單相光伏儲能逆變系統及其控制方法分析

摘要：隨著可再生能源的快速發展，單相光伏儲能逆變系統在光伏發電和儲能領域得到了廣泛應用。主要對單相光伏儲能逆變系統的構成、控制方法、系統優化與挑戰等方面進行了詳細闡述。首先，介紹了單相光伏儲能逆變系統的構成和工作原理，然后分析了電壓/電流控制策略、功率因數控制、頻率控制、防孤島控制和軟啟動控制等控制方法。接著，探討了系統優化方向和面臨的挑戰。最后，展望了單相光伏儲能逆變系統的發展前景。

關鍵詞：單相光伏儲能逆變系統控制方法

中圖分類號：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

近年來，隨著全球能源需求的不斷增長和環境問題的日益嚴重，可再生能源的開發和利用成為各國關注的焦點。光伏發電作為一種清潔、可持續的能源，得到了迅速發展。然而，光伏發電受天氣、季節等因素的影響，存在發電量波動性較大的問題。因此，儲能技術的應用顯得尤為重要。單相光伏儲能逆變系統作為光伏發電和儲能領域的關鍵技術之一，其性能和效率的提高對可再生能源的廣泛應用具有重要意義。

1單相光伏儲能逆變系統概述

1.1單相光伏儲能系統的構成

單相光伏儲能系統主要由以下幾部分組成：光伏電池板、儲能電池、單相逆變器、直流/交流轉換器和控制系統。

1.1.1光伏電池板

光伏電池板是將太陽能轉換為電能的核心部分，其由一系列光電池組成。光伏電池板根據光照條件和環境溫度等因素，將光能轉化為電能，并輸出直流電。

1.1.2儲能電池

儲能電池主要用于存儲光伏電池板產生的電能，以便在需要時供給負載或電網。常見的儲能電池類型包括鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等。

1.1.3單相逆變器

單相逆變器是將直流電轉換為交流電的核心設備，其輸出電壓和頻率與電網同步。單相逆變器根據輸入直流電壓、電流和負載需求，通過開關管的開通和關斷，實現直流電到交流電的轉換。

1.1.4直流/交流轉換器

直流/交流轉換器（又稱逆變器）用于將儲能電池的直流電轉換為交流電，以滿足負載的需求。直流/交流轉換器具備一定的電壓和電流調節能力，以保證輸出電壓的穩定。

1.1.5控制系統

控制系統是光伏儲能系統的核心部分，主要負責對整個系統進行監控和控制。控制系統通過采集光伏電池板、儲能電池、逆變器等部件的實時數據，實現對系統的最大功率點跟蹤（MPPT）、電壓/電流控制、防孤島等功能[1]。

1.2系統工作原理

單相光伏儲能逆變系統的工作原理大致分為光伏發電階段和儲能供電階段。在光伏發電階段，光伏電池將太陽能轉化為直流電，通過光伏發電組件輸出。充電控制器對光伏發電組件輸出的電能進行控制和調節，以使充電電流和電壓達到最佳充電效果。充電控制器還能監測電池的狀態和充電情況，并具備保護電池過充和過放的功能。當太陽能光伏發電組件輸出的電能超過家庭或負載的用電需求時，多余的電能會被儲存在電池中。在儲能供電階段，當光伏電池無法輸出足夠的電能滿足家庭或負載的用電需求時，可以通過逆變器將電池中的直流電轉換為交流電，以滿足用戶的電能需求。逆變器是通過將直流電經過PWM（脈寬調制）方式轉換為交流電，并通過電網或其他負載設備進行供電。逆變器通常具有智能控制功能，能根據負載的變化自動調節輸出電壓和頻率。整個系統在運行過程中需要配備電氣保護裝置，如過載保護、短路保護、溫度保護等，以保證系統的安全可靠運行。此外，系統通常還具備監控和操作控制功能，以便對系統的運行狀態進行監測和操作。綜上所述，單相光伏儲能逆變系統通過光伏發電和儲能技術的結合，能夠將太陽能光伏發電系統產生的電能儲存起來，并在需要的時候將電能轉化為交流電供電給家庭或其他載體使用。這種系統能夠提高太陽能的利用率，實現可再生能源的有效利用，具有較高的經濟和環境效益[2]。

2單相光伏儲能逆變系統及其控制方法

2.1電壓/電流控制策略

在單相光伏儲能逆變系統中，電壓/電流控制策略主要包括峰值檢測與控制、比例-積分（PI）控制和峰值和平均值混合控制等方法，用于實現對光伏電池板輸出電壓和電流的有效調節。

2.1.1峰值檢測與控制

峰值檢測與控制方法通過實時檢測光伏電池板輸出電壓和電流的峰值，并根據系統需求對其進行調節。這種方法相對簡單直接，但受到光照條件、環境溫度等外部因素的影響較大，無法實現最優的電能轉換效率。

2.1.2比例-積分（PI）控制

比例-積分（PI）控制方法通過調節逆變器的開關頻率或電流、電壓控制器參數等方式，實現對系統電壓和電流的穩定控制。PI控制具有較好的穩定性和準確性，可以實時調整控制器參數，增強系統的穩定性和響應性。

