雷夢(mèng)琪,任曉明,那偉

（1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 200240；2.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 201615）

0 引言

風(fēng)能和太陽能作為可再生清潔能源被廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電領(lǐng)域。由于風(fēng)能和太陽能受環(huán)境因素影響較大，必須配套相應(yīng)的儲(chǔ)能電池進(jìn)行互補(bǔ)，因此，集光伏、風(fēng)力發(fā)電與蓄電池一體的混合逆變器儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]～[4]。

近年來，儲(chǔ)能系統(tǒng)中逆變器的研究主要從逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和逆變器供電方式兩方面展開。儲(chǔ)能系統(tǒng)中的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單相全橋、兩電平三相橋式和三電平3類。文獻(xiàn)[5]將單相全橋光儲(chǔ)逆變器應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)，雖然該逆變器控制方式和換流過程都很簡(jiǎn)單，但只能在小功率場(chǎng)合使用，而且在并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換時(shí)，響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，電流電壓波形不理想。文獻(xiàn)[6]，[7]研究了以單臺(tái)兩電平三相橋式光儲(chǔ)一體逆變器為核心的儲(chǔ)能系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中需多臺(tái)變換器同時(shí)接入完成交直流變換的問題，簡(jiǎn)化了電路模型。文獻(xiàn)[8]完成了T型三電平光儲(chǔ)一體并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)，該逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高了電路的電壓等級(jí)，適用于大功率場(chǎng)合。但針對(duì)T型三電平逆變器固有的中點(diǎn)電位波動(dòng)問題，沒有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]研究了三相六開關(guān)三電平光伏逆變器，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了系統(tǒng)電路開關(guān)管的數(shù)量，簡(jiǎn)化了電路模型，并且有效地抑制了漏電流的產(chǎn)生。儲(chǔ)能系統(tǒng)中的逆變器供電方式主要有光儲(chǔ)混合供電和風(fēng)光儲(chǔ)混合供電。文獻(xiàn)[10]，[11]介紹了以光伏電池與儲(chǔ)能設(shè)備雙供電的逆變器儲(chǔ)能系統(tǒng)模型為核心的微電網(wǎng)工程，均實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換。文獻(xiàn)[12]，[13]提出了風(fēng)光儲(chǔ)混合供電的儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，同時(shí)解決了傳統(tǒng)供電不環(huán)保和新能源技術(shù)供電不穩(wěn)定的問題，但是由于供電方式多樣導(dǎo)致其工作模型和控制方式都較為復(fù)雜。

本文研究了T型三電平光儲(chǔ)一體逆變器，并將其應(yīng)用于10 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)，解決了單相逆變器[5]和兩電平三相橋式逆變器[6]，[7]只能應(yīng)用在小功率場(chǎng)合的弊端。該逆變器的光伏陣列和儲(chǔ)能電池通過升降壓變換器將電流分三路輸入直流母線側(cè)，直流母線通過DC/AC變換器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電后流入交流母線側(cè)，經(jīng)LC濾波后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。最后，基于該光儲(chǔ)一體逆變器搭建了10 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，通過設(shè)計(jì)一系列穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該逆變器的工作性能。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

10 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)包括供電儲(chǔ)能端、光儲(chǔ)一體逆變器、電網(wǎng)端、負(fù)載和測(cè)量端五大模塊，示意圖如圖1所示。其中，電網(wǎng)電壓為380～220 V，額定頻率為50/60 Hz，功率因素為0.8超前～0.8滯后，電流諧波畸變率<3%。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental platform structure

1.1.1 供電儲(chǔ)能端

本試驗(yàn)平臺(tái)的供電儲(chǔ)能端采用光伏和電池雙供電的儲(chǔ)能形式。光伏（PV）采用具有太陽能光伏陣列的Chrom62150H-1000s可控直流電源供電器供電，該供電器輸出功率可達(dá)15 kW，輸出電壓為0～1 000 V，電壓測(cè)量精度為0.05%+0.05%F.S.，電流測(cè)量精度為0.05%+0.05%F.S.，電壓紋波為1 950 mV，電流紋波為270 mA。電池采用磷酸鐵鋰電池（LFP），電池模組由15個(gè)3.2 V/50 Ah的電芯串聯(lián)，規(guī)格為48 V50 Ah，容量為2.4 kW·h。電池系統(tǒng)由11個(gè)電池模塊串聯(lián)組成，規(guī)格為500 V50 Ah，采樣精度為14bitADC±10 mV，通訊接口為CAN2.0 29位擴(kuò)展ID，速率為500 kbps。

