雙碳背景下無儲能光伏逆變器控制與并離網技術的探討

摘要：本文首先介紹了多模態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構，依次闡述了并網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定運行提供保障。

關鍵詞：雙碳；無儲能光伏逆變器；并網平滑切換

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電的裝機規模，但并網運行主要采取電流型控制模式，對于電網電壓、頻率的依賴性較高，一旦發生電壓失穩、頻率波動現象，可能出現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，但需實現并網電流型控制，兩網電壓型控制之間的合理轉換，通過多模態控制策略，并網平滑切換技術的有效實施，確保無儲能孤島運行保持穩定，從而實現電力能源的持續輸送。

1雙碳背景下無儲能光伏逆變器的多模態控制分析

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運行效果的關鍵要素，同時電網頻率的大小也與逆變器能否穩定運行具有直接關聯。若是由于這兩方面因素影響導致負荷出現大幅變化，則需要利用電網平衡源帶動。在此過程中，光伏電網電網輸送有功功率，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。而在電網出現故障時，電壓、頻率的穩定輸送狀態會被打破，此時，需要隔離運行，將并網運行轉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，應對剛體轉矩一荷功率處于平衡狀態，并根據負荷功率需求合理調節光伏輸出功率。在電網恢復供電后，光伏逆變器再利用并網切換技術向電流型控制模式轉換。

1.2逆變器主電路的拓撲結構

通過分析光伏逆變器的運行狀態發現，光伏逆變器的拓撲結構應由前、后兩級構成，前級為Boost變換器，后級為逆變器。通過數據方式，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開關切換逆變器控制方式，此開關安裝在電網、光伏逆變器的中部，若需實施并網，需要閉合此開關，使逆變器以電流型控制模式運行。若交流母線供電質量與負載要求不相符，為了確保負荷供電的連續性與穩定性，需要斷開固態開關，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轉換。光伏逆變器主電路的拓撲結構詳見圖1。

圖1 光伏逆變器主電路拓撲結構示意圖

1.3多模態控制策略

（1）并網運行控制策略。電網以多模態控制模式運行時，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，可以動態化追蹤系統傳送過來的功率指令，可以實時調節電網的電壓。并網運行模式下，需要應用鎖相環，因而電網電壓、逆變器的坐標系是統一的，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，進而對需要的并網功率進行跟蹤調整。

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，在直流側電壓出現波動時，只需利用Boost變換器對光伏電池的輸出功率進行調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模式運行，以便有效追蹤電壓指令，同時，對電感電流進行調整。而后級逆變器則以電流單閉環控制方式運行，可根據已知功率指令完成電流環指令值的計算。

（2）無儲能孤島控制策略。無儲能孤島模態主要是在電網出現故障后運行。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定狀態。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定，或是負荷值發生改變，光伏電池會自動啟動工作點調節功能，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，會出現直流電容*大現象；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及負載側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兩種切換技術的應用策略

2.1 并網運行和無儲能孤島模態的切換

電網故障情況下，光伏逆變器需要將并網運行轉換成無儲能孤島運行。在模態轉換過程中，保證直流電壓的穩定性是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，以確保模態切換順利完成。并網運行模式下，兩個固態開關分別以閉合、開啟兩種不同狀態工作，如果坐標發生變化，需要以鎖相環兩側相位為依據，對每個相位發出功率指令需要的電流進行計算。若不限以并網狀態運行，而是切換為無儲能孤島運行模式時，需要將兩個固態開關中原本閉合的開關打開，并將開啟狀態的開關閉合，此時，會由電壓外環輸出電流指令，相位的產生則會以頻率指令作為依據。如果光伏逆變器的控制模式為電流內環控制，并網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，但內環指令的生成在有序不同，所以會引發過流沖擊。為防止此問題，需要利用積分器進行初始化，使切換前后數據保持一致。這樣，模態切換的過程中，電壓外環仍然執行的是并網時的電流指令，且控制模塊的相位也發生變化，可增加電流指令穩定性，避免相位發生非正常跳轉，還可使控制模塊的切換更加順暢。

