单相光伏储能逆变系统及其控制方法分析

摘要：随着可再生能源的快速发展，单相光伏储能逆变系统在光伏发电和储能领域得到了广泛应用。主要对单相光伏储能逆变系统的构成、控制方法、系统优化与挑战等方面进行了详细阐述。首先，介绍了单相光伏储能逆变系统的构成和工作原理，然后分析了电压/电流控制策略、功率因数控制、频率控制、防孤岛控制和软启动控制等控制方法。接着，探讨了系统优化方向和面临的挑战。最后，展望了单相光伏储能逆变系统的发展前景。

关键词：单相光伏储能逆变系统控制方法

中图分类号：TM464

AnalysisoftheSingle-PhasePhotovoltaicEnergyStorageInverterSystemandItsControlMethods

SHIXinmiaoLIUChaohouLIYanlong

ZhejiangSolaXPowerNetworkTechnologyCo.，Ltd.，Hangzhou，ZhejiangProvince，310063China

Abstract：Withtherapiddevelopmentofrenewableenergy，thesingle-phasephotovoltaicenergystorageinvertersystemhasbeenwidelyusedinthefieldsofphotovoltaicpowergenerationandenergystorage.Thisarticlemainlyprovidesadetailedexplanationofthecomposition，controlmethods，systemoptimizationand challengesofthesingle-phasephotovoltaicenergystorageinvertersystem.Firstly，itintroducesthecompositionandworkingprincipleofthesingle-phasephotovoltaicenergystorageinvertersystem，andthenanalyzescontrolmethodssuchasvoltage/currentcontrolstrategies，powerfactorcontrol，frequencycontrol，anti-islandingcontrolandsoftstartcontrol.Next，itdiscussesthedirectionandchallengesofsystemoptimization.Finally，itprospectsthedevelopmentprospectsofthesingle-phasephotovoltaicenergystorageinvertersystems.

KeyWords：Singlephase;Photovoltaicenergystorage;Invertersystem;Controlmethod

近年来，随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，可再生能源的开发和利用成为各国关注的焦点。光伏发电作为一种清洁、可持续的能源，得到了迅速发展。然而，光伏发电受天气、季节等因素的影响，存在发电量波动性较大的问题。因此，储能技术的应用显得尤为重要。单相光伏储能逆变系统作为光伏发电和储能领域的关键技术之一，其性能和效率的提高对可再生能源的广泛应用具有重要意义。

1单相光伏储能逆变系统概述

1.1单相光伏储能系统的构成

单相光伏储能系统主要由以下几部分组成：光伏电池板、储能电池、单相逆变器、直流/交流转换器和控制系统。

1.1.1光伏电池板

光伏电池板是将太阳能转换为电能的核心部分，其由一系列光电池组成。光伏电池板根据光照条件和环境温度等因素，将光能转化为电能，并输出直流电。

1.1.2储能电池

储能电池主要用于存储光伏电池板产生的电能，以便在需要时供给负载或电网。常见的储能电池类型包括锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池等。

1.1.3单相逆变器

单相逆变器是将直流电转换为交流电的核心设备，其输出电压和频率与电网同步。单相逆变器根据输入直流电压、电流和负载需求，通过开关管的开通和关断，实现直流电到交流电的转换。

1.1.4直流/交流转换器

直流/交流转换器（又称逆变器）用于将储能电池的直流电转换为交流电，以满足负载的需求。直流/交流转换器具备一定的电压和电流调节能力，以保证输出电压的稳定。

1.1.5控制系统

控制系统是光伏储能系统的核心部分，主要负责对整个系统进行监控和控制。控制系统通过采集光伏电池板、储能电池、逆变器等部件的实时数据，实现对系统的最大功率点跟踪（MPPT）、电压/电流控制、防孤岛等功能[1]。

1.2系统工作原理

单相光伏储能逆变系统的工作原理大致分为光伏发电阶段和储能供电阶段。在光伏发电阶段，光伏电池将太阳能转化为直流电，通过光伏发电组件输出。充电控制器对光伏发电组件输出的电能进行控制和调节，以使充电电流和电压达到最佳充电效果。充电控制器还能监测电池的状态和充电情况，并具备保护电池过充和过放的功能。当太阳能光伏发电组件输出的电能超过家庭或负载的用电需求时，多余的电能会被储存在电池中。在储能供电阶段，当光伏电池无法输出足够的电能满足家庭或负载的用电需求时，可以通过逆变器将电池中的直流电转换为交流电，以满足用户的电能需求。逆变器是通过将直流电经过PWM（脉宽调制）方式转换为交流电，并通过电网或其他负载设备进行供电。逆变器通常具有智能控制功能，能根据负载的变化自动调节输出电压和频率。整个系统在运行过程中需要配备电气保护装置，如过载保护、短路保护、温度保护等，以保证系统的安全可靠运行。此外，系统通常还具备监控和操作控制功能，以便对系统的运行状态进行监测和操作。综上所述，单相光伏储能逆变系统通过光伏发电和储能技术的结合，能够将太阳能光伏发电系统产生的电能储存起来，并在需要的时候将电能转化为交流电供电给家庭或其他载体使用。这种系统能够提高太阳能的利用率，实现可再生能源的有效利用，具有较高的经济和环境效益[2]。

