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💥1 概述

光伏储能并网发电系统拓扑与控制策略研究

摘要

针对光伏组件输出非线性、直流母线电压易波动以及并网电能质量控制难题，本文设计了一套由光伏 Boost 升压电路、双向 Buck-Boost DC-DC 储能变换器和单相并网逆变器组成的三级式光伏储能并网发电系统。前级 Boost 变换器采用扰动观察法实现光伏最大功率点跟踪，提升光能利用率；中间级双向 DC-DC 变换器采用电压电流双闭环控制，维持直流母线电压稳定；后级并网逆变器采用电压电流双闭环 PI 控制，配合电网电压前馈与二阶广义积分器锁相技术，实现低谐波、高功率因数并网运行。测试结果表明，系统运行稳定，并网电流总谐波畸变率低于 5%，满足并网运行标准，具备良好的工程应用价值。

关键词：光伏储能；最大功率点跟踪；双向 DC-DC；并网逆变器；双闭环控制；伯德图整定

1 引言

在分布式发电与新型电力系统快速发展的背景下，光伏发电凭借清洁、可再生等优势得到广泛应用。但光伏阵列输出特性受光照强度、环境温度影响显著，呈现强非线性，需要通过最大功率点跟踪技术提升发电效率。同时，光伏出力具有间歇性与波动性，易造成直流母线电压偏移，影响系统安全稳定运行。引入储能单元与双向功率变换装置，可实现功率平抑与母线稳压，是提升光伏系统可靠性的关键技术。

并网逆变器作为连接直流系统与交流电网的核心接口，其控制性能直接决定并网电能质量。传统单环控制存在响应慢、抗扰能力弱、谐波抑制效果差等问题，难以满足高标准并网要求。基于此，本文从系统拓扑、建模方法、参数设计、控制策略与参数整定等方面，对光伏储能并网系统开展完整研究，构建一套高效、稳定、低谐波的并网控制方案，为小型分布式光伏储能系统的设计与实现提供理论支撑与技术参考。

2 系统总体结构

本文所设计的光伏储能并网系统主要由三部分功率变换单元级联组成，整体采用非隔离式拓扑结构，以提高转换效率、减小体积与成本。

前级为光伏 Boost 升压变换器，负责实现光伏阵列的最大功率点跟踪，并将光伏输出电压提升至直流母线电压等级。中间级为双向 Buck-Boost DC-DC 变换器，一端连接储能电池，一端接入直流母线，实现能量双向流动与直流母线电压稳定控制。后级为单相全桥并网逆变器，将稳定的直流电转换为工频交流电，经 LC 滤波后并入公共电网。

系统直流母线额定电压设定为 400V，功率开关器件开关频率统一设置为 20kHz，并网侧为 220V、50Hz 工频交流电网，整体结构清晰、控制目标明确，可实现光伏高效发电、储能稳定调压、高质量并网的协同运行。

3 主电路拓扑与工作原理

3.1 光伏 Boost 变换器

Boost 变换器属于非隔离型升压斩波电路，能够在不改变电能基本属性的前提下提升输出电压。在光伏系统中，Boost 电路不仅实现电压抬升，更重要的是通过调节开关管占空比，改变光伏侧等效输入阻抗，使光伏阵列始终工作在最大功率点附近。

该变换器通过周期性开通与关断功率开关管，使电感完成储能与释能过程，实现输入电压到更高输出电压的变换。配合最大功率点跟踪算法，可实时根据光照与温度变化调整工作点，保证光伏组件输出功率最大化。

3.2 双向 Buck-Boost DC-DC 变换器

双向 Buck-Boost 变换器具备能量双向传输能力，可工作在降压模式与升压模式。当系统光伏功率过剩时，变换器工作在降压模式，将直流母线能量输送至储能电池进行充电；当光伏功率不足或母线电压跌落时，变换器工作在升压模式，将电池能量释放至直流母线，维持母线电压稳定。

该拓扑采用半桥结构与互补 PWM 控制方式，只需调节 PWM 占空比即可实现能量流向与功率大小控制，具有控制简单、动态响应快、可靠性高等特点，适用于储能系统与直流母线的接口变换。

3.3 单相并网逆变器

并网逆变器采用两电平全桥结构，是实现直流到交流变换的核心单元。逆变器输出侧配置 LC 滤波电路，用于抑制开关谐波，获得平滑正弦波电流并入电网。

逆变器通过控制开关管的导通与关断时序，生成与电网同频同相的正弦交流电流，实现单位功率因数并网。同时通过合理的控制策略抑制谐波，降低电流畸变率，保证并网电能质量符合国家标准。

4 主电路关键参数设计

4.1 Boost 电路参数设计

Boost 电路参数主要包括功率开关管、滤波电感与输出电容。开关器件选型需根据电路最大电压、最大电流并预留足够安全裕量，保证长期可靠工作。

滤波电感用于抑制输入电流纹波，其取值需兼顾纹波大小、电感体积与损耗，在满足纹波要求的前提下选择合理电感值。输出电容用于平滑输出电压，减小电压波动，保证直流母线侧电压稳定。参数设计综合考虑电流电压应力、纹波指标、器件成本与工程实现性，确定最优参数组合。