2.2 無儲能孤島內部運行模式的切換

無儲能孤島運行模式內并網運行模式切換時，應采用同步控制措施，消除負載相位、電壓及電網之間的差異，防止因相位變化引發過流沖擊現象而影響并網效果。無儲能孤島運行狀態下，要將固態開關切斷，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運行模式時，在固態開關閉合后，立即啟動并網環節，分別讀取兩側電壓值、電網電壓值，并求出二者的差值，然后計算具體的電壓調節需求。為了保障此數據計算的準確性，要將無儲能孤島模式下所產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整，從而平衡兩側及電網電壓。在預同步相位的過程中，需要合理調整頻率，注意應根據鎖相環網側相位與參考相位之差來取頻率調節的具體數值。若網側相位比相位參考值高，且補償量為正，需調大角頻率，直至兩個相位值相同。若網側相位低于相位參考值，且補償量為負，則需調小角頻率，也可實現相位一致、電壓、相位預同步后，通過調控開關，將參考相位轉換為鎖相環輸出的網側相位，便可完成無儲能孤島模態向并網運行模態的轉換。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切換

3并網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

驗證并網平滑切換技術應用效果時，選用直流源串聯電阻，將之視作光伏電池，采用前后級結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。光伏逆變器與電網之間采用固態開關、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，負載及串聯電阻則分別是20Ω與2.5Ω。

3.2 實驗結果分析

并網運行模式下，光伏逆變器的輸出功率為210W，而無儲能孤島模態轉換時，先將空氣開關切斷，逆變器發現電網存在故障后，會立即切斷固態開關，并進行模態轉換，轉換過程中，原本在并網運行模態下為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后保持穩定，逆變器輸出電壓及電流切換過程沒有出現沖擊現象，逆變器輸出功率對負載需求進行跟蹤后，逐步提升并穩定在360W（見圖3(a)）。而無儲能孤島切換至并網運行模態實驗中，無儲能孤島模態下逆變器以360W進行功率輸出，向并網運行模態切換時，逆變器輸出電壓與電網電壓基本保持平衡，并且閉合固態開關后，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定的狀態，而光伏電池工作點處沒有出現過波不暢的情況。并網運行后，光伏電池的輸出功率未超過規

定的并網功率范圍（見圖3(b)）。實驗結果說明，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運行模態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微電網能量管理系統

4.1概述

Acrel-2000MG 儲能能量管理系統是安科瑞專門針對工商業儲能 電站研制的本地化能量管理系統，可實現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計 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。該系統不 僅可以實現下級各儲能單元的統一監控和管理，還可以實現與上級調 度系統和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以 滿足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經濟運行。

4.2應用場景

適用于工商業儲能電站、新能源配儲電站。

4.3系統結構

4.4系統功能

（1）實時監管

對微電網的運行進行實時監管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。

（2）智能監控

對系統環境、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測，掌握微電網系統的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發電系統進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質量

實現整個微電網系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態數據進行監測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監測。

（5）可視化運行

實現微電網無人值守，實現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監控。

（6）優化控制

通過分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態，實現經濟優化調度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業綜合用電成本。

（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據，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、儲能設備的發電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態。

（9）策略配置

微電網配置主要對微電網系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進行設置。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硬件及其配套產品

6 結語

為了滿足“雙碳"要求，確保分布式光伏逆變器在電網故障情況下，在無電源支持時能夠穩定運行，本文提出了無儲能光伏逆變器多模態控制模式，并運用并網平滑切換技術確保并網運行模式能夠順暢、快捷轉換為無儲能孤島運行模式。對比以往常用的傳統控制策略，本文所提出的新型控制方法，創新在于可在不超過功能點范圍內情況下，深度挖掘光伏的穩定運行潛力，減少了對外部電源的依賴度，保證了并網兩種模態的順暢切換，降低了電壓電流沖擊現象的發生率。實驗結果驗證，本文所提出的控制策略與模態切換技術應用策略具有一定的可行性。

參考文獻

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[2] 張新春,楊偉軍,林澤宏等.光伏逆變器互通分頻帶滑動模態控制設計[J]. 電力系統保護與控制, 2019,

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[4] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022年05版