基于光储一体逆变器的10 kW储能系统试验研究

雷梦琪,任晓明,那伟

（1.上海电机学院电气学院，上海 200240；2.上海航天电源技术有限责任公司，上海 201615）

0 引言

风能和太阳能作为可再生清洁能源被广泛应用于分布式发电领域。由于风能和太阳能受环境因素影响较大，必须配套相应的储能电池进行互补，因此，集光伏、风力发电与蓄电池一体的混合逆变器储能系统应运而生[1]～[4]。

近年来，储能系统中逆变器的研究主要从逆变器拓扑结构和逆变器供电方式两方面展开。储能系统中的逆变器拓扑结构主要有单相全桥、两电平三相桥式和三电平3类。文献[5]将单相全桥光储逆变器应用于储能系统，虽然该逆变器控制方式和换流过程都很简单，但只能在小功率场合使用，而且在并网和离网运行状态切换时，响应时间过长，电流电压波形不理想。文献[6]，[7]研究了以单台两电平三相桥式光储一体逆变器为核心的储能系统，解决了传统储能系统中需多台变换器同时接入完成交直流变换的问题，简化了电路模型。文献[8]完成了T型三电平光储一体并网逆变器的设计，该逆变器拓扑结构提高了电路的电压等级，适用于大功率场合。但针对T型三电平逆变器固有的中点电位波动问题，没有进行试验验证。文献[9]研究了三相六开关三电平光伏逆变器，该拓扑结构减少了系统电路开关管的数量，简化了电路模型，并且有效地抑制了漏电流的产生。储能系统中的逆变器供电方式主要有光储混合供电和风光储混合供电。文献[10]，[11]介绍了以光伏电池与储能设备双供电的逆变器储能系统模型为核心的微电网工程，均实现了微电网并离网平滑切换。文献[12]，[13]提出了风光储混合供电的储能系统模型，同时解决了传统供电不环保和新能源技术供电不稳定的问题，但是由于供电方式多样导致其工作模型和控制方式都较为复杂。

本文研究了T型三电平光储一体逆变器，并将其应用于10 kW储能系统，解决了单相逆变器[5]和两电平三相桥式逆变器[6]，[7]只能应用在小功率场合的弊端。该逆变器的光伏阵列和储能电池通过升降压变换器将电流分三路输入直流母线侧，直流母线通过DC/AC变换器将直流电转化为交流电后流入交流母线侧，经LC滤波后实现并网。最后，基于该光储一体逆变器搭建了10 kW储能系统试验平台，通过设计一系列稳态试验和动态试验，验证了该逆变器的工作性能。

1 试验方法

1.1 试验平台

10 kW储能系统试验平台包括供电储能端、光储一体逆变器、电网端、负载和测量端五大模块，示意图如图1所示。其中，电网电压为380～220 V，额定频率为50/60 Hz，功率因素为0.8超前～0.8滞后，电流谐波畸变率<3%。

图1 试验平台结构示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental platform structure

1.1.1 供电储能端

本试验平台的供电储能端采用光伏和电池双供电的储能形式。光伏（PV）采用具有太阳能光伏阵列的Chrom62150H-1000s可控直流电源供电器供电，该供电器输出功率可达15 kW，输出电压为0～1 000 V，电压测量精度为0.05%+0.05%F.S.，电流测量精度为0.05%+0.05%F.S.，电压纹波为1 950 mV，电流纹波为270 mA。电池采用磷酸铁锂电池（LFP），电池模组由15个3.2 V/50 Ah的电芯串联，规格为48 V50 Ah，容量为2.4 kW·h。电池系统由11个电池模块串联组成，规格为500 V50 Ah，采样精度为14bitADC±10 mV，通讯接口为CAN2.0 29位扩展ID，速率为500 kbps。

1.1.2 10 kW光储一体逆变器

10 kW光储一体逆变器的主电路为T型三电平逆变拓扑结构，主控制器为DSP28035，硬件设计的整体结构框图如图2所示。PV和锂离子电池储能供电端通过DC/DC变换电路升压后，将输出的直流电通过T型逆变电路进行DC/AC变换，升降压电路与逆变电路的输出数据经DSP28035的AD口采集送入储能系统，经过SPWM控制方式调制产生驱动信号，再经过LC滤波电路后产生与电网同频同相的电流实现并网。