1.1.2 10 kW光儲(chǔ)一體逆變器

10 kW光儲(chǔ)一體逆變器的主電路為T型三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主控制器為DSP28035，硬件設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。PV和鋰離子電池儲(chǔ)能供電端通過DC/DC變換電路升壓后，將輸出的直流電通過T型逆變電路進(jìn)行DC/AC變換，升降壓電路與逆變電路的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)DSP28035的AD口采集送入儲(chǔ)能系統(tǒng)，經(jīng)過SPWM控制方式調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)過LC濾波電路后產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同相的電流實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

圖2 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Overall structure diagram of hardware system

該逆變器有如下4種工作模式。

①一般模式：若PV充足，則優(yōu)先給負(fù)載供電，然后給電池充電，最后將剩余電量輸入電網(wǎng)；若PV不充足，電池和電網(wǎng)一起給負(fù)載供電。

②電池模式：PV和電網(wǎng)給負(fù)載供電，并給電池充電；僅當(dāng)電網(wǎng)異常時(shí)，電池放電給負(fù)載供電。

③微電網(wǎng)模式：PV和電池組成微網(wǎng)系統(tǒng)。若PV充足，則優(yōu)先給本地負(fù)載供電，然后給電池充電；若PV不充足，電池放電給負(fù)載供電。

④削峰模式：根據(jù)電價(jià)的不同，1 d可以分為4個(gè)時(shí)段：尖期、峰期、平期和谷期。谷期電網(wǎng)和PV為電池充電；平期當(dāng)PV足夠時(shí)，電池充電；尖峰期電池放電為負(fù)載供電。

該逆變器的主要參數(shù)分為PV側(cè)、電池側(cè)和負(fù)載側(cè)3方面，其中：PV側(cè)最大輸出功率為13 kW，最大直流電壓為1 000 V，MPPT電壓為330～800 V；電池電壓為200～800 V，額定電池電壓為500 V；負(fù)載側(cè)額定功率為10 kW，最大輸出電流為16.7 A。該逆變器具備防孤島保護(hù)、直流開關(guān)保護(hù)、防浪涌保護(hù)、輸出過流過壓保護(hù)和輸出短路保護(hù)。

1.1.3 負(fù)載和測(cè)量端

本試驗(yàn)平臺(tái)采用深圳市威爾華公司的RCL負(fù)載箱代替本地負(fù)載。測(cè)量端包括功率分析儀和示波器，其中功率分析儀采用致遠(yuǎn)PA8000，該功率分析儀有7通道，可任意選配電機(jī)板卡，基本功率精度為0.01%讀數(shù)+0.03%量程，帶寬為0.1 Hz～5 MHz，分采樣率為2 MS/s；示波器采用德科技（原安捷倫）KEYSIGHT DSOX3014T數(shù)字顯示示波器，該示波器有4個(gè)模擬通道，帶寬為100 MHz，最大存儲(chǔ)器深度為4 Mpts，最大采樣率為5 GSa/s。

1.2 試驗(yàn)

1.2.1 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)是為了檢測(cè)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的輸入輸出性能，從而確保其在電網(wǎng)側(cè)穩(wěn)定時(shí)正常工作。本文基于10 kW光儲(chǔ)一體逆變器的試驗(yàn)平臺(tái)，完成了包括滿載運(yùn)行并網(wǎng)電壓電流狀態(tài)、電流諧波畸變率和中點(diǎn)電位波動(dòng)的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)分析。示波器和功率分析儀記錄并網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流和直流側(cè)半母線電壓3組數(shù)據(jù)。

