单相单级光伏并网逆变器优化设计与运行研究

针对城市居住区对经济、高效光伏系统的需求，提出一种新型单相单级电流型光伏并网逆变器拓扑结构，以日间发电-夜间节能为基本运行模式，开展城市居住区光伏并网逆变器的优化运行研究。针对逆变器效率和性能难以兼顾的问题，提出一种基于极值搜索算法的最大功率点跟踪方法，在无需外加扰动、保证输出电流对称性的前提下，该方法能够快速搜索到最大功率点；研究基于纹波搜集算法的电流控制策略，通过改进调制和控制算法，减小纹波幅值、抑制纹波对逆变器输出电流波形的影响，以降低控制策略对无源元件的约束，为逆变器完整电路优化设计提供更大的解空间；针对光伏并网逆变器的实用性和可靠性问题，建立以长期系统收益最优和短期模块效率性能最优为综合目标的智能管理策略，并研究电网电压扰动情况下光伏并网逆变器的控制和保护方法。本项目研究成果将有效提高光伏并网逆变器的效率、性能和市场竞争力，为城市居住区发展光伏发电系统和实现节能环保提供技术支持。

光伏屋顶是未来光伏发电技术推广的主要形式，逆变器作为光伏系统的关键元件，直接影响着系统的整体性能。单相单级逆变器因成本低、可靠性高，成为最具有应用前景的逆变器拓扑结构。本项目针对适用于居民家庭光伏系统的单相单级光伏逆变器的拓扑结构、最大功率点跟踪方法、电流控制等关键技术进行了深入研究。首先，深入研究了适用于居民家庭光伏系统的单相单级光伏逆变器拓扑结构，提出了一种单相单级电流型逆变器拓扑结构,以最少功率变换级数、最少元件个数，构建了一种无需变压器升压的光伏逆变器；针对电流型逆变器所用反向阻断型功率开关成本高、尚未广泛应用的情况，提出了一种基于二次功率转移电路的电压型逆变器，从而抑制了单相光伏系统中二次功率扰动对逆变器可靠性影响，实现了满足居民家庭要求的高可靠性、低成本光伏逆变器拓扑结构。其次，针对以上提出的光伏逆变器直流侧纹波电压任意可控的特点，提出了一种基于该固有纹波电压的极值搜索算法，并利用极值搜索算法在无需额外增加扰动的情况下实现最大功率点电压跟踪控制，同时在极值搜索算法中引入优化补偿环节，通过该环节提高算法的收敛速度，进一步优化最大功率点电压跟踪控制的稳态和动态性能。为消除单相光伏并网逆变器直流侧纹波对输出电流控制的影响，提出了一种基于比例谐振控制的新型电流控制结构，通过对原反馈控制结构的调整，避免了直流侧纹波电压对电流控制器的影响，并根据控制器的带宽和对谐波的抑制要求，构建了基于多比例准谐振控制的逆变器电流控制策略。针对电网电压非理想情况下的锁相控制，提出了一种基于比例谐振控制的锁相控制方法，利用比例谐振算法抑制电网电压纹波，提取电网电压基波成分，实现基于虚拟平均无功鉴相的锁相控制。最后研制了基于数字化实现的单相光伏发电系统实验平台。理论分析和实验结果表明，新型光伏逆变器及其控制系统在效率、输出电能质量方面具有明显优势，适合应用于居民家庭小型单相光伏发电系统，具有良好的工程推广应用前景。