CN113708408A - 自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器及控制方法 - Google Patents

自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器及控制方法 Download PDF

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CN113708408A CN202110995628.XA CN202110995628A CN113708408A CN 113708408 A CN113708408 A CN 113708408A CN 202110995628 A CN202110995628 A CN 202110995628A CN 113708408 A CN113708408 A CN 113708408A
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Abstract

本发明提供一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器及控制方法，涉及光伏发电技术领域。该光伏逆变器包括DC/DC变换单元和DC/AC变换单元；DC/DC变换单元包括输入电容、三相LLC拓扑、高频变压器、桥式整流拓扑和输出电容，DC/DC变换单元具有强光照运行模态和弱光照运行模态，全光照条件均可实现高效率电能变换；DC/AC变换单元包括全桥逆变拓扑和并网电感；所述控制方法分为正常输出模式和无功输出模式，正常输出模式下，光伏逆变器实现有功功率的最大化输出和无功功率的按需优化输出，无功输出模式下，优先提高光伏逆变器的无功支撑能力，在保证低电压穿越前提下，根据实时剩余容量输出有功功率，实现光伏逆变器容量的高利用率。

Description

自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器及控制方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器及控制方法。
背景技术
随着化石能源的逐渐枯竭，光伏发电作为一种将太阳能转换为电能的技术得到了快速发展。与集中式光伏发电相比，分布式光伏发电由于具备分散发电、场地灵活、就地消纳等优势成为了研究热点，而分布式光伏逆变器作为连接分布式光伏发电系统与电网的关键装置也被大量研究，具有广阔的应用市场。
分布式光伏逆变器的发展趋势为小型化、户用化。近年来，受到政府大力支持，分布式光伏逆变器开始蓬勃发展，占据了逆变器市场的重要份额。这一现象使得越来越多的分布式光伏发电系统被接入电网，一定程度上实现了可再生能源的高效利用，但也给电网的稳定运行带来了一些问题。一方面，由于目前市面上大多数分布式光伏逆变器都是以实现单位功率因数输出为目标进行并网控制，而不考虑本地负载的无功需求，使得电网的无功压力大大增加，导致电能质量与输电效率下降，很多分布式光伏发电系统采用就地安装SVG的方案解决了这个问题，但增加了安装成本与维护成本，并且光伏逆变器本身的无功输出能力没有得到充分利用；另一方面，随着高比例分布式光伏发电系统接入电网，当电网发生故障电压降低时，光伏逆变器的切除会进一步加大电力系统的扰动，从而影响电网的正常恢复，因此分布式光伏逆变器的低电压穿越能力也十分重要。此外，由于分布式光伏逆变器往往应用于输入端为低压大电流的场合，导致分布式光伏发电系统的容量受到电力电子器件最大电流能力的限制，难以实现功率等级的提高，并且受光照条件影响，光伏出力具有随机性，光伏逆变器经常工作在轻载工况，而传统光伏逆变器在轻载条件下的高损耗，导致其电能转化效率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器及控制方法，单相光伏逆变器能够实现光伏组件与电网之间的电气隔离，在低压大电流工况下具备更高的功率等级，并且在不同光照条件下具有对应的运行模态，提高了光伏能量的转化效率；控制方法可根据光照条件使光伏逆变器运行于正常输出模式和无功输出模式；正常输出模式下，光伏逆变器实现有功功率的最大化输出和无功功率的按需优化输出，无功输出模式下，优先提高光伏逆变器的无功支撑能力，在保证低电压穿越前提下，根据实时剩余容量输出有功功率，实现光伏逆变器容量的高利用率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一方面，本发明提供一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，采用双极式结构，前级为隔离式DC/DC变换单元，后级为DC/AC变换单元；所述隔离式DC/DC变换单元输入端连接光伏组件输出端；所述DC/AC变换单元输入端连接隔离式DC/DC变换单元输出端；所述DC/AC变换单元输出端连接单相交流电网；所述隔离式DC/DC变换单元包括高频变压器以及高频变压器初级侧的三相LLC拓扑和高频变压器次级侧的桥式整流拓扑；所述DC/AC变换单元包括全桥逆变拓扑和并网电感。