光伏陣列和鋰電池雙供電儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過程：首先光伏陣列實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，并網(wǎng)前，光伏陣列是開路狀態(tài)，端電壓無窮大，在并網(wǎng)瞬間，光伏陣列的輸出電流越來越大，端電壓慢慢降低到最大功率跟蹤點(diǎn)，此時(shí)，向電網(wǎng)輸出的有功功率最大；然后鋰電池儲(chǔ)能充電，光伏陣列通過光伏控制器給鋰電池充電，鋰電池端口電壓增大，同時(shí)，光伏陣列的端電壓被拉低，但略高于鋰電池端口電壓，直到光伏陣列的充電電流值和鋰電池端口電壓值趨于穩(wěn)定，鋰電池充電完成[14]；最后，光伏控制器的輸出電流直接流入逆變器中，鋰電池充電電流慢慢減小到零，鋰電池開始放電，隨著鋰電池放電電流的增大，光伏陣列的輸出功率慢慢降低，此時(shí)，鋰電池和光伏陣列的出力趨于動(dòng)態(tài)平衡，標(biāo)志并網(wǎng)完成。并網(wǎng)完成后，外加10 kW純阻性負(fù)載，此時(shí)，逆變器為滿載狀態(tài)，觀察示波器和功率分析儀顯示的并網(wǎng)電壓電流波形和數(shù)據(jù)。

1.2.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是為了檢測(cè)逆變器的快速感應(yīng)能力、動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)度以及動(dòng)態(tài)恢復(fù)性能，從而確保其在負(fù)載側(cè)和電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)依舊能快速恢復(fù)正常工作狀態(tài)。本文基于10 kW光儲(chǔ)一體逆變器的試驗(yàn)平臺(tái)，完成了包括滿載半載切換瞬間和開機(jī)加載順序切換瞬間、直流側(cè)電壓波動(dòng)和并網(wǎng)電壓電流運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析。示波器和功率分析儀記錄的數(shù)據(jù)與穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)一致，分別為并網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流和直流側(cè)半母線電壓。

滿載半載切換試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過程：在光儲(chǔ)一體逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)并帶10 kW負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下，將負(fù)載切換為5 kW的瞬間，暫停示波器和功率分析儀的取值，并等比例放大示波器的波形，觀察滿載切換為半載瞬間交、直流側(cè)電流電壓波形和數(shù)據(jù)；同理，在逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)并帶5 kW負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行后，將負(fù)載切換為原10 kW的瞬間，觀察半載切換為滿載瞬間交、直流側(cè)電流電壓波形和數(shù)據(jù)。

開機(jī)加載順序切換試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過程：在光儲(chǔ)一體逆變器開機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下，將負(fù)載從0加到10 kW的瞬間，暫停示波器和功率分析儀的取值，并等比例放大示波器的波形，觀察開機(jī)并網(wǎng)后加載瞬間交、直流側(cè)電流電壓波形和數(shù)據(jù)；同理，逆變器先加10 kW負(fù)載，然后再開機(jī)并網(wǎng)瞬間，觀察交、直流側(cè)電流電壓波形和數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

本文在完成10 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建后，進(jìn)行了一系列穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Test parameters

2.1 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

2.1.1 對(duì)稱負(fù)載并網(wǎng)運(yùn)行

（1）并網(wǎng)運(yùn)行

圖3為10 kW光儲(chǔ)一體逆變器滿載并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，A相電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流以及直流側(cè)上下母線電壓波形圖。從試驗(yàn)結(jié)果輸出的波形圖可以看出，A相電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的相位和頻率均相同，此時(shí)，并網(wǎng)電壓為220.9 V，并網(wǎng)電流為

圖3 A相并網(wǎng)電壓電流Fig.3 A-Phase grid-integrated voltage and current

14.86 A，頻率為49.92 Hz，直流側(cè)半母線電壓值分別為402 V和399 V，并網(wǎng)運(yùn)行狀況良好。

（2）電流諧波測(cè)量

GB/T 37409-2019[15]中對(duì)并網(wǎng)電流的各次諧波含有率限值做出了明確規(guī)定，如表2所示，要求光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流各次諧波均低于限值，且總電流諧波畸變率≤5%。本試驗(yàn)在逆變器并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行后，通過功率分析儀截取了某時(shí)刻2～40次電流諧波含量，如圖4所示。從圖中可以看出，并網(wǎng)A相電流總諧波畸變率為2.47%，基波有效值為15.04 A，各次諧波含量均低于規(guī)定的限值。

