实验验证了一种用于电能质量改善的三相并网光伏和CTM蓄电池储能系统与DSTATCOM
发布时间：2026-07-15 10:44:27 点击： 次
该论文提出了一种适用于三相四线（3P4W）并网光伏（PV）系统与电池储能系统（BESS）集成的实时验证自适应控制框架，旨在非线性、不平衡和时变条件下同时实现直流母线稳定和全面的电能质量提升。电网侧电压源转换器（VSC）采用Sigmoid最小均方对数（SLMLS）算法，在非高斯噪声和脉冲干扰存在的情况下，能够实现稳健的基波分量提取和参考电流合成。双级功率接口包括一个最大功率点跟踪控制的DC-DC升压级和一个3-Φ VSC，而BESS通过双向降压-升压转换器进行连接。级联直流母线架构的外部PI电压环生成电池电流参考，快速内部电流环将直流侧能量调节与交流侧电能质量功能解耦。所提出的系统在MATLAB/Simulink中进行了评估，涵盖从1000到600 W/m的快速辐照度步骤。2，从PV-DSTATCOM到DSTATCOM的光伏断电/重新连接，反之亦然，突然的负载断开/重新连接，以及电压骤降/骤升。实时可行性是在OPAL-RT OP-5700 HIL平台上使用TMS320F28379D控制器演示的，确认了计算效率并与仿真结果高度一致。实验结果确保了有效的直流母线电压调节，而基于SLMLS的VSC使用滞后电流控制进行谐波抑制、无功功率补偿、负载平衡和中性线电流缓解。所获得的结果表明直流母线的稳定运行、正弦源电流、光伏系统之间的准确功率共享、符合IEEE 1547标准的公用电网，从而确认了所提系统适用于实际的3P4W光伏-储能系统（PV-BESS）应用。
到2024年底，全球可再生能源发电容量在单一年份增加创纪录的585吉瓦后，达到了约4.45太瓦（TW），可再生能源占所有新增净发电容量的约92.5% [1]。其中，太阳能光伏（PV）贡献了约452吉瓦，风能贡献了约113吉瓦，这确认了太阳能作为新增容量的主要驱动力。展望未来，IEA Renewables 2025展望 [2] 预计到2030年，可再生能源发电容量将大致翻倍，新增约4600吉瓦的容量，其中约80%预计来自太阳能光伏（PV），而风能、水电、生物能源和地热将提供其余部分 [3]。中国在2024年的新增容量中处于领先地位，并预计将继续成为最大的市场，而印度则有望在2030年前成为第二大增长市场。在持续的政策支持和通过电网整合的拍卖推动下，供应链和融资仍然是关键的阻力因素[4]。在发电结构中，2023年零碳电力占全球发电量的40%以上，可变可再生能源预计将在2024年占15%，到2030年将增加到28%，这突显了灵活性和存储的必要性[5]。尽管有创纪录的势头，目前的轨迹仍然未能达到COP28到2030年将全球可再生能源容量（11TW）增加三倍的目标，这意味着每年需要增加超过1120吉瓦的容量，这需要加速对智能电网和存储的投资[6]。强调灵活性和存储的必要性 [5]。尽管势头强劲，当前的路径仍然无法达到COP28到2030年将全球可再生能源容量翻三倍（11 TW）的目标，这意味着每年需要增加超过1120吉瓦的容量，这需要加速对智能电网和存储的投资 [6]。强调灵活性和存储的必要性 [5]。尽管目前的势头创下记录，但当前的轨迹仍然无法达到COP28到2030年将全球可再生能源容量增加三倍（11 TW）的目标，这意味着每年需要增加超过1120吉瓦的容量，这需要加速对智能电网和存储的投资 [6]。