进一步地，所述三相LLC拓扑包括并联连接的输入电容、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂及分别与每一桥臂配套的谐振电容、谐振电感和励磁电感；所述输入电容、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂依次并联在光伏组件两端；所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂中点分别依次串联连接各桥臂配套的谐振电容、谐振电感与励磁电感，各桥臂配套的励磁电感的另一端相互连接；
所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂均包括两个串联的全控型器件。
进一步地，所述桥式整流拓扑包括依次并联的第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂和输出电容；所述第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂与高频变压器次级绕组采用星接的连接方式。
进一步地，所述桥式整流拓扑采用二极管整流或同步整流任意一种形式；若采用二极管整流，则第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括两个串联的二极管，若采用同步整流，则第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括两个串联的全控型器件；
进一步地，所述隔离式DC/DC变换单元用于实现升压功能，使光伏组件输出的低压直流电变换为后级DC/AC变换单元适用的高压直流电，所述隔离式DC/DC变换单元具有四种运行模态，采用脉冲频率调制控制。
进一步地，所述隔离式DC/DC变换单元的四种运行模态分别为S1运行模态、S2运行模态、S3运行模态和S4运行模态；
其中，S1运行模态为：第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂以及分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感全部参与功率变换；第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂中位于同一桥臂的全控型器件控制信号互补，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂间相邻位置的全控型器件控制信号幅值相同，相位依次相差120°；
S2运行模态为：第一桥臂、第二桥臂、第四桥臂、第五桥臂以及分别与第一桥臂、第二桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感参与功率变换；第一桥臂和第二桥臂中位于同一桥臂的全控型器件的控制信号互补，第一桥臂和第二桥臂间相邻位置的全控型器件控制信号幅值相同，相位相差180°，关断第三桥臂的全控型器件；
S3运行模态为：第二桥臂、第三桥臂、第五桥臂、第六桥臂以及分别与第二桥臂、第三桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感参与功率变换；第二桥臂和第三桥臂中位于同一桥臂的全控型器件控制信号互补，第二桥臂和第三桥臂间相邻位置的全控型器件的控制信号幅值相同，相位相差180°，关断第一桥臂的全控型器件；
S4运行模态为：第一桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第六桥臂以及分别与第一桥臂、第三桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感参与功率变换；第一桥臂和第三桥臂中位于同一桥臂的全控型器件控制信号互补，第二桥臂和第三桥臂间相邻位置的全控型器件控制信号幅值相同，相位相差180°，关断第二桥臂的全控型器件。
进一步地，所述DC/AC变换单元用于使隔离式DC/DC变换单元输出的直流电变换为适合并网的单相交流电，所述DC/AC变换单元采用SPWM控制；DC/AC变换单元采用单相全桥逆变器拓扑，包括第七桥臂、第八桥臂和并网电感；所述第七桥臂和第八桥臂均包括两个串联的全控型器件；所述第七桥臂和第八桥臂依次并联在桥式整流拓扑输出电容的两端；所述第七桥臂中点通过连接并网电感接入单相交流电网；所述第八桥臂中点直接接入单相交流电网。
