多态能源单级并网逆变器及其控制策略

赵巍; 钟善林; 孙孝峰; 齐磊; 张逾良

doi:10.7500/AEPS20241205001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

多态能源单级并网逆变器及其控制策略

研制与开发 | 更新时间：2026-02-28

- 多态能源单级并网逆变器及其控制策略
- Single-stage Grid-connected Inverter with Polymorphic Energy and Its Control Strategy
- 电力系统自动化 2025年49卷第24期页码：160-170
- 作者机构：
  
  1.河北省电力电子节能与传动控制重点实验室（燕山大学），河北省秦皇岛市 066004
  2.石家庄通合电子科技股份有限公司，河北省石家庄市 050035
- 作者简介：
  
  赵巍(1983—)，男，通信作者，博士，高级实验师，主要研究方向：氢光储等综合能源电能路由、新能源变换与组网技术、新能源发电系统振荡。E-mail：zwysu@ysu.edu.cn
  钟善林(2000—)，男，硕士研究生，主要研究方向：氢光储等综合能源电能路由。E-mail：zsl66@stumail.ysu.edu.cn
  孙孝峰(1970—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：变流器拓扑及波形控制技术、功率因数校正与有源滤波技术、新能源变换与组网技术等。E-mail：sxf@ysu.edu.cn
- 基金信息：
  
  河北省自然科学基金重点项目(E2024203258);中央引导地方科技发展资金资助项目(236Z2101G);河北省自然科学基金青年科学基金项目(E2024203170)
- DOI：10.7500/AEPS20241205001
  中图分类号：
- 收稿：2024-12-05，
  
  修回：2025-06-25，
  
  网络首发：2025-09-29，
  
  纸质出版：2025-12-25
- 稿件说明：
移动端阅览
赵巍,钟善林,孙孝峰等.多态能源单级并网逆变器及其控制策略[J].电力系统自动化,2025,49(24):160-170.

ZHAO Wei,ZHONG Shanlin,SUN Xiaofeng,et al.Single-stage Grid-connected Inverter with Polymorphic Energy and Its Control Strategy[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(24):160-170.
赵巍,钟善林,孙孝峰等.多态能源单级并网逆变器及其控制策略[J].电力系统自动化,2025,49(24):160-170. DOI： 10.7500/AEPS20241205001.

ZHAO Wei,ZHONG Shanlin,SUN Xiaofeng,et al.Single-stage Grid-connected Inverter with Polymorphic Energy and Its Control Strategy[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(24):160-170. DOI： 10.7500/AEPS20241205001.

摘要

针对多种新能源协同并网问题，提出了一种多态能源单级并网逆变器拓扑，采用二极管钳位型三电平电路与半桥电路组合拓扑，构建出3个直流端口，可分别接入光伏、燃料电池、储能电池3种能源，确保了所有直流端口与交流端口之间的单级变换特性。面对直流侧电压波动问题，提出了一种可实现各直流端口功率灵活控制的虚拟空间矢量脉宽调制策略。通过构建虚拟矢量，调整其中实际矢量的作用时间，实现了对直流侧各端口功率的有效控制，并设计了一种将能源运行状态作为调节因素且与调制策略匹配的参考控制策略。最后，在硬件在环实时数字仿真平台上验证了所述多态能源单级并网逆变器以及控制策略的可行性。

Abstract

To address the issue of coordinating the grid connection of multiple renewable energy sources

a single-stage grid-connected inverter with polymorphic energy is proposed. By adopting a combined topology of diode-clamped three-level and half-bridge circuits

three DC ports are constructed

which can respectively connect to three types of energy sources: photovoltaic

fuel cell

and energy storage battery. This ensures the single-stage transformation characteristics between all DC ports and the AC port. Aiming at the problem of DC-side voltage fluctuation

this paper proposes a virtual space vector pulse width modulation strategy to achieve flexible power control at each DC port. By constructing virtual vectors and adjusting the effective duration of the actual vectors

the effective control of power at each DC port on the DC side is achieved. A reference control strategy that takes the energy operation status as a regulation factor and matches the modulation strategy is also designed. Finally

the feasibility of the proposed single-stage grid-connected inverter with polymorphic energy and its control strategy is verified on the hardware-in-the-loop(HIL) real-time digital simulation platform.

关键词

Keywords

references

卓振宇，张宁，谢小荣，等 . 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

ZHUO Zhenyu， ZHANG Ning， XIE Xiaorong， et al Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

雷柯松，吐松江·卡日，伊力哈木·亚尔买买提，等 . 基于WGAN-GP和CNN-LSTM-Attention的短期光伏功率预测［J］. 电力系统保护与控制， 2023 ， 51 （ 9 ）： 108 - 118 .