2单相光伏储能逆变系统及其控制方法

2.1电压/电流控制策略

在单相光伏储能逆变系统中，电压/电流控制策略主要包括峰值检测与控制、比例-积分（PI）控制和峰值和平均值混合控制等方法，用于实现对光伏电池板输出电压和电流的有效调节。

2.1.1峰值检测与控制

峰值检测与控制方法通过实时检测光伏电池板输出电压和电流的峰值，并根据系统需求对其进行调节。这种方法相对简单直接，但受到光照条件、环境温度等外部因素的影响较大，无法实现最优的电能转换效率。

2.1.2比例-积分（PI）控制

比例-积分（PI）控制方法通过调节逆变器的开关频率或电流、电压控制器参数等方式，实现对系统电压和电流的稳定控制。PI控制具有较好的稳定性和准确性，可以实时调整控制器参数，增强系统的稳定性和响应性。

2.1.3峰值和平均值混合控制

峰值和平均值混合控制方法是将峰值检测与控制和平均值控制结合起来进行控制。这种方法既考虑了瞬时功率的调节，又考虑了整个过程的平均效果。

2.2功率因数控制

在单相光伏储能逆变系统中，功率因数控制是一种重要的控制方法。它的主要目的是提高逆变器的功率因数，减少对电网的谐波污染。

2.2.1无源功率因数（PF）矫正

无源功率因数（PF）矫正通过调整逆变器的电路参数和结构，使得逆变器的输入电流与电压同相位，从而提高功率因数。这种方法简单可靠，无须外部电源或其他控制器的支持，但它对电网不可控的非线性负载具有较差的响应性。

2.2.2有源功率因数（PF）矫正

有源功率因数（PF）矫正采用DSP（数字信号处理器）等控制器来实现对功率因数的精确控制。通过实时检测和计算逆变器的输出电流和电压相位差，然后调整逆变器的开关频率和占空比，以使功率因数接近于1。有源PF矫正具有更高的精度和响应性，能够更好地减少谐波污染，提高系统在电网中的兼容性[3]。

2.3频率控制

频率控制是单相光伏储能逆变系统中的重要控制方法之一。它主要涉及了并网电频率的特性、系统对并网电频率的影响以及频率调整的控制策略。频率调整的控制策略：为了确保光伏储能逆变系统与电网频率同步，控制系统通常采用频率调整的控制策略。这种策略可以通过调整逆变器的开关频率或通过反馈控制来实现。调整逆变器的开关频率：通过调整逆变器开关管的开通和关断时间，可以实现输出频率的调整。这种方法相对简单，但在频率调整过程中可能会产生较大的波动。反馈控制：通过实时监测电网的频率，然后根据反馈信号对逆变器的开关频率进行调整，使输出频率与电网频率同步。这种方法可以实现更精确的频率控制，但需要更复杂的控制算法和硬件支持。通过合理选择和调整频率控制策略，光伏储能逆变系统可以确保与电网频率同步，确保系统稳定运行并兼容电网。频率控制是保证逆变系统可靠性和性能的重要因素之一[4]。

2.4防孤岛控制

防孤岛控制是单相光伏储能逆变系统中的关键控制方法之一。当电网发生故障或异常时，防孤岛控制能够及时切断逆变器的输出，以防止对电网和人身造成危害。防孤岛控制方法：防孤岛控制方法主要包括检测孤岛特征和实现安全退出策略。检测孤岛特征：控制系统需要检测逆变器输出电流和电压的波形、频率、相位等信息，以识别孤岛现象[5]。常见的孤岛特征包括电压和电流波形畸变、频率与电网不同步等。安全退出策略：当检测到孤岛特征时，控制系统应采取相应的安全退出策略，如延迟一段时间以给用户提供断电准备，然后通过切断逆变器的电源或使用备用电源等方式，实现安全退出。安全退出策略需要考虑系统性能和安全因素之间的平衡，以确保在实现安全退出时尽可能减少对用户的影响[6]。

2.5软启动控制

软启动控制是单相光伏储能逆变系统中一种重要的控制方法，主要用于减小电机启动时的电流冲击，保护电机及其驱动系统。电机启动时的电流冲击：电机启动时，由于电机的电阻和电感等因素，电流会突然增大，形成较大的启动电流。这种启动电流可能会对电机及其驱动系统造成损害，甚至导致设备故障。因此，软启动控制对于保护电机和驱动系统至关重要。软启动控制还可以实现对电机启动过程的精确控制，提高系统的运行效率和性能。

3结语

总之，单相光伏储能逆变系统在光伏发电和储能领域具有广泛的应用前景。通过不断优化控制方法、提高系统性能和降低成本，单相光伏储能逆变系统将在可再生能源领域发挥更大的作用。同时，随着智能化、数字化技术的发展，单相光伏储能逆变系统将实现更加智能、高效和安全地运行，为可再生能源的大规模应用提供有力支持。

参考文献

[1]田中利.单相光伏储能逆变系统及其控制方法的研究[D].扬州：扬州大学，2019.

[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）：71-74.

[3]刘江.单相双级光伏并网逆变器拓扑及其控制策略研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

[4]石荣亮，辛凯，刘云峰.光伏发电系统及其控制方法：CN109802426A[P].2019-05-24.

[5]陈勇，杨桂贤，郑开科.储能离网逆变器及其控制方法，储能离网逆变器系统：CN202110977504.9[P].2021-11-26.

[6]戴永军，马尚行，胡晶，等.分布式光伏储能微电网控制方法：CN111416390A[P].2020-07-14..