光伏系统在三相四线（3P4W）配电网络中的渗透率增加，加剧了与电能质量下降相关的挑战 [7]。直流母线电压的不稳定性和在动态和非线性条件下的可靠运行. 尽管文献中报道了几种与电池储能系统（BESS）集成的并网光伏系统 [8]，但大多数现有方法存在不同的局限性。传统的电流控制策略，如同步参考框架（SRF）、比例-谐振（PR）和基于传统最小均方（LMS）的自适应控制器，在畸变的电网电压、不平衡负载和脉冲干扰下表现出有限的鲁棒性 [9].在非线性负载和快速操作模式转换的存在下，系统性能显著下降，导致电流谐波增加和慢瞬态响应 [10], [11]。
先进的自适应算法，如最小四次均值（LMF）及其变种，可以提高滤波性能，但它们在收敛速度和稳态误调节之间存在权衡。这些系统通常对非高斯噪声和大误差摆动敏感。这限制了它们在高动态条件下实时并网光伏-储能系统中的实际应用。多个已报道的光伏-储能系统控制方案将直流母线电压调节和交流侧电能质量控制视为耦合问题。这导致了直流侧能量管理和交流侧谐波/无功功率补偿之间的耦合解耦效果差。这种耦合限制了系统提供无缝多功能操作的能力，特别是在光伏间歇性、负载扰动期间。以及光伏配电静态无功补偿器（DSTATCOM）和DSTATCOM模式之间的转换 [15]。
文献中已经报道了几种用于并网光伏和混合能源系统的电能质量改善的控制策略。这些包括传统的和先进的自适应技术，如SRF、PR、LMS和LMF控制器。表1列出了对比分析，清楚地展示了所提出的Sigmoid 最小均值对数平方（SLMLS）控制策略在快速收敛、抗噪声性、适应性和在各种运行条件下的实时适用性方面的优越性。与传统控制器不同，所提出的SLMLS算法为并网光伏-储能系统（BESS）提供了稳健、自适应和计算上高效的解决方案，可以同时改善电能质量和实时实施。
尽管进行了大量的基于仿真的研究，但在硬件在环（HIL）平台上进行的实验和实时验证仍然有限,特别适用于3P4W光伏-储能系统（PV-BESS）的自适应控制策略。因此，在为并网3P4W与光伏-储能系统（PV-BESS）开发一个计算高效、鲁棒的自适应控制框架方面，同时确保直流母线电压稳定性、卓越的电质量、无缝的模式转换和实时可实施性，存在明显的研究空白。为解决这些研究空白，本文的主要目标是： 1) 开发一种基于SLMLS的自适应控制策略，用于电网侧的VSC，使在非线性、不平衡和时变的操作条件下能够准确提取基波成分。 2) 通过协调控制光伏系统和储能系统，确保直流母线电压的稳定调节，从而将直流侧的能量管理与交流侧的电质量控制解耦。3) 为了实现光伏-动态静态无功功率补偿器（PV-DSTATCOM）和动态静态无功功率补偿器（DSTATCOM）操作模式之间的无缝过渡，在光伏间歇性和电网扰动期间，允许连续的电能质量支持，无需重新配置控制器。 4) 通过MATLAB/Simulink仿真和实验室动态运行场景下的硬件在环（HIL）测试，验证所提出的光伏-储能系统（PV-BESS）控制架构的有效性和实时可行性。
3P4W [16]并网光伏系统 [17], [18]与BESS [19]集成的架构突出了其子系统之间的协调功率和控制交互 [8], [20]。光伏阵列生成的直流功率 [21]通过由最大功率点跟踪 (MPPT) 控制器控制的直流-直流升压转换器进行处理，以在不同辐照度下确保最大能量提取 [22]。它还保持公共直流母线上的适当电压水平。该直流母线作为中央能量耦合点，并由直流母线电容器支持以抑制电压纹波并提供短期能量缓冲 [23]。BESS 通过双向降压-升压转换器与直流母线连接，允许在光伏过度发电时进行受控充电，并在光伏不足或瞬态负载扰动时进行放电 [24]。采用级联直流母线控制结构，其中外部PI电压控制器生成电池电流参考[25]，快速内部电流环确保准确跟踪，从而将直流侧能量管理与交流侧电能质量功能解耦[26]。