进一步地，所述全控型器件，采用IGBT或MOSFET中任意一种；所述全控型器件采用以SiC为衬底的电力电子器件。
另一方面，本发明提供一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器的控制方法，用于对上述多输出模式单相光伏逆变器进行控制，具体为：光照条件不同时，控制隔离式DC/DC变换单元工作在强光照运行模态或弱光照运行模态；当光伏组件输出功率大于所设置强光照阈值功率时，使隔离式DC/DC变换单元工作在强光照运行模态S1，当光伏组件输出功率小于所设置强光照阈值功率时，使隔离式DC/DC变换单元的运行模态按一定顺序在弱光照运行模态S2、S3、S4间切换，切换顺序为：S2-S3-S4-S2；设定单相光伏逆变器具有正常输出模式和无功输出模式，当单相交流电网电压大于所设置的正常输出模式阈值电压时，控制单相光伏逆变器切换至正常输出模式，当单相交流电网电压小于所设置的无功输出模式阈值电压时，控制单相光伏逆变器切换至无功输出模式，当单相交流电网电压小于正常输出模式阈值电压且大于无功输出模式阈值电压时，控制单相光伏逆变器维持当前输出模式不变。
进一步地，所述正常输出模式控制隔离式DC/DC变换单元实现对光伏组件的最大功率点追踪控制，使光伏逆变器输出有功功率为光伏组件实时最大输出功率，按负荷的无功电流需求输出无功功率；
根据瞬时无功功率理论，基于广义二阶积分器求得负荷无功电流需求，具体为：基于单相锁相环检测单相交流电网电压Vg(t)＝Vpsin(w1t)、负荷电流
Figure BDA0003233756900000041
检测广义二阶积分器输出电流信号
Figure BDA0003233756900000042
求得负荷无功电流需求Iqh(t)＝{Iα(t)cos(w1t)+Iβ(t)sin(w1t)}cos(w1t)；其中，Vp电网峰值电压，Ip为电网峰值电流，w1为电网频率，
Figure BDA0003233756900000043
为负荷电流的功率因数角，Iα(t)和Iβ(t)是t时刻广义二阶积分器生成的两个相互正交的电流信号；
所述单相光伏逆变器工作在正常输出模式时，输出电流指令Iref＝IrefPV+αIq，其中，IrefPV为光伏组件实时的等效有功电流，Iq为光伏逆变器输出无功电流，α为无功电流补偿系数，受光伏逆变器额定容量S限制，α需满足以下条件：
Figure BDA0003233756900000044
求得无功电流补偿系数
Figure BDA0003233756900000045
当无功电流补偿系数α小于1时，光伏逆变器剩余容量全部进行无功补偿，当无功电流补偿系数α大于1时，将其限制为1，光伏逆变器实现按负荷需求的无功补偿；
所述单相光伏逆变器工作在无功输出模式时，根据单相交流电网实际电压，优先保证光伏逆变器输出无功电流Iq满足如下条件：
Figure BDA0003233756900000046
其中，IN为光伏逆变器额定电流，ΔU为单相交流电网额定电压与当前光伏逆变器输出电压的差，UN为单相交流电网额定电压；
实时求得光伏逆变器最大有功电流
Figure BDA0003233756900000047
进一步得到无功输出模式的最大有功电流输出电流指令与单相交流电网电压之间的相角差
Figure BDA0003233756900000048
所述单相光伏逆变器无功输出模式根据不同范围的单相交流电网电压，控制光伏逆变器输出电流与单相交流电网电压的相角差实现无功支撑，无功输出模式的输出电流指令与单相交流电网电压的相角差θ为：
Figure BDA0003233756900000051
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器及控制方法，(1)自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器为双极式结构，前级的输入电流范围宽，受电力电子器件的最大电流能力限制小，适用于分布式光伏发电系统输入端为低电压大电流的运行工况，提高了分布式光伏逆变器应用于中大功率场合的潜力；在光伏出力小的工况下，自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器前级采用单相运行模式，从而降低光伏逆变器的导通损耗，提高光伏能量转化效率；本发明提出的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器工作温度范围宽，对工作环境要求低，并且具有电气隔离功能，提高了分布式光伏发电系统的稳定性与并网的安全性，与传统的双极式光伏逆变器相比，本发明提出的单相光伏逆变器具有高开关频率、高功率变换效率、高功率密度、低EMI等优势，符合光伏逆变器高频化、小型化的发展趋势。