4.2 双向 DC-DC 变换器参数设计

双向 DC-DC 变换器的直流侧电容用于抑制母线谐波、稳定电压，取值依据功率等级、开关频率与电压纹波要求确定。功率开关管需同时满足升压与降压模式下的电压电流应力，选择具有足够耐压与耐流能力的器件。

滤波电感是双向变换器的核心储能元件，需同时满足充电与放电模式下的电流纹波要求，同时控制电感压降在合理范围，保证变换效率。最终参数在满足电气性能前提下，兼顾体积、重量与成本，实现优化设计。

4.3 并网逆变器 LC 滤波器设计

LC 滤波器是并网逆变器的关键部件，用于滤除 PWM 开关产生的高次谐波，保证输出电流正弦度。滤波电感的设计以电感压降与电流纹波为约束条件，确保在额定工况下损耗小、纹波低。

滤波电容用于吸收高频谐波，其取值需限制无功电流在允许范围内，同时使 LC 滤波器谐振频率远离基波频率与开关频率，避免谐振引发系统振荡。通过合理匹配电感与电容参数，使滤波器具备良好的谐波抑制能力与动态特性。

5 系统控制策略

5.1 光伏 MPPT 控制

光伏阵列输出具有非线性特性，在特定光照与温度下仅有一个最大功率点。为提升发电效率，Boost 变换器采用扰动观察法实现最大功率点跟踪。

该算法通过周期性小幅扰动工作电压，检测输出功率变化方向，自动调整电压参考值，使光伏组件快速收敛到最大功率点并稳定运行。扰动观察法实现简单、可靠性高、占用资源少，适合在数字控制平台中实时运行。

5.2 双向 DC-DC 变换器双闭环控制

双向 DC-DC 变换器采用电压外环、电流内环的双闭环级联控制策略。电压外环以直流母线电压为控制目标，将给定电压与实际母线电压的偏差经过调节器运算，输出电流参考值。电流内环快速跟踪电流参考信号，控制充放电电流，提升系统动态响应速度与抗扰动能力。

双闭环结构可同时实现稳压精度与电流限流控制，保证储能电池安全充放电，有效抑制母线电压波动，为后级逆变器提供稳定直流输入。

5.3 并网逆变器控制

并网逆变器采用电压外环与电流内环双闭环控制，并结合电网电压前馈与二阶广义积分器锁相技术。电流内环作为核心控制环，快速跟踪电流指令，抑制内部与外部扰动，保证并网电流波形质量。电压外环用于稳定直流母线电压，配合前级系统实现功率平衡。

电网电压前馈可有效抵消电网电压波动对并网电流的影响，提高系统抗扰性能。二阶广义积分器用于实现单相电网电压的正交信号生成，完成精准锁相，保证并网电流与电网电压同频同相，实现单位功率因数运行。

6 控制参数整定方法

系统中多个控制环路均采用 PI 调节器，参数整定直接影响系统稳定性、响应速度与稳态精度。本文采用伯德图法对 PI 参数进行整定，通过分析系统开环与闭环频域特性，确定比例系数与积分系数的合理取值。

对于电流环，增大比例系数可提高系统截止频率，加快响应速度，但过大会引发振荡；积分系数主要提升系统低频增益，减小稳态误差，对动态特性影响较小。对于电压环，比例系数影响系统阻尼与稳定裕度，取值需在响应速度与稳定性之间折中。

通过伯德图观察幅频特性、相频特性、截止频率与稳定裕度，可直观判断参数合理性，快速整定出满足动态与稳态要求的 PI 参数，保证各环路稳定可靠运行。

7 系统运行性能分析

系统整体测试结果表明，所设计的光伏储能并网方案具备优良的运行性能。在外界环境变化时，光伏侧最大功率点跟踪算法可快速响应，稳定追踪最大功率点，光能利用率高。

直流母线在光伏波动与负载变化情况下，可快速维持在额定值附近，电压波动小，稳定性良好。并网侧电流波形平滑，谐波含量低，总谐波畸变率低于 5%，满足国家并网标准要求。系统整体动态响应快、稳态误差小、运行可靠，能够实现光伏高效利用、储能稳定调压与高质量并网的综合目标。

8 结论

本文完成了一套光伏储能并网发电系统的完整设计，包括三级功率变换拓扑构建、主电路参数优化、多层级控制策略设计与控制参数整定。系统通过 Boost 变换器实现光伏最大功率跟踪，双向 DC-DC 变换器稳定直流母线电压，并网逆变器实现低谐波高质量并网，各单元协同工作，整体性能优越。

所采用的双闭环控制、扰动观察法、电网电压前馈以及基于伯德图的参数整定方法，有效提升了系统动态响应、稳态精度与抗扰动能力。系统拓扑简洁、控制可靠、并网性能优良，适用于户用分布式光伏储能、小型微网等应用场景，具有较高的工程实用价值。

未来可进一步研究自适应控制、模型预测控制等先进算法，提升系统在复杂工况与大范围环境变化下的鲁棒性与运行效率。

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

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[1]刘江.单相双级光伏并网逆变器拓扑及其控制策略研究[D].华中科技大学[2023-11-27].

[2]周星诚,方宇,顾越铠,等.单相光伏储能逆变器中H6桥电路及控制研究[J].电力电子技术, 2020, 54(3):4.DOI:CNKI:SUN:DLDZ.0.2020-03-020.

🌈4 Simulink仿真实现

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