网格接口是通过连接在公共耦合点（PCC）的3P4W电压源转换器（VSC）[24]来实现的，这使得在不对称和非线性负载条件下都能有效运行。VSC使用基于SLMLS的自适应电流控制算法[28]，[29]进行控制，该算法处理通过感应的网格电压和负载电流。它生成用于谐波抑制、无功功率补偿、负载平衡和中性线电流消除的参考网格电流[30]。一个滞后电流控制器确保快速和准确地跟踪这些参考。总体而言，图1展示了一个完全解耦和多功能的光伏-电池储能系统（PV-BESS）架构，能够在并网光伏-DSTATCOM中无缝运行。在动态运行条件下，保持直流母线的稳定性和高功率质量，并且具备DSTATCOM模式。
从太阳能光伏阵列中提取能量是太阳能系统中最重要的方面之一。因此，利用MPPT进行能量收集的有效过程是至关重要的[31]。MPPT技术分为两类：传统方法和智能方法[32]。传统MPPT方法是通过扰动观察（P&O）算法实现的，其中分数短路电流和分数开路电压简单且计算量小。在辐照快速变化和光伏阵列部分遮挡的情况下，传统方法的性能较差。模糊逻辑、神经网络、滑模控制和进化优化方法等智能方法在适应性方面表现更好[33]。然而，由于计算复杂性，它们无法在实时场景中有效应用。BESS 由于其模块化和可扩展性以及高能量密度而成为突出的电源 [34]。BESS 的性能本质上与通过 VSC 使用的控制策略有关。
SLMLS控制策略是一种自适应电流控制技术[35]，旨在增强在非线性、不平衡和时变条件下并网转换器的动态性能和鲁棒性[36]。在所提出的3P4W带有PV-BESS系统的中，SLMLS算法被应用于电网侧VSC，以进行基波分量提取和参考电流生成，从而实现同时的谐波补偿、无功功率控制、负载平衡和中性线电流缓解[37]。在所提出的实现中，SLMLS控制器接收三相负载电流和电网电压作为输入。首先从感知到的电网电压中生成单位电压模板，以提供相位同步和幅度归一化[38]。每个相的瞬时负载电流然后使用自适应滤波器结构进行分解，其中相位自适应权重代表基波有功电流分量 [39], [40]。这些权重使用SLMLS学习规则进行迭代更新，该规则将对数平方误差项与Sigmoid风险敏感函数结合起来。SLMLS策略的关键优势在于其能够将直流侧功率调节与交流侧电能质量控制解耦。同时，通过协调的PV-BESS控制 [41] 稳定直流母线电压。这使得在包括PV-DSTATCOM和DSTATCOM操作在内的不同模式下能够无缝运行，而无需重新配置控制器。这些权重是通过SLMLS学习规则迭代更新的，该规则将对数平方误差项与Sigmoid风险敏感函数结合起来。SLMLS策略的主要优势在于其能够将直流侧功率调节与交流侧电能质量控制解耦。同时，通过协调的PV-BESS控制[41]稳定直流母线电压。这使得在不同模式下能够无缝运行，包括PV-DSTATCOM和DSTATCOM运行，而无需重新配置控制器。这些权重是通过SLMLS学习规则迭代更新的，该规则将对数平方误差项与Sigmoid风险敏感函数结合起来。SLMLS策略的主要优势在于其能够将直流侧功率调节与交流侧电能质量控制解耦。同时，通过协调PV-BESS控制[41]稳定直流母线电压。这使得在不同模式下能够无缝运行，包括PV-DSTATCOM和DSTATCOM运行，而无需重新配置控制器。通过协调光伏-电池储能系统（PV-BESS）控制来稳定直流母线电压 [41]。这使得在不同模式下能够无缝运行，包括光伏-DSTATCOM和DSTATCOM运行，而无需重新配置控制器。通过协调光伏-电池储能系统（PV-BESS）控制来稳定直流母线电压 [41]。这使得在不同模式下能够无缝运行，包括光伏-DSTATCOM和DSTATCOM运行，而无需重新配置控制器。
介绍
