本文提出了适用于并网单相直流耦合光伏电池（PV-BAT）混合系统的固定交流电力注入策略（FPIS）。该策略旨在保持持续的有源电力注入电网，尽管太阳辐照度持续变化。在直流耦合拓扑中，由与电网瞬时交换功率引起的直流母线二阶纹波（2ω）直接影响直流母线，从而降低注入电流质量并限制控制系统的精度。为缓解这一问题，拟议的电池（BAT）控制器旨在通过采用合适的BAT充放电电流控制策略来稳定直流母线电压，从而平衡直流母线的功率。此外，采用了增强型的比例-谐振-谐振（PR–HC）控制器，集成选择性谐波补偿器以消除高阶谐波分量。该方法通过PSIM模拟和实验测试成功验证。采用APS1000四象限放大器和EMS 100–10电源，分别在220 VAC/50 Hz电网环境中模拟BAT和600瓦光伏电源。结果证实了在预设功率440瓦下精确注入功率，电流总谐波失真（THDi）低于5%，直流母线电压稳定在400伏直流，即使在PV源突然波动和10%的栅极电压下降下也能实现。这些结果证实了所提策略在确保直流耦合PV-BAT系统稳定、高质量的电力注入方面，同时符合IEEE 1547关于固定有源功率控制、电压干扰通行（VDRT）和电流失真极限的标准方面的有效性。

简介

在全球能源转型和可再生能源（RESs）加速渗透的背景下，并网太阳能转换系统（SECS）已成为智能电网架构和分布式发电的核心解决方案[1]、[2]。为了确保电网供电稳定，同时减少对光伏（PV）能源的过度依赖，太阳能（BAT）集成的电力变流器已被逐步采用，以补偿光伏特性固有的电力不足[3]、[4]、[5]、[6]，从而提升整体电力传输能力。这些混合系统不仅提升了供电可靠性，还在医院、机场、学校、政府建筑和工业厂房等关键负荷设施的能源管理和协调中发挥关键作用[7]。此外，BAT集成通过优化与分时用电定价机制相匹配的充放电策略，带来了显著的经济效益。在办公楼中，优化算法可以协调能源流，降低净现成本并提高光伏自用率[8]。同样，对于住宅并网光伏系统，电池管理解决方案在基于实时负载数据优化电网与电网的能量交换的同时，确保运行安全，从而降低整体运营成本[9]。此外，对于单相构型，瞬时的电网注入功率固有包含二阶纹波分量，导致输出功率振荡，这些振荡在直流链路电压上表现。这些振荡不仅严重影响了电力质量和电网稳定性，还缩短了直流链路电容的寿命[11]、[12]。同时，在功率级绝缘栅双极性晶体管（IGBTs）的开关操作过程中，由于陡峭的电压斜率产生高频噪声[13]、[14]。这些噪声信号直接影响直流链路电容，使控制更加困难。这个问题在直流耦合的光伏-电池拓扑中得到了充分解决，其中直流总线上的二阶（2ω）功率纹波几乎完全被抑制，因为振荡的功率分量被连接在BAT上的双向直流转换器直接吸收。
然而，传统的双向直流转换器通常采用两个开关进行降压-升压操作，其中只有一个开关被主动控制，另一个则作为电流导通的二极管被动使用。这种半同步布置显著降低了整体系统效率，原因是二极管的无源特性仅允许在正向偏置下进行单向电流流动。这些损耗还因半导体二极管中的逆向恢复效应而加剧，慢恢复会增加功率器件的电压和电流应力，最终缩短元件寿命[15]， [16]， [17]。本研究采用半桥双向降升直流-直流转换器作为BAT分支。与传统的基于二极管的降-升压拓扑相比，这种同步整流器配置消除了二极管导通损耗和反向恢复现象，同时减少了电磁干扰并提升了整体效率[18]、[19]。此外，SOGI-PLL 作为相位同步模块实现，以在失真和噪声条件下准确提取单相栅极电压的相角和频率。SOGI-PLL 的采用得到了其先前研究[20]、[21]中已验证的优势支持，包括有效的谐波抑制、精确的正交信号生成和快速的动态响应，使其特别适合单相光伏-光伏-BAT系统和微电网。
从控制角度看，为确保高质量电流注入栅极，已研究并开发多种控制方法以适应栅极扰动[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。最具代表性和最简单的方法之一是使用比例积分（PI）控制器调制来自逆变器输出的正弦电流。然而，该方法仅在同步DQ参考系中有效，无法消除交流电流控制时的稳态误差，尤其是在基频的正弦跟踪[22]。为克服这些不足，开发了比例共振（PR）控制器，直接在固定的αβ帧中工作，通过基频共振实现50/60 Hz正弦电流的零稳态误差[23]。然而，栅极中的高阶谐波无法被完全抑制，导致注入电流的总谐波失真（THD）升高，并持续存在残余噪声。基于上述两种控制策略的优缺点，在比例谐振补偿（PR-HC）控制器中加入了额外的传递函数，使得对高阶谐波分量进行直接补偿成为可能[24]、[25]、[26]。该方法显著提升了50赫兹输出正弦波形的质量，有效降低了多频干扰，并通过可调比例（）和积分（）在选定的谐波阶下获得收益。
尽管已有大量研究聚焦于能量管理和系统稳定性的并网光伏-BAT系统，但在单相拓扑下的直流母线稳定性优化方面仍存在重大研究空白，尤其是在负载变化和二阶功率振荡下，以及缺乏实际规模的实验验证。例如，在[27]中，提出了一种带有双向电力管理算法的电力控制与电网支持策略（PCGSS），用于三相光伏-BAT系统，优先考虑关键负载以减少光伏规模并加快回收周期。然而，它仅依赖于15千瓦功率的MATLAB/Simulink仿真，未进行实验验证，限制了对现实世界直流总线稳定性的评估。同样，参考文献[28]优化了级联H桥（CHB）PV-BAT结构的层级能量管理控制，结合了3千瓦模拟和小规模150瓦实验，但未能解决单相配置中的高阶谐波消除或直流母线稳定性。在[29]中，引入了一种网格形成控制方案，应用于公用事业规模的1.4兆瓦直流耦合PV-BAT系统，通过仿真证明了极端相跳的稳定性，但缺乏实验验证，且未能在单相环境中缓解二阶振荡。参考文献[30]建模了一个集成电池和超级电容器（SC）组件的光伏混合能源存储系统（HESS），并通过小信号分析评估了直流总线稳定性控制设计。然而，它仅能进行3000瓦的模拟，且没有硬件实现，因此无法全面评估电池应力或现实世界的电网注入电流质量。参考文献[31]展示了OPAL-RT实验结果，功率为1.764千瓦，适用于单相PV-BAT系统，采用最小平均混合范数（LLMMN）电流控制和频率振荡器，并采用复杂积分器-锁频环（FOCI-FLL）同步，但未使用PR-HC控制器进行高阶谐波抑制，且直流母线稳定性在二阶功率波动下仍不理想。表1总结了先前混合逆变器研究中的拓扑结构和控制方法。基于现有文献中持续存在的空白，显然需要一个更全面的解决方案，强调单相系统中直流母线的稳定性和交流电流质量，并结合实际实验验证。
本研究提出了一种直流耦合单相PV-BAT混合系统，其中PV侧升压MPPT转换器和BAT双向转换器的输出直接在直流总线上互联。系统集成了SOGI-PLL实现稳健的栅格同步，并配备了PR-HC控制器以有效抑制高阶谐波。结合基于FPIS的BAT充放电策略，该方法确保交流功率注入恒定，同时显著减少直流母线纹波。该方案通过PSIM/Simulink模拟以及在600瓦原型机上的实际实验进行了严格验证。这一真实规模超越了许多仅限于模拟的研究，从而大幅提升了系统在实际电网条件下的可靠性和性能。系统模型和控制策略通过PSIM模拟评估，并在德州仪器TMS320F28379D数字信号处理器上实现，以确认实时运行可行性。光伏电源采用扰动与观察（P&O）算法[32]、[33]，由EMS 100–10可编程电源模拟，最大功率点（MPP）为600瓦。BAT通过电池仿真模式下的APS1000再生电网模拟器实现，实现了直流耦合架构内BAT充放电动态的全面评估。本文的新颖性总结如下：

