光伏储能逆变器系统结构研究

光伏储能逆变器系统结构研究

屈先文

特变电工西安电气科技有限公司  陕西 西安  710100

摘要：近些年，各国政府越来越重视分布式能源在电力电气行业的应用，由于光伏发电系统使用率较高，因而分布式能源在应用中出现各类问题。如：影响电网容量的规划；电网电压和频率不稳定和电网继电保护系统故障等。光伏储能系统主要元件是电力电子模块，分为DC /DC，DC /AC和AC /DC逆变器等。不同的电力电子模块，其供应的能量、能量利用率和功能不尽相同，初始投资所花费的成本也不一样。下文中将对不同光伏储能系统结构的特点进行了概述。最后对未来光伏储能市场发展的趋势作出了相关的展望。

关键词：光伏储能系统；逆变器；系统结构

1光伏储能系统

1.1光伏储能系统的作用

光伏储能系统除了可以为电网供应清洁能源，还在关键时刻发挥着重要作用。一是当电网出现高负荷时，它能起到调节作用；二是在电网出现故障时，给电网支持，从而为本地负载供电等待恢复电网等。如果电网中有关键负荷时，而电网出现故障时，光伏储能系统能为电网提供供电，在电网运作正常时，光伏储能系统会同电网一起继续供电。在上述过程中，电网中的关键负荷有一个稳定的电压。因此，不管是并网模式的系统还是光伏储能独立供电的模式下，要保障关键负荷的供电安全，且并网模式和独立供电模式可以随意切换，因而本地关键负荷出现闪变的概念较小，且并网时电流也不容易出现突变。

1.2并网/离网切换策略

并网模式下的光伏储能系统中，通过U1或U2，我们能了解到光伏组串的最大功率，U2支持Bus电压和逆变并网电流，U3可以根据上位机的指令，进行充电和放电。离网模式下的光伏储能系统中，U2用来调节逆变电压，U3用来支控Bus电压。在并网下的U2支持并网电流，U2等效即电流源模式。离网下U2等效即电压源模式。电网出故障时或者电网刚工作时，则处于一种电流源模式和电压源模式能切换的模式。此模式下存在一个弊端是负载电源容易出现畸变，因此，无缝切换是存在一定难度的。

2常见光伏储能系统结构

储能装置是一种在并网运行和离网运行都能工作的装置，它的主要功能时负责调节电能，不断为负载侧提供电能，以保障供电的稳定性。就本地负荷和光伏能源而言，光伏储能装置能支持多个输入源的接入，在于这些输入源相连接时，根据自身特点实现互补；这可以在公共电网中发挥削峰填谷的作用。

2.1共交流母线结构

共交流母线结构中包含了蓄电池和光伏电池，其中蓄电池连接在电网侧，光伏电池连接着负载。蓄电池为升压DC /DC变换器提供能量并实施并网，光伏电池这位DC /AC逆变器提供能量，从而并网。当蓄电池处于低电压时，前一级DC /DC变换器具有自动升压功能，后一级DC /AC逆变会同逆变并网或供负载来减缓压力。在共交流母线结构，光伏发电给蓄电池充电需要变换四级，且效率不高。因此，共交流母线结构多应用在已经按照了光伏电池的场所。该结构的交换效率不高，其自发自用率也较低。

2.2共直流母线

共直流母线结构在光伏储能系统结构中使用的频率较高，电池不需要过多的级数来充电，因而具有低成本，高效能和能量利用率的特点。其中的原理是变压器隔离的拓扑均采用了软开关策略。共直流母线结构也有着自身的局限性，即容易出现升压型的隔离拓扑时的启动问题或一次侧管子高应力问题，要解决这些问题，可以采用特殊的缓起电路和缓冲电路，但是需要更多的费用。

2.3共光伏母线

双向DC /DC(U3)变换器的工作需要光伏电池和蓄电池的支持，U3变换器的作用是支持蓄电池充电以及支持其放电。此情况下，蓄电池能量能实现双向流动。此外，U3变换器在调节电压大小上也发挥着重要作用。MPPT来控制升压变换器的占空比实现，因此逆变器关系着光伏发电并网。负载供电设备包括了电网、蓄电池和光伏电池。