光伏系统在三相四线（3P4W）配电网络中的渗透率增加，加剧了与电能质量下降相关的挑战 [7]。直流母线电压的不稳定性和在动态和非线性条件下的可靠运行. 尽管文献中报道了几种与电池储能系统（BESS）集成的并网光伏系统 [8]，但大多数现有方法存在不同的局限性。传统的电流控制策略，如同步参考框架（SRF）、比例-谐振（PR）和基于传统最小均方（LMS）的自适应控制器，在畸变的电网电压、不平衡负载和脉冲干扰下表现出有限的鲁棒性 [9].在非线性负载和快速操作模式转换的存在下，系统性能显著下降，导致电流谐波增加和慢瞬态响应 [10], [11]。
先进的自适应算法，如最小四次均值（LMF）及其变种，可以提高滤波性能，但它们在收敛速度和稳态误调节之间存在权衡。这些系统通常对非高斯噪声和大误差摆动敏感。这限制了它们在高动态条件下实时并网光伏-储能系统中的实际应用。多个已报道的光伏-储能系统控制方案将直流母线电压调节和交流侧电能质量控制视为耦合问题。这导致了直流侧能量管理和交流侧谐波/无功功率补偿之间的耦合解耦效果差。这种耦合限制了系统提供无缝多功能操作的能力，特别是在光伏间歇性、负载扰动期间。以及光伏配电静态无功补偿器（DSTATCOM）和DSTATCOM模式之间的转换 [15]。
文献中已经报道了几种用于并网光伏和混合能源系统的电能质量改善的控制策略。这些包括传统的和先进的自适应技术，如SRF、PR、LMS和LMF控制器。表1列出了对比分析，清楚地展示了所提出的Sigmoid 最小均值对数平方（SLMLS）控制策略在快速收敛、抗噪声性、适应性和在各种运行条件下的实时适用性方面的优越性。与传统控制器不同，所提出的SLMLS算法为并网光伏-储能系统（BESS）提供了稳健、自适应和计算上高效的解决方案，可以同时改善电能质量和实时实施。
尽管进行了大量的基于仿真的研究，但在硬件在环（HIL）平台上进行的实验和实时验证仍然有限,特别适用于3P4W光伏-储能系统（PV-BESS）的自适应控制策略。因此，在为并网3P4W与光伏-储能系统（PV-BESS）开发一个计算高效、鲁棒的自适应控制框架方面，同时确保直流母线电压稳定性、卓越的电质量、无缝的模式转换和实时可实施性，存在明显的研究空白。为解决这些研究空白，本文的主要目标是： 1) 开发一种基于SLMLS的自适应控制策略，用于电网侧的VSC，使在非线性、不平衡和时变的操作条件下能够准确提取基波成分。 2) 通过协调控制光伏系统和储能系统，确保直流母线电压的稳定调节，从而将直流侧的能量管理与交流侧的电质量控制解耦。3) 为了实现光伏-动态静态无功功率补偿器（PV-DSTATCOM）和动态静态无功功率补偿器（DSTATCOM）操作模式之间的无缝过渡，在光伏间歇性和电网扰动期间，允许连续的电能质量支持，无需重新配置控制器。 4) 通过MATLAB/Simulink仿真和实验室动态运行场景下的硬件在环（HIL）测试，验证所提出的光伏-储能系统（PV-BESS）控制架构的有效性和实时可行性。
3P4W [16]并网光伏系统 [17], [18]与BESS [19]集成的架构突出了其子系统之间的协调功率和控制交互 [8], [20]。光伏阵列生成的直流功率 [21]通过由最大功率点跟踪 (MPPT) 控制器控制的直流-直流升压转换器进行处理，以在不同辐照度下确保最大能量提取 [22]。它还保持公共直流母线上的适当电压水平。该直流母线作为中央能量耦合点，并由直流母线电容器支持以抑制电压纹波并提供短期能量缓冲 [23]。BESS 通过双向降压-升压转换器与直流母线连接，允许在光伏过度发电时进行受控充电，并在光伏不足或瞬态负载扰动时进行放电 [24]。采用级联直流母线控制结构，其中外部PI电压控制器生成电池电流参考[25]，快速内部电流环确保准确跟踪，从而将直流侧能量管理与交流侧电能质量功能解耦[26]。