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將峰值檢測與控制和平均值控制結合起來進行控制。這種方法既考慮了瞬時功率的調節，又考慮了整個過程的平均效果。

2.2功率因數控制

在單相光伏儲能逆變系統中，功率因數控制是一種重要的控制方法。它的主要目的是提高逆變器的功率因數，減少對電網的諧波污染。

2.2.1無源功率因數（PF）矯正

無源功率因數（PF）矯正通過調整逆變器的電路參數和結構，使得逆變器的輸入電流與電壓同相位，從而提高功率因數。這種方法簡單可靠，無須外部電源或其他控制器的支持，但它對電網不可控的非線性負載具有較差的響應性。

2.2.2有源功率因數（PF）矯正

有源功率因數（PF）矯正采用DSP（數字信號處理器）等控制器來實現對功率因數的精確控制。通過實時檢測和計算逆變器的輸出電流和電壓相位差，然后調整逆變器的開關頻率和占空比，以使功率因數接近于1。有源PF矯正具有更高的精度和響應性，能夠更好地減少諧波污染，提高系統在電網中的兼容性[3]。

2.3頻率控制

頻率控制是單相光伏儲能逆變系統中的重要控制方法之一。它主要涉及了并網電頻率的特性、系統對并網電頻率的影響以及頻率調整的控制策略。頻率調整的控制策略：為了確保光伏儲能逆變系統與電網頻率同步，控制系統通常采用頻率調整的控制策略。這種策略可以通過調整逆變器的開關頻率或通過反饋控制來實現。調整逆變器的開關頻率：通過調整逆變器開關管的開通和關斷時間，可以實現輸出頻率的調整。這種方法相對簡單，但在頻率調整過程中可能會產生較大的波動。反饋控制：通過實時監測電網的頻率，然后根據反饋信號對逆變器的開關頻率進行調整，使輸出頻率與電網頻率同步。這種方法可以實現更精確的頻率控制，但需要更復雜的控制算法和硬件支持。通過合理選擇和調整頻率控制策略，光伏儲能逆變系統可以確保與電網頻率同步，確保系統穩定運行并兼容電網。頻率控制是保證逆變系統可靠性和性能的重要因素之一[4]。

2.4防孤島控制

防孤島控制是單相光伏儲能逆變系統中的關鍵控制方法之一。當電網發生故障或異常時，防孤島控制能夠及時切斷逆變器的輸出，以防止對電網和人身造成危害。防孤島控制方法：防孤島控制方法主要包括檢測孤島特征和實現安全退出策略。檢測孤島特征：控制系統需要檢測逆變器輸出電流和電壓的波形、頻率、相位等信息，以識別孤島現象[5]。常見的孤島特征包括電壓和電流波形畸變、頻率與電網不同步等。安全退出策略：當檢測到孤島特征時，控制系統應采取相應的安全退出策略，如延遲一段時間以給用戶提供斷電準備，然后通過切斷逆變器的電源或使用備用電源等方式，實現安全退出。安全退出策略需要考慮系統性能和安全因素之間的平衡，以確保在實現安全退出時盡可能減少對用戶的影響[6]。

2.5軟啟動控制

軟啟動控制是單相光伏儲能逆變系統中一種重要的控制方法，主要用于減小電機啟動時的電流沖擊，保護電機及其驅動系統。電機啟動時的電流沖擊：電機啟動時，由于電機的電阻和電感等因素，電流會突然增大，形成較大的啟動電流。這種啟動電流可能會對電機及其驅動系統造成損害，甚至導致設備故障。因此，軟啟動控制對于保護電機和驅動系統至關重要。軟啟動控制還可以實現對電機啟動過程的精確控制，提高系統的運行效率和性能。

3結語

總之，單相光伏儲能逆變系統在光伏發電和儲能領域具有廣泛的應用前景。通過不斷優化控制方法、提高系統性能和降低成本，單相光伏儲能逆變系統將在可再生能源領域發揮更大的作用。同時，隨著智能化、數字化技術的發展，單相光伏儲能逆變系統將實現更加智能、高效和安全地運行，為可再生能源的大規模應用提供有力支持。

參考文獻

[1]田中利.單相光伏儲能逆變系統及其控制方法的研究[D].揚州：揚州大學，2019.

[2]周星誠，方宇，顧越鎧，等.單相光伏儲能逆變器中H6橋電路及控制研究[J].電力電子技術，2020，54（3）：71-74.

[3]劉江.單相雙級光伏并網逆變器拓撲及其控制策略研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

[4]石榮亮，辛凱，劉云峰.光伏發電系統及其控制方法：CN109802426A[P].2019-05-24.

[5]陳勇，楊桂賢，鄭開科.儲能離網逆變器及其控制方法，儲能離網逆變器系統：CN202110977504.9[P].2021-11-26.

[6]戴永軍，馬尚行，胡晶，等.分布式光伏儲能微電網控制方法：CN111416390A[P].2020-07-14..