采用具有谐波补偿功能的增强型比例谐振控制器对光伏-蓄电池储能系统进行恒功率控制

《Journal of Energy Storage》：Constant power control of photovoltaic-battery energy storage systems using enhanced proportional resonant controller with harmonic compensation

本文提出了一种固定交流功率注入策略（FPIS），用于单相DC-耦合光伏电池-电池混合系统。通过BAT控制器平衡DC总线功率，抑制二阶纹波，并采用改进的PR-HC控制器消除高阶谐波，确保注入电流THD低于5%。实验验证在220V/50Hz电网下，系统稳定输出440W，DC总线电压波动小于2.5%。该方案符合IEEE 1547标准，有效提升功率质量和系统稳定性。

　　
本文聚焦于单相直流耦合光伏-电池（PV-BAT）混合系统的创新控制策略研究，重点解决光伏出力波动引发的电网功率质量问题。研究团队通过理论分析与实验验证相结合的方式，提出了包含三重核心技术的解决方案，在保证电网功率稳定性的同时显著提升了系统运行效率。以下从技术路径、创新突破、实验验证三个维度进行系统解读。

一、技术路径创新
系统架构采用双电平级联H桥拓扑，通过四个IGBT模块构建双向DC-DC转换器，实现光伏阵列与储能单元的直连供电。该设计突破传统分立拓扑的局限性，使电池组可直接参与功率调节，显著降低系统损耗。控制层面采用递进式架构：首先通过SOGI-PLL同步模块实时跟踪电网频率相位，消除传统锁相环在电压畸变时的跟踪误差；其次引入双闭环控制策略，外环采用固定功率注入算法（FPIS），内环通过谐振补偿器实现谐波抑制。

二、核心控制策略突破
1. 固定功率注入策略（FPIS）
该策略创新性地将电池组作为动态功率调节单元，通过实时计算光伏出力与设定功率的偏差值，经PID调节器生成双向直流转换器的控制信号。在实验中，当光伏出力在380W-600W范围内剧烈波动时，系统能够在200ms内完成功率调整，将电网侧注入功率稳定在设定值±5%范围内。特别设计的电压前馈补偿模块，使系统在电网电压发生10%波动时仍能保持功率恒定。

2. 二阶功率平衡控制（BAT-2ωPB）
针对传统DC-DC转换器无法抑制二阶谐波的痛点，研究团队提出采用全桥同步整流拓扑。通过实时检测二阶谐波分量（2ω），生成补偿电流驱动双向转换器，使直流母线电压纹波降低至0.25%（理论值）和2.5%（实测值）。该技术使直流母线电压稳定性达到±0.6%置信区间，显著优于常规光伏系统（±3%-5%）。

3. 增强型PR-HC谐振补偿器
在传统PR控制器基础上增加谐振补偿网络，采用多级谐振结构分别抵消5次、7次和11次谐波。实验数据显示，该控制器可将总谐波畸变率（THD）从常规PR控制器的3.6%降至1.8%，在电压跌落场景下仍能保持THD＜5%。特别设计的谐振频率自适应算法，使系统具备宽频率适应范围（47-53Hz）。

三、实验验证与对比分析
研究团队搭建了600W原型系统，采用APS1000动态模拟电网环境，EMS100-10电源模拟光伏出力。关键实验数据包括：
- 功率调节响应：设定功率从400W突变至440W时，实际功率达到稳态仅需120ms
- 谐波抑制效果：在50Hz基波上叠加0.5倍额定电流的5次谐波干扰时，系统仍保持THD＜3%
- 电网适应性：当电网电压发生-10%至+10%波动时，功率控制精度保持在±1.2%以内
- 系统效率：实测整体效率达92.3%，较传统Buck-Boost拓扑提升6.8个百分点

对比现有研究，本文方案具有显著优势：
1. 实验规模：首次实现单相系统200W以上功率等级的实测验证，超越多数文献的仿真研究
2. 谐波抑制：采用多阶谐振补偿，相比文献[31]的LLMMN控制方法，THD降低50%
3. 动态响应：功率调整速度较文献[27]的PCGSS方案提升3倍
4. 系统鲁棒性：在电网电压不平衡（-15%到+15%）和频率波动（±2Hz）双重扰动下仍保持稳定运行

四、工程应用价值
该技术方案已通过V2G双向充放电测试，在0.5秒内完成100%功率的快速切换。经计算，在办公建筑应用场景中，配合峰谷电价策略可实现日均节电12.7%，投资回收期缩短至2.8年。特别设计的APS1000仿真平台，能够模拟220V/50Hz电网中常见的电压暂降（-20%至-30%持续200ms）和频率波动（±1.5Hz）等典型故障，为后续工程化应用提供可靠验证平台。

五、学术贡献与产业启示
研究团队在三个方面取得突破性进展：首先，建立了单相DC-coupled系统功率平衡的数学模型，提出二阶功率平衡的物理实现方法；其次，开发了具有自整定功能的谐振补偿器，通过在线辨识电网参数实现补偿器参数动态优化；最后，构建了包含四层防护机制的系统可靠性框架，涵盖过压、过流、热失控和通信中断等关键场景。

该成果已获得越南国家科技基金会(VINIF)的专项资助，计划在2026年完成工业级样机开发。根据技术路线图，未来将扩展至三相四线制系统，目标功率等级提升至50kW，并实现与智能电表的实时数据交互。研究团队特别强调，该控制策略完全符合IEEE1547-2018标准中关于功率平衡（第6.2.4条款）、电压调节（第7.3条）和谐波限制（第8章）的所有技术要求。

实验数据表明，在持续2小时的100%额定功率输出后，系统效率仍保持91.5%以上，验证了控制策略的长期可靠性。经对比分析，本方案在光伏渗透率＞20%的微电网场景中，可降低网侧THD达1.2个百分点，满足 Vietnamese Standard TCVN 5591:2021对分布式电源并网质量的要求。

该研究为分布式能源系统提供了新的技术范式，其核心价值在于：
1. 建立了直流侧二阶功率波动的数学描述方法
2. 提出电池组与光伏阵列的协同控制架构
3. 实现了从理论模型到工程样机的完整转化
4. 创新性地将动态规划算法应用于充放电策略优化

后续研究计划包括：
- 开发嵌入式控制算法，实现DSP芯片上的实时运算
- 构建数字孪生系统，提升故障预测能力
- 研究多能源耦合场景下的扩展应用
- 优化BMS电池管理系统与光伏MPPT的协同控制

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