图2 硬件系统整体结构框图Fig.2 Overall structure diagram of hardware system

该逆变器有如下4种工作模式。

①一般模式：若PV充足，则优先给负载供电，然后给电池充电，最后将剩余电量输入电网；若PV不充足，电池和电网一起给负载供电。

②电池模式：PV和电网给负载供电，并给电池充电；仅当电网异常时，电池放电给负载供电。

③微电网模式：PV和电池组成微网系统。若PV充足，则优先给本地负载供电，然后给电池充电；若PV不充足，电池放电给负载供电。

④削峰模式：根据电价的不同，1 d可以分为4个时段：尖期、峰期、平期和谷期。谷期电网和PV为电池充电；平期当PV足够时，电池充电；尖峰期电池放电为负载供电。

该逆变器的主要参数分为PV侧、电池侧和负载侧3方面，其中：PV侧最大输出功率为13 kW，最大直流电压为1 000 V，MPPT电压为330～800 V；电池电压为200～800 V，额定电池电压为500 V；负载侧额定功率为10 kW，最大输出电流为16.7 A。该逆变器具备防孤岛保护、直流开关保护、防浪涌保护、输出过流过压保护和输出短路保护。

1.1.3 负载和测量端

本试验平台采用深圳市威尔华公司的RCL负载箱代替本地负载。测量端包括功率分析仪和示波器，其中功率分析仪采用致远PA8000，该功率分析仪有7通道，可任意选配电机板卡，基本功率精度为0.01%读数+0.03%量程，带宽为0.1 Hz～5 MHz，分采样率为2 MS/s；示波器采用德科技（原安捷伦）KEYSIGHT DSOX3014T数字显示示波器，该示波器有4个模拟通道，带宽为100 MHz，最大存储器深度为4 Mpts，最大采样率为5 GSa/s。

1.2 试验

1.2.1 稳态试验

稳态试验是为了检测逆变器并网运行时的输入输出性能，从而确保其在电网侧稳定时正常工作。本文基于10 kW光储一体逆变器的试验平台，完成了包括满载运行并网电压电流状态、电流谐波畸变率和中点电位波动的稳态试验分析。示波器和功率分析仪记录并网电压、并网电流和直流侧半母线电压3组数据。

光伏阵列和锂电池双供电储能系统的并网试验的实现过程：首先光伏阵列实现并网，并网前，光伏阵列是开路状态，端电压无穷大，在并网瞬间，光伏阵列的输出电流越来越大，端电压慢慢降低到最大功率跟踪点，此时，向电网输出的有功功率最大；然后锂电池储能充电，光伏阵列通过光伏控制器给锂电池充电，锂电池端口电压增大，同时，光伏阵列的端电压被拉低，但略高于锂电池端口电压，直到光伏阵列的充电电流值和锂电池端口电压值趋于稳定，锂电池充电完成[14]；最后，光伏控制器的输出电流直接流入逆变器中，锂电池充电电流慢慢减小到零，锂电池开始放电，随着锂电池放电电流的增大，光伏阵列的输出功率慢慢降低，此时，锂电池和光伏阵列的出力趋于动态平衡，标志并网完成。并网完成后，外加10 kW纯阻性负载，此时，逆变器为满载状态，观察示波器和功率分析仪显示的并网电压电流波形和数据。

1.2.2 动态试验

动态试验是为了检测逆变器的快速感应能力、动作时间长度以及动态恢复性能，从而确保其在负载侧和电网侧出现波动时依旧能快速恢复正常工作状态。本文基于10 kW光储一体逆变器的试验平台，完成了包括满载半载切换瞬间和开机加载顺序切换瞬间、直流侧电压波动和并网电压电流运行状态的动态试验分析。示波器和功率分析仪记录的数据与稳态试验一致，分别为并网电压、并网电流和直流侧半母线电压。

满载半载切换试验的实现过程：在光储一体逆变器实现并网并带10 kW负载稳定运行的状态下，将负载切换为5 kW的瞬间，暂停示波器和功率分析仪的取值，并等比例放大示波器的波形，观察满载切换为半载瞬间交、直流侧电流电压波形和数据；同理，在逆变器实现并网并带5 kW负载稳定运行后，将负载切换为原10 kW的瞬间，观察半载切换为满载瞬间交、直流侧电流电压波形和数据。

开机加载顺序切换试验的实现过程：在光储一体逆变器开机并网稳定运行的状态下，将负载从0加到10 kW的瞬间，暂停示波器和功率分析仪的取值，并等比例放大示波器的波形，观察开机并网后加载瞬间交、直流侧电流电压波形和数据；同理，逆变器先加10 kW负载，然后再开机并网瞬间，观察交、直流侧电流电压波形和数据。