3新型光伏储能系统结构

3.1新型光伏储能系统结构

常用的能源端口有光伏接口、电池接口和电网接口。光伏接口借助单向 DC /DC(U1)连接母线，电池接口借助双向 DC /DC(U3)，将母线连接在一起，电网接口在双向 DC /AC，U2又连接在直流母线上，交流负荷端口在 DC /AC上，U4连接着直流母线，交流负荷端口可以连接单向负荷和三相负荷。与此同时，直流母线通过负荷端口将能量输送给直流负荷。直流母线连接四个变换器，因此，在安装在直流母线上的电容需要较大的容量，以用来缓冲并网/离网切换时出现的能量，同时也可以在各变换器之间发挥解耦控制的功能。上位机连接着人机接口，它的功能较为强大，主要负责控制各变换器，并采集相关的参数。而U1、U2、U3及U4的瞬时功率平衡性均由控制器来控制。

3.2运行模式说明

并网情况下，U1 根据 PV 情况起动或停止；U2 控制母线电压及并网电流，四相限运行;上位机给U3发布起动或停止指令，U3根据指令进行工作;U4 保持运行在电压源状态，为关键负荷提供电源。在离网下的U1根据PV情况起动或停止;U2脱离电网，停止工作；U3接管Bus电压控制权力，U4保持运行在电压源状态，为关键负荷提供电源。

3.3并网/离网切换控制策略

新的储能逆变器系统结构在并网/离网切换策略较为简单。当控制器收到电网异常或者掉电信号时，双向 DC /AC将不工作，双向 DC /DC将会控制母线的电压，控制母线电压处于一个稳定状态，不会超过设定值。当系统恢复电网时，要将模式切换到并网模式，DC /AC 将处于电流源模式。在此过程中，U4持续在电压源模式下运作。

3.4新型光伏储能系统评价

光伏储能逆变系统的微电网系统由上位机负责组建，它能将稳定、高质量的电源提供给给本地的直流和交流负荷。上层的控制系统具有管理和调度能量的作用，在优化目标下，上层的控制系统将会用户带来最大效益。另外，在电网发生掉电时，可以切换到U3来控制系统，其中U4处于正常工作状态，U2处于休息状态，由此实现并网/离网的无缝切换控制。

4未来光伏储能系统的发展

近些年，光伏储能系统在全球各国的应用越来越广泛，其安装量随年递增，政府补贴越来越少，甚至到零补贴，逐年下降的上网价，高买点价格导致“电网倒挂”现象的出现。此外，部分电网发展成熟的国家，分布式能源的出现给电网带了巨大的压力，因此，光伏储能市场走进家用。储能市场因而成为各国政府发展的新方向。就光伏储能系统而言，其应用主要在安装光伏电池的场所和新装场所，前者使用的是共交流母线的光伏储能，后者采用的是共直流母线结构的的光伏储能。

对于光伏储能系统，投资者重点关注是前期投资、后期回报率和用户的体验感。光伏储能系统中储能单元电池占据较大的成本比例，逆变器设计厂商应结合用户的负载运行情况和当地光照强度等科学确定蓄电池的容量，尽可能将其自发自用率设计到最大化。此外，应设计一个专业的电池管理系统，来管控和监督储电池，尽可能优化储电池的使用寿命。就用户而言，他们重点关注系统的通信和监接口，通信是否安全畅通，尤其是连接WIFI时，是否能成功对接端口信息。

结束语

总之，光伏储能系统在电力电气行业发挥着巨大的作用，在并网模式下同电网并网供电，离网模式为电网供电。光伏储能系统作为电网供应的清洁能源，能调节电网的高负荷，并在电网发生故障时，支持供电等。上文中对光伏储能常见的系统进行了总结，也论述了新型光伏储能结构、运行模式和控制策略，并对其进行了相应的评价，以为系统选择给出合理的建议。最后，就光伏储能系统未来发展进行了展望，光伏储能系统中储能单元电池的使用寿命关系着其成本，应尽可能保障电池的使用寿命。

参考文献

[1]张兴，曹仁贤．太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M]．北京:机械工业出版社，2018．

[2]戴崇，孙雯，金明．微电网中混合储能技术应用前景的探讨[J]．电源技术，2019，37(5): 817-820．

[3]陶以彬，杨波，陈彬，等．并/离网双模式储能变流器的研制[J]．电力电子技术，2023，46(5): 47-49．