LEI Kesong ， TUSONGJIANG Kari ， YILIHAMU Yaermaimaiti ， et al . Prediction of short-term photovoltaic power based on WGAN-GP and CNN-LSTM-Attention ［J］. Power System Protection and Control ， 2023 ， 51 （ 9 ）： 108 - 118 .

刘恬语 . 大规模光伏发电对电力系统的影响及其对策分析［J］. 光源与照明， 2023 （ 9 ）： 147 - 149 .

LIU Tianyu . Analysis of the impact of large-scale photovoltaic power generation on the power system and its countermeasures ［J］. Lamps & Lighting ， 2023 （ 9 ）： 147 - 149 .

陈泽宇，陈艳波 . 计及循环寿命和电能量-调频市场出清的储能自调度策略［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 14 ）： 28 - 41 .

CHEN Zeyu ， CHEN Yanbo . Self-scheduling strategy of energy storage considering cycle life and clearing of electric power energy-frequency regulation market ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 14 ）： 28 - 41 .

ADHIKARI S ， LEI Z ， PENG W ， et al . A battery/supercapacitor hybrid energy storage system for DC microgrids ［C］// 2016 IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference （IPEMC-ECCE Asia）， May 22-26 ， 2016 ， Hefei， China ： 1747 - 1753 .

XU Q W ， XIAO J F ， WANG P ， et al . A decentralized control strategy for autonomous transient power sharing and state-of-charge recovery in hybrid energy storage systems ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2017 ， 8 （ 4 ）： 1443 - 1452 .

SHAN Y H ， HU J F ， LIU M ， et al . Model predictive voltage and power control of islanded PV-battery microgrids with washout-filter-based power sharing strategy ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 2 ）： 1227 - 1238 .

AKEYO O M ， RALLABANDI V ， JEWELL N ， et al . The design and analysis of large solar PV farm configurations with DC-connected battery systems ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2020 ， 56 （ 3 ）： 2903 - 2912 .

廖志凌，阮新波 . 独立光伏发电系统能量管理控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2009 ， 29 （ 21 ）： 46 - 52 .

LIAO Zhiling ， RUAN Xinbo . Energy management control strategy for stand-alone photovoltaic power system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2009 ， 29 （ 21 ）： 46 - 52 .

WU H F ， ZHU L ， YANG F ， et al . Dual-DC-port asymmetrical multilevel inverters with reduced conversion stages and enhanced conversion efficiency ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2017 ， 64 （ 3 ）： 2081 - 2091 .

ZHOU D H ， LUO K H ， SHEN Z W ， et al . Deadbeat power distribution control of single-stage multiport inverter-fed PMSM drive for hybrid electric vehicles ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2023 ， 38 （ 6 ）： 7586 - 7597 .

DORN-GOMBA L ， MAGNE P ， DANEN B ， et al . On the concept of the multi-source inverter for hybrid electric vehicle powertrains ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 9 ）： 7376 - 7386 .

LI Z N ， XING X Y ， LIU C ， et al . Common-mode voltage reduction method-based flexible power control for multiport DC-AC converter in PV-battery hybrid system ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2024 ， 12 （ 3 ）： 2744 - 2757 .

WANG J F ， SUN K ， ZHOU D H ， et al . Virtual SVPWM-based flexible power control for dual-DC-port DC-AC converters in PV-battery hybrid systems ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 10 ）： 11431 - 11443 .

TEYMOUR H R ， SUTANTO D ， MUTTAQI K M ， et al . Solar PV and battery storage integration using a new configuration of a three-level NPC inverter with advanced control strategy ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2014 ， 29 （ 2 ）： 354 - 365 .

吴穆星，赵巍，吴俊娟，等 . 可逆固体氧化物电池的部分功率变换四象限运行能效优化［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 22 ）： 8757 - 8772 .

WU Muxing ， ZHAO Wei ， WU Junjuan ， et al . Energy efficiency optimization for partial power conversion four quadrant operation of reversible solid oxide cell ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 22 ）： 8757 - 8772 .

荆涛，陈庚，王子豪，等 . 风光互补发电耦合氢储能系统研究综述［J］. 中国电力， 2022 ， 55 （ 1 ）： 75 - 83 .

JING Tao ， CHEN Geng ， WANG Zihao ， et al . Research overview on the integrated system of wind-solar hybrid power generation coupled with hydrogen-based energy storage ［J］. Electric Power ， 2022 ， 55 （ 1 ）： 75 - 83 .

吕泽伟，韩敏芳 . 光伏、光热联合SOC制氢、发电系统设计［J］. 储能科学与技术， 2017 ， 6 （ 2 ）： 275 - 279 .