表2 電流諧波含有率限值Table 2 Limitation of current harmonic content

圖4 并網(wǎng)電流諧波含量Fig.4 Harmonic content of grid-integrated current

（3）中點(diǎn)電位波動(dòng)

直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏差波形圖如圖5所示。從圖中可以得出，測(cè)量時(shí)刻直流側(cè)上下母線電壓差為7.25 V，全母線電壓的波動(dòng)為±5%Udc，半母線的波動(dòng)為±2.5%Udc，滿足電壓波動(dòng)要求[15]。

圖5 直流側(cè)半母線電壓波動(dòng)圖Fig.5 Voltage fluctuation diagram of half-bus on DC side

2.1.2 不對(duì)稱負(fù)載并網(wǎng)運(yùn)行

針對(duì)光儲(chǔ)一體逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)常見的三相不平衡問題，本文設(shè)計(jì)了仿真對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)逆變器帶10 kW三相對(duì)稱負(fù)載和3.3 kW單相負(fù)載（不對(duì)稱負(fù)載）的并網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行了比較，直流側(cè)半母線電壓波形和A相并網(wǎng)電流諧波畸變率分別如圖6和圖7所示。從仿真試驗(yàn)結(jié)果可以看出：逆變器帶3.3 kW單相不對(duì)稱負(fù)載時(shí)，A相并網(wǎng)電流基值為15.827 A，諧波畸變率為3.40%，較對(duì)稱負(fù)載增加了1.79%，但仍滿足光伏并網(wǎng)總電流諧波畸變率≤5%的要求；直流側(cè)半母線電壓值穩(wěn)定在400 V，上下母線電壓差控制在18 V以內(nèi)，較對(duì)稱負(fù)載增加了10 V，但同樣滿足半母線電壓波動(dòng)為±2.5%Udc的要求。

圖6 直流側(cè)半母線電壓波動(dòng)圖Fig.6 Voltage fluctuation diagram of half-bus on DC side

圖7 并網(wǎng)電流各次諧波含量Fig.7 Harmonic content of grid-integrated current

2.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

2.2.1 滿載和半載切換

圖8為滿載和半載切換時(shí)，A相電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流以及直流側(cè)上下母線電壓波動(dòng)情況。從圖中可以看出，當(dāng)逆變器在滿載和半載之間切換時(shí)，經(jīng)過25 ms直流側(cè)電壓波形恢復(fù)，波動(dòng)范圍在10 V以內(nèi)。因此可以得出，該10 kW逆變系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化小，且調(diào)節(jié)時(shí)間短，具有很好的動(dòng)態(tài)特性。

2.2.2 開機(jī)加載順序切換

圖9為開機(jī)后加滿載和滿載后開機(jī)瞬間并網(wǎng)電壓電流以及直流側(cè)上下母線電壓波動(dòng)情況。從圖中可以看出，開機(jī)后加載瞬間和加載后開機(jī)瞬間，直流母線電壓都降低，且均經(jīng)過50 ms直流側(cè)電壓波形恢復(fù)，負(fù)載電流顯示到滿載狀態(tài)。兩種加載運(yùn)行直流母線波動(dòng)較小，證明該逆變器具有很好的動(dòng)態(tài)特性。但是，加載后開機(jī)瞬間電流電壓波動(dòng)分別為1.968 A和18.453 V，畸變明顯。所以，一般情況下選擇開機(jī)后加載，對(duì)逆變器和負(fù)載損壞程度都較小。

3 結(jié)論

本文研究了集光伏與鋰電池供電于一體的光儲(chǔ)混合逆變器技術(shù)，并基于該光儲(chǔ)一體機(jī)搭建了10 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下完成了穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，該光儲(chǔ)一體逆變器能平穩(wěn)輸出與電網(wǎng)同頻同相的電壓電流，且電流諧波畸變率<3%，直流側(cè)半母線電壓波動(dòng)在±2.5%Udc，滿足GB/T 37409-2019的要求；在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，該逆變器在負(fù)載切換瞬間直流電壓波動(dòng)在10 V以內(nèi)，恢復(fù)時(shí)間為25 ms，具有很好的動(dòng)態(tài)特性。因此，光儲(chǔ)一體逆變器能夠滿足10 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)要求。