(2)本发明提出的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器控制方法，可根据光照条件使光伏逆变器运行于相应模态，实现全光照条件下的自适应高效率能量转化，在光照充足工况下，能够使光伏逆变器实现输出有功功率的最大功率控制和无功功率的按需优化控制，在夜间等光照不充足工况下，能够使光伏逆变器按需输出无功功率实现无功功率的就地补偿，节省了SVG的接入，提高了光伏逆变器的容量利用率。
(3)本发明提出的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器控制方法能够实现单相光伏逆变器在正常输出模式和无功输出模式间的自动切换，当电网电压降低时，考虑光伏逆变器桥臂的最大电流能力，控制光伏逆变器优先给电网提供无功支撑，辅助电网恢复正常运行，在实现低电压穿越前提下，根据光伏逆变器剩余容量，控制光伏逆变器输出有功功率最大化，从而提高电网故障消除后光伏逆变器恢复正常输出的响应速度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器的电路原理图；
图3为本发明实施例提供的隔离式DC/DC变换单元S1运行模式电路原理图；
图4为本发明实施例提供的隔离式DC/DC变换单元S2运行模式电路原理图；
图5为本发明实施例提供的隔离式DC/DC变换单元S3运行模式电路原理图；
图6为本发明实施例提供的隔离式DC/DC变换单元S4运行模式电路原理图；
图7为本发明实施例提供的一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器控制方法的总体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中，一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，如图1所示，采用双极式结构，前级为隔离式DC/DC变换单元，后级为DC/AC变换单元，隔离式DC/DC变换单元输入端连接光伏组件输出端，隔离式DC/DC变换单元输出端连接DC/AC输入端，DC/AC变换单元输出端连接单相交流电网；本实施方式中，光伏组件的额定电压为40V。本实施例中，自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器的电路原理图如图2所示；
所述隔离式DC/DC变换单元包括高频变压器、高频变压器初级侧的三相LLC拓扑和高频变压器次级侧的桥式整流拓扑；高频变压器的初级侧和次级侧分别由三个绕组组成；
所述三相LLC拓扑包括并联连接的输入电容Cin、第一桥臂A1、第二桥臂B1、第三桥臂C1及分别与每一桥臂配套的谐振电容Cr1、Cr2、Cr3、谐振电感Lr1、Lr2、Lr3和励磁电感Lm1、Lm2、Lm3；
所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂均包括两个串联的全控型器件；
所述输入电容、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂依次并联在光伏组件两端；所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂中点分别依次串联连接各桥臂配套的谐振电容、谐振电感与励磁电感，各桥臂配套的励磁电感的另一端相互连接；
本实施例中，第一桥臂A1由全控型器件Q1、Q2组成，Q1的源极连接Q2的漏极；Q1的源极依次串联谐振电容Cr1、谐振电感Lr1和励磁电感Lm1；
第二桥臂B1由全控型器件Q3、Q4组成，Q3的源极连接Q4的漏极；Q3的源极依次串联谐振电容Cr2、谐振电感Lr2和励磁电感Lm2；
第三桥臂C1由全控型器件Q5、Q6组成，Q5的源极连接Q6的漏极；Q5的源极依次串联谐振电容Cr3、谐振电感Lr3和励磁电感Lm3；
励磁电感Lm1、Lm2、Lm3分别与高频变压器初级侧绕组并联；励磁电感Lm1、Lm2、Lm3的另一端相互连接；
光伏组件的输出端依次并联输入电容Cin、第一桥臂A1、第二桥臂B1、第三桥臂C1；
所述桥式整流拓扑包括依次并联的第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂和输出电容；
所述桥式整流拓扑采用二极管整流或同步整流任意一种形式；若采用二极管整流，则第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括两个串联的二极管，若采用同步整流，则第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括两个串联的全控型器件；