网格接口是通过连接在公共耦合点（PCC）的3P4W电压源转换器（VSC）[24]来实现的，这使得在不对称和非线性负载条件下都能有效运行。VSC使用基于SLMLS的自适应电流控制算法[28]，[29]进行控制，该算法处理通过感应的网格电压和负载电流。它生成用于谐波抑制、无功功率补偿、负载平衡和中性线电流消除的参考网格电流[30]。一个滞后电流控制器确保快速和准确地跟踪这些参考。总体而言，图1展示了一个完全解耦和多功能的光伏-电池储能系统（PV-BESS）架构，能够在并网光伏-DSTATCOM中无缝运行。在动态运行条件下，保持直流母线的稳定性和高功率质量，并且具备DSTATCOM模式。
从太阳能光伏阵列中提取能量是太阳能系统中最重要的方面之一。因此，利用MPPT进行能量收集的有效过程是至关重要的[31]。MPPT技术分为两类：传统方法和智能方法[32]。传统MPPT方法是通过扰动观察（P&O）算法实现的，其中分数短路电流和分数开路电压简单且计算量小。在辐照快速变化和光伏阵列部分遮挡的情况下，传统方法的性能较差。模糊逻辑、神经网络、滑模控制和进化优化方法等智能方法在适应性方面表现更好[33]。然而，由于计算复杂性，它们无法在实时场景中有效应用。BESS 由于其模块化和可扩展性以及高能量密度而成为突出的电源 [34]。BESS 的性能本质上与通过 VSC 使用的控制策略有关。
SLMLS控制策略是一种自适应电流控制技术[35]，旨在增强在非线性、不平衡和时变条件下并网转换器的动态性能和鲁棒性[36]。在所提出的3P4W带有PV-BESS系统的中，SLMLS算法被应用于电网侧VSC，以进行基波分量提取和参考电流生成，从而实现同时的谐波补偿、无功功率控制、负载平衡和中性线电流缓解[37]。在所提出的实现中，SLMLS控制器接收三相负载电流和电网电压作为输入。首先从感知到的电网电压中生成单位电压模板，以提供相位同步和幅度归一化[38]。每个相的瞬时负载电流然后使用自适应滤波器结构进行分解，其中相位自适应权重代表基波有功电流分量 [39], [40]。这些权重使用SLMLS学习规则进行迭代更新，该规则将对数平方误差项与Sigmoid风险敏感函数结合起来。SLMLS策略的关键优势在于其能够将直流侧功率调节与交流侧电能质量控制解耦。同时，通过协调的PV-BESS控制 [41] 稳定直流母线电压。这使得在包括PV-DSTATCOM和DSTATCOM操作在内的不同模式下能够无缝运行，而无需重新配置控制器。这些权重是通过SLMLS学习规则迭代更新的，该规则将对数平方误差项与Sigmoid风险敏感函数结合起来。SLMLS策略的主要优势在于其能够将直流侧功率调节与交流侧电能质量控制解耦。同时，通过协调的PV-BESS控制[41]稳定直流母线电压。这使得在不同模式下能够无缝运行，包括PV-DSTATCOM和DSTATCOM运行，而无需重新配置控制器。这些权重是通过SLMLS学习规则迭代更新的，该规则将对数平方误差项与Sigmoid风险敏感函数结合起来。SLMLS策略的主要优势在于其能够将直流侧功率调节与交流侧电能质量控制解耦。同时，通过协调PV-BESS控制[41]稳定直流母线电压。这使得在不同模式下能够无缝运行，包括PV-DSTATCOM和DSTATCOM运行，而无需重新配置控制器。通过协调光伏-电池储能系统（PV-BESS）控制来稳定直流母线电压 [41]。这使得在不同模式下能够无缝运行，包括光伏-DSTATCOM和DSTATCOM运行，而无需重新配置控制器。通过协调光伏-电池储能系统（PV-BESS）控制来稳定直流母线电压 [41]。这使得在不同模式下能够无缝运行，包括光伏-DSTATCOM和DSTATCOM运行，而无需重新配置控制器。