• i)
  提出针对直流耦合光伏-BAT系统的FPIS方案，实现无论太阳辐照度变化均保持恒定的电网注入有源功率。此外，所提策略保证稳定的功率注入和谐波缓解，符合IEEE 1547标准，即使在电网电压扰动期间也能实现。
• 二）
  开发了一种BAT辅助二阶功率均衡（BAT-2ωPB）控制策略，利用双向直流/直流转换器在光伏功率输出波动时稳定直流母线电压。
• 三）
  提出一种增强型PR-HC控制器，集成多个谐振补偿器，用于选择性补偿高阶谐波，从而有效抑制栅极电压和反相器级注入电流中的谐波失真。
• 四）
  通过PSIM模拟和在220 V/50 Hz工作600瓦原型机上的实验验证，全面评估所提的直流耦合PV-BAT拓扑结构及相关控制方案。

本文的主要贡献总结如下：

• i)
  单相直流耦合PV-BAT系统的FPIS控制策略提案，确保无论太阳辐照度变化导致PV输出功率超过或低于所需设定点，都能保持恒定的电网注入有功功率。同时，它确保即使在电网电压波动10%的情况下，也能稳定地注入电网。
• 二）
  BAT-2ωPB控制策略采用双向直流/直流转换器，抑制直流总线上的二阶功率纹波，从而最小化直流链路电压纹波。模拟结果显示，直流母线电压纹波仅为0.25%，对应于辐照度变化下400伏电平附近约1伏的波动;实验结果则为2.5%，即当光伏功率从390瓦骤变为600瓦时，约10伏波动。
• 三）
  设计增强型PR-HC控制器，在选定的高阶谐波处引入MRC分支，实现选择性谐波补偿，有效减轻电流波形失真。这种结构相比传统的PI和PR控制器提供了更快的动态响应，后者主要仅在基频部分有效。模拟结果显示，PR-HC的当前THD为2.6%，PI为4.5%，PR为3.4%。对应的实验THD值为PR-HC为1.8%，PI为4.3%，PR为3.6%。