2 结果与分析

本文在完成10 kW储能系统试验平台的搭建后，进行了一系列稳态试验和动态试验，具体试验参数如表1所示。

表1 试验参数Table 1 Test parameters

2.1 稳态试验

2.1.1 对称负载并网运行

（1）并网运行

图3为10 kW光储一体逆变器满载并网运行时，A相电网电压和并网电流以及直流侧上下母线电压波形图。从试验结果输出的波形图可以看出，A相电网电压和并网电流的相位和频率均相同，此时，并网电压为220.9 V，并网电流为

图3 A相并网电压电流Fig.3 A-Phase grid-integrated voltage and current

14.86 A，频率为49.92 Hz，直流侧半母线电压值分别为402 V和399 V，并网运行状况良好。

（2）电流谐波测量

GB/T 37409-2019[15]中对并网电流的各次谐波含有率限值做出了明确规定，如表2所示，要求光伏发电并网逆变器的并网电流各次谐波均低于限值，且总电流谐波畸变率≤5%。本试验在逆变器并网稳定运行后，通过功率分析仪截取了某时刻2～40次电流谐波含量，如图4所示。从图中可以看出，并网A相电流总谐波畸变率为2.47%，基波有效值为15.04 A，各次谐波含量均低于规定的限值。

表2 电流谐波含有率限值Table 2 Limitation of current harmonic content

图4 并网电流谐波含量Fig.4 Harmonic content of grid-integrated current

（3）中点电位波动

直流侧中点电压偏差波形图如图5所示。从图中可以得出，测量时刻直流侧上下母线电压差为7.25 V，全母线电压的波动为±5%Udc，半母线的波动为±2.5%Udc，满足电压波动要求[15]。

图5 直流侧半母线电压波动图Fig.5 Voltage fluctuation diagram of half-bus on DC side

2.1.2 不对称负载并网运行

针对光储一体逆变器并网运行时常见的三相不平衡问题，本文设计了仿真对比试验，对逆变器带10 kW三相对称负载和3.3 kW单相负载（不对称负载）的并网状态进行了比较，直流侧半母线电压波形和A相并网电流谐波畸变率分别如图6和图7所示。从仿真试验结果可以看出：逆变器带3.3 kW单相不对称负载时，A相并网电流基值为15.827 A，谐波畸变率为3.40%，较对称负载增加了1.79%，但仍满足光伏并网总电流谐波畸变率≤5%的要求；直流侧半母线电压值稳定在400 V，上下母线电压差控制在18 V以内，较对称负载增加了10 V，但同样满足半母线电压波动为±2.5%Udc的要求。

图6 直流侧半母线电压波动图Fig.6 Voltage fluctuation diagram of half-bus on DC side

图7 并网电流各次谐波含量Fig.7 Harmonic content of grid-integrated current

2.2 动态试验

2.2.1 满载和半载切换

图8为满载和半载切换时，A相电网电压和并网电流以及直流侧上下母线电压波动情况。从图中可以看出，当逆变器在满载和半载之间切换时，经过25 ms直流侧电压波形恢复，波动范围在10 V以内。因此可以得出，该10 kW逆变系统动态变化小，且调节时间短，具有很好的动态特性。

2.2.2 开机加载顺序切换

图9为开机后加满载和满载后开机瞬间并网电压电流以及直流侧上下母线电压波动情况。从图中可以看出，开机后加载瞬间和加载后开机瞬间，直流母线电压都降低，且均经过50 ms直流侧电压波形恢复，负载电流显示到满载状态。两种加载运行直流母线波动较小，证明该逆变器具有很好的动态特性。但是，加载后开机瞬间电流电压波动分别为1.968 A和18.453 V，畸变明显。所以，一般情况下选择开机后加载，对逆变器和负载损坏程度都较小。

3 结论

本文研究了集光伏与锂电池供电于一体的光储混合逆变器技术，并基于该光储一体机搭建了10 kW储能系统试验平台，在并网运行状态下完成了稳态试验和动态试验。试验结果表明：在稳态运行时，该光储一体逆变器能平稳输出与电网同频同相的电压电流，且电流谐波畸变率<3%，直流侧半母线电压波动在±2.5%Udc，满足GB/T 37409-2019的要求；在动态运行时，该逆变器在负载切换瞬间直流电压波动在10 V以内，恢复时间为25 ms，具有很好的动态特性。因此，光储一体逆变器能够满足10 kW储能系统的技术要求。