，达到稳定状态后微源出力满足不了微网中的功率波动；若采用的下垂系数较大，微源出力会出现过调节现象，微源出力会出现波动，微网将发生不稳定现象。假如微网系统需进行功率调整的短时间内取较大下垂系数，随着微源出力的改变不断减小下垂系数，则将兼顾二者优点，既能及时调整微源出力有效抑制微网电压频率与幅值较大幅度的波动，较高精度的满足功率变动，又能使系统最终趋于稳定。一般双模式并离网切换所存在的问题采用了下垂控制的单模式并离网切换方法，由于采用单模式的切换方法切换前后控制策略未发生改变，只是并网开关进行了导通与关断的变化，避免了双模式切换的种种问题。同时指出传统下垂曲线控制并网时存在功率输出不稳现象，以及其控制并离网切换时存在的问题，进而加以改进，采用了非线性下垂曲线控制。采用改进非线性下垂曲线控制后，逆变器并网运行时其输出功率受网压波动的影响减小，更加稳定，同时也改善了传统下垂曲线并离网切换的效果，实现了平滑无缝切换。

3 系统分析

3.1 采样调理电路设计

变换器主电路中对电压、电流进行控制时，需要将其转化为数字信号进行处理，在此过程中，电压、电流信号经霍尔传感器隔离采样，将高压大电流的强电信号转变为低压小电流的弱电信号，再通过模拟调理电路的处理，输入到数字信号处理器中，对其进行控制。此系统中，需要对逆变器输出电压、电流、网压等进行采集进行监测与控制，调理电路需将这些控制t转化为符合DSP输入要求的信号，并带有一定保护功能。

3.2 故障保护电路设计

故障保护分为两种，一种是从驱动芯片返回的故障信号，将其输入DSP的TZ端，通过软件封锁脉冲进行保护。IPM有精良的内置保护电路以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏。保护包括驱动电源欠压保护，及过热、过流、短路保护。故障信号，经光耦输出到HD74HC32P芯片，此芯片能够将多个IGBT故障集合成一个故障信号，即任意一个IGBT故障都将输出故障信号fault7，然后经A32L翻转输入到DSP的TZ管脚，进行软件封锁脉冲，对电路进行保护。

3.3485，CAN通信电路设计

触摸屏与DSP、以及DSP之间采用的是485通信，将DSP的SCI串口通信引脚外接RSM3485通信模块，此模块集成了电源隔离、电气隔离、高速RS-485接口器件和总线保护功能于一身，性能稳定，将DSP发出信号转换为差分信号后进行传输，提高了抗干扰性。储能系统的BMS与DSP之间采用CAN通信协议，同样应用了CTM8251外接DSP的CAN通信引脚，将逻辑电平转换为了CAN总线的差分电平，提高了数据传输过程中的抗干扰性。

综上所述，本文对光伏储能并网系统进行了仿真研究，并在此基础上对目前普遍存在的分布式电源在并网及离网两种运行工况之间进行切换易产生电压电流冲击的角度进行了并离网无缝切换的 研究。

[1]罗潇.光储互补并离网一体逆变器的研究[D].东华大学，2015.

[2]谢缔.两级式光伏储能并离网控制技术研究[D].西南交通大学，2016.