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摘要：光伏储能逆变器作为光伏储能系统核心电力转换设备，实现光伏系统、电池储能装置和电网的能量交互。目前光伏储能逆变器控制，为实现逆变功率控制，需要控制电池功率或者光伏功率，间接控制逆变功率，这种方式调节速度较慢，逆变控制精度低。光伏储能逆变器Bus电容作为光伏功率、电池储能功率和逆变功率的能量交互元件，增加逆变功率控制环路，通过PV Boost、电池BuckBoost和逆变Bus电压自适应控制，实现各部分功率自动分配。

关键词：光伏储能逆变器；逆变功率控制；Bus电压自适应控制

1 引言

2022年被称为“储能爆发元年”，储能产业得到快速发展，光伏并网储能系统正日益成为能源领域的重要组成部分。不仅需要实现光伏系统、电池储能装置和电网的能量交互，还需应对电网稳定性、能量调度以及电力质量等多方面的挑战。

光伏储能逆变器相较于光伏并网逆变器，增加了电池储能部分，系统功率控制复杂度和困难度增加，能量流向从光伏电能单方向流向电网变成光伏电能单向输出，电池储能和电网双向可控的方式。由于增加了电池储能单元，储能系统可以保证逆变输出的持续性和可靠性。

目前光伏储能逆变器控制中，实现逆变功率控制，需要控制电池储能充放电功率或者光伏输出功率，间接控制逆变功率，这种方式调节速度较慢，逆变功率控制精度低。光伏储能逆变器Bus电容作为光伏功率、电池储能功率和逆变功率的能量交互元件，增加逆变功率控制环路和通过PV Boost、电池BuckBoost和逆变Bus电压自适应控制，实现各部分功率自动分配。

2 控制架构设计

2.1 逆变控制模块设计

逆变控制采用电压电流双环控制+逆变功率控制，其中电压电流双环控制与光伏并网逆变器一致，稳定Bus电压。增加逆变功率控制器，输出标幺化后范围为0～1，当逆变功率大于功率参考，减小输出，限制Bus电压外环输出，即电流环参考幅值，从而减小逆变功率输出；当逆变功率小于功率参考，增大输出，增加Bus电压外环输出，即电流环参考幅值，从而增大逆变功率输出。

2.2 PV Boost控制模块

PV Boost控制采用双环控制+Bus限制控制，其中电压电流双环控制与光伏并网逆变器一致，控制PV电压，追踪MPPT。增加PV Boost Bus电压限制控制器，输出标幺化后范围为0～1，当Bus电压大于Bus电压参考+V，输出减小，减小PV电压环输出，即减小PV电流环参考，从而限制PV功率输出；当Bus电压小于Bus电压参考+V，输出增大，放开PV电压环输出，从而增加PV功率输出。

2.3 电池 BuckBoost控制模块设计

图1为电池BuckBoost控制框图，BuckBoost控制采用双环控制+Bus自适应控制，其中电压电流双环控制与UPS逆变器一致。Gs（I_InvLmt）为逆变电流限值控制，输出为电池Bus电压参考，I_InvLmt为逆变功率器输出，V_InvOut为逆变Bus电压控制器输出。当逆变功率指令恒定时，I_InvLmt恒定，Bus电压大于逆变Bus电压参考，逆变Bus电压控制输出增加，电池Bus电压参考随之减小，电池较小输出功率或者增加充电功率；Bus电压小于逆变Bus电压参考，逆变Bus电压控制输出较小，电池Bus电压参考随之减增大，电池减小充电功率或者增加放电功率。

Gs（Bus_Lmt）为电池BuckBoos Bus电压限制控制器，输出标幺化后范围为-1～1，当Bus电压小于电池Bus电压参考，限制电池电压环输出，即限制电池电流环参考，从而限制电池功率输出，当Bus电压大于Bus电压参考，电池BuckBoost变为充电稳定Bus电压。原理上增加Gs（I_InvLmt）和Gs（Bus_Lmt）可以实现电Bus电压自适应调节。

3 Bus电压自适应控制分析

通过对逆变控制、PV Boost控制和电池BuckBoost控制设置不同的Bus电压参考，实现Bus电压自适应控制，其电池BuckBoost控制的Bus电压参考由逆变限流控制器输出，可以动态调节，实现电池BuckBoost充放电无缝切换。