LÜ Zewei ， HAN Minfang . Design of a combined photovoltaic and solar thermal system with solid oxide cell （SOC） for hydrogen production and power generation ［J］. Energy Storage Science and Technology ， 2017 ， 6 （ 2 ）： 275 - 279 .

MOKRANI Z ， REKIOUA D ， REKIOUA T ， et al . Power management control of a photovoltaic power system with batteries and fuel cells in stand alone applications ［C］// 2023 International Conference on Electrical Engineering and Advanced Technology （ICEEAT）， November 5-7 ， 2023 ， Batna， Algeria ： 1 - 6 .

刘文毅 . 广西铁塔建成“光氢储”一体化基站［N］. 人民邮电报， 2024-01-02 .

LIU Wenyi . Guangxi Iron Tower completes construction of integrated “PV-hydrogen-storage” base station ［N］. People’s Posts and Telecommunications News ， 2024-01-02 .

全球首个光氢储智能互补示范充电站落户共青城［EB/OL］.（ 2023-09-12 ）［ 2024-12-01 ］. https：//www.gongqing.gov.cn/02/01/202309/t20230912 https://www.gongqing.gov.cn/02/01/202309/t20230912 ， 6208463 . html .

The world’s first demonstration charging station for intelligent complementary of photovoltaic ， hydrogen and energy storage has been established in Gongqingcheng ［EB/OL］. （ 2023-09-12 ）［ 2024-12-01 ］. https：//www.gongqing.gov.cn/02/01/202309/t20230912 https://www.gongqing.gov.cn/02/01/202309/t20230912 ， 6208463 . html .

FU A H ， CVETKOVIĆ M . A multi-stage energy management approach incorporating seasonal hydrogen storage in a PV-BESS-electrolyzer-fuel cell system ［C］// 2024 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe （ISGT EUROPE）， October 14-17 ， 2024 ， Dubrovnik， Croatia .

朱小全，侯鹏辉，侯锦涛，等 . 带有LC串联谐振功率自均衡单元的模块化光伏直流升压变换器［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 4 ）： 1087 - 1102 .

ZHU Xiaoquan ， HOU Penghui ， HOU Jintao ， et al . A modular photovoltaic DC-DC boost converter with LC series resonant self-power balancing unit ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 4 ）： 1087 - 1102 .

FAN B ， FU Z M ， FU J T ， et al . Midpoint potential compensation balance control method based on virtual space vector pulse-width modulation for NPC three-level inverter ［J］. International Transactions on Electrical Energy Systems ， 2019 ， 29 （ 9 ）： e12044 .

HUANG J T ， BAI F ， YANG Q ， et al . A fault-tolerant control strategy for three-level grid-connected NPC inverters after single-arm failure with optimized SVPWM ［J］. Energies ， 2023 ， 16 （ 23 ）： 7863 .

PHAM L N ， PHAM K D ， PHAN Q D ， et al . Novel virtual vector SVPWM method to mitigate low-frequency common mode voltage for four-level NPC inverters ［J］. IEEE Access ， 2024 ， 12 ： 22403 - 22419 .

KOURO S ， LEON J I ， VINNIKOV D ， et al . Grid-connected photovoltaic systems： an overview of recent research and emerging PV converter technology ［J］. IEEE Industrial Electronics Magazine ， 2015 ， 9 （ 1 ）： 47 - 61 .

LAKSHMI T V V S ， GEETHANJALI P ， KRISHNA P S . Mathematical modelling of solid oxide fuel cell using MATLAB/Simulink ［C］// 2013 Annual International Conference on Emerging Research Areas and 2013 International Conference on Microelectronics， Communications and Renewable Energy ， June 4-6 ， 2013 ， Kanjirapally， India .

宿磊，余嘉川，杨帆，等 . 磷酸铁锂储能电池过充热失效特征参量研究［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 21 ）： 5913 - 5922 .

SU Lei ， YU Jiachuan ， YANG Fan ， et al . Study on characteristic parameters of LFP battery under the condition of overcharge thermal failure ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 21 ）： 5913 - 5922 .

WANG Y ， QIAO X ， ZHANG C ， et al . Self-discharge of a hybrid supercapacitor with incorporated galvanic cell components ［J］. Energy ， 2018 ， 159 ： 1035 - 1045 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

并网逆变器类振荡器无锁相环功率/电压统一控制器

基于龙伯格观测器的LC滤波型逆变器调制无模型预测电压控制

基于牛顿迭代型灵敏度协同的新能源并网功率优化分配方法

多虚拟同步发电机并联系统功率低频振荡机理分析