3.1电池Bus电压参考范围分析

为实现Bus电压自适应控制，需要先制定光伏储能并网系统，PV、电池、电网供电优先级，然后动态调节电池Bus电压参考。

PV作为系统的第一级供电电源，电池作为系统的第二级供电电源，在逆变功率指令恒定时，在PV功率不足的情况下，电池放电补充功率缺口。电网作为系统的第三级供电电源，在PV功率和电池功率都无法满足逆变功率需求时提供功率支撑。

当时，PV Boost控制Bus电压限制控制器和电池BuckBoost控制Bus电压限制控制器输出均放开，不限制外环电压控制器输出，PV和电池放电支撑Bus电压；当时，PV和电池放电，逆变控制Bus电压控制器输出放电，供电负载；当时，PV放电，逆变供电负载，电池BuckBoost控制Bus限制控制器输出减小至<0，充电吸收PV发出的多余功率；当时，PV Boost控制Bus限制控制器输出减小，限制PV功率，电池充电功率最大，逆变供电负载。

3.2 Bus电压限制控制器分析

PV Boost Bus电压限制控制器和电池BuckBoost Bus电压限制控制器被控对象都是Bus电容，传递函数为，其中C为Bus电容容值，Bus电压限制控制器采用PI控制器，传递函数为。

虽然PV Boost和BuckBoost电路电感感量不一致，PV电压和电池电压也不一致，但是电流控制器的控制带宽远大于Bus电压限制控制器带宽，工程上可以将电流控制器简化为1，简化后其开环传递函数为。

设置Bus电容C=1880uF，Kp=0.15，Ki=75，Ts=1/20000，从Bode图（如图2）中可见，截止频率f=89Hz，相位裕度Deg=-119°，Bus电压限制控制器稳定。

4 仿真和实验样机验证

4.1 SIMULINK仿真验证

基于SIMULINK仿真单相光伏储能并网系统，设定逆变器额定功率5000W，PV MPPT电压300v，功率5400w，一路锂电池，额定电压96v，最大允充允放功率5000W，电网电压230v，频率50Hz，逆变功率指令从0w切换到放电5000W，PV功率、电池功率、逆变功率与Bus电压如图3，其中黄色为PV功率，蓝色为电池功率，红色为逆变功率。从图中可见，当逆变功率为0w时，PV放电，电池充电，Bus电压稳定；当逆变功率指令从0w切换至5000w，逆变功率在100ms内达到目标值，Bus电压跌落，电池快速减小充电功率支撑Bus电压，PV功率不变，使PV发电处于最大利用效率。

4.2 实验样机验证

单相光伏储能逆变器实验样机，额定功率5000w，PV MPPT电压300v，功率6000w，一路锂电池，额定电压96v，最大允充允放功率5000W，交流侧连接电网和负载。投载5000w波形如图4，其中CH1黄色：Bus电压，CH2蓝色：PV电流，CH3红色：逆变电流，CH4绿色：电池电流。在投载时，逆变电流快速调节，同时Bus电压和PV电流稳定，实验结果与仿真结果一致。

5 结论

本论文提出一种基于Bus电压自适应的光伏储能逆变器并网控制算法，相较于传统控制，在并网工况下逆变功率精度和调节速度，PV发电稳定性和效率方面有较好的改善。增加PV Boost控制Bus限制控制器和电池BuckBoost控制Bus限制控制器，通过逆变电流限值控制器动态调节电池BuckBoost控制Bus限制控制器参考，实现投切载时刻，PV、电池和电网能量的自动平衡。最后通过SIMULINK仿真和实验样机共同验证了方案的可行性。目前本方案成功用于本公司产品，累计出货量大于3万台。

参考文献

[1]太阳能光伏并网发电及其逆变控制-第2版，张兴，曹仁贤编著，机械工业出版社。

[2]一种应用于光伏系统的双向DC_DC变换器，郭海滨，张崇巍，张兴，刘胜永，电力电子技术2010年6月。

[3]10kW单相光伏储能双向逆变器的控制研究与实现，鞠禹堰。

[4]双向储能逆变器并离网控制策略，符含润。

[5]T型三电平单相三线制户用光伏储能逆变器控制策略研究，刘保瑞。