所述第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂与高频变压器次级绕组采用星接的连接方式；
本实施例中，桥式整流拓扑由第四桥臂A2、第五桥臂B2、第六桥臂C2和输出电容Cout组成；其中，第四桥臂A2由整流二极管D1、D2组成，D1的阳极连接D2的阴极；第五桥臂B2相桥臂由整流二极管D3、D4组成，D3的阳极连接D4的阴极；第六桥臂C2相桥臂由整流二极管D5、D6组成，D5的阳极连接D6的阴极；
第四桥臂A2、第五桥臂B2、第六桥臂C2和输出电容Cout依次并联连接至DC/AC变换单元的输入端；第四桥臂A2、第五桥臂B2、第六桥臂C2与高频变压器次级侧绕组采用星形连接方式；
所述隔离式DC/DC变换单元用于实现升压功能，使光伏组件输出的低压直流电变换为后级DC/AC变换单元适用的高压直流电，忽略死区时间，全控型器件的控制信号占空比为50％，通过调整全控型器件的开关频率实现隔离式DC/DC变换单元输入端和输出端电压控制；
所述隔离式DC/DC变换单元具有S1、S2、S3和S4四种运行模态，采用脉冲频率调制(PFM)控制；
其中，S1运行模态为：第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂以及分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感全部参与功率变换；第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂中位于同一桥臂的全控型器件控制信号互补，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂间相邻位置的全控型器件控制信号幅值相同，相位依次相差120°；
S2运行模态为：第一桥臂、第二桥臂、第四桥臂、第五桥臂以及分别与第一桥臂、第二桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感参与功率变换；第一桥臂和第二桥臂中位于同一桥臂的全控型器件的控制信号互补，第一桥臂和第二桥臂间相邻位置的全控型器件控制信号幅值相同，相位相差180°，关断第三桥臂的全控型器件；
S3运行模态为：第二桥臂、第三桥臂、第五桥臂、第六桥臂以及分别与第二桥臂、第三桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感参与功率变换；第二桥臂和第三桥臂中位于同一桥臂的全控型器件控制信号互补，第二桥臂和第三桥臂间相邻位置的全控型器件的控制信号幅值相同，相位相差180°，关断第一桥臂的全控型器件；
S4运行模态为：第一桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第六桥臂以及分别与第一桥臂、第三桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感参与功率变换；第一桥臂和第三桥臂中位于同一桥臂的全控型器件控制信号互补，第二桥臂和第三桥臂间相邻位置的全控型器件控制信号幅值相同，相位相差180°，关断第二桥臂的全控型器件。
本实施例中，S1运行模式的电路原理图如图3所示，全控型器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，谐振电容Cr1、Cr2、Cr3，谐振电感Lr1、Lr2、Lr3和励磁电感Lm1、Lm2、Lm3全部参与功率变换；位于同一桥臂的全控型器件Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6的控制信号互补，全控型器件Q1、Q3、Q5的控制信号幅值相同，相位依次相差120°，全控型器件Q2、Q4、Q6的控制信号幅值相同，相位依次相差120°；
S2运行模式的电路原理图如图4所示，其中全控型器件Q1、Q2、Q3、Q4，整流二极管D1、D2、D3、D4，谐振电容Cr1、Cr2，谐振电感Lr1、Lr2和励磁电感Lm1、Lm2参与功率变换；位于同一桥臂的全控型器件Q1和Q2、Q3和Q4的控制信号互补，全控型器件Q1、Q3的控制信号幅值相同，相位相差180°，全控型器件Q2、Q4的控制信号幅值相同，相位相差180°，关断全控型器件Q5、Q6；
S3运行模式的电路原理图如图5所示，其中全控型器件Q3、Q4、Q5、Q6，整流二极管D3、D4、D5、D6，谐振电容Cr2、Cr3，谐振电感Lr2、Lr3和励磁电感Lm2、Lm3参与功率变换；位于同一桥臂的全控型器件Q3和Q4、Q5和Q6的控制信号互补，全控型器件Q3、Q5的控制信号幅值相同，相位相差180°，全控型器件Q4、Q6的控制信号幅值相同，相位相差180°，关断全控型器件Q1、Q2；
S4运行模式的电路原理图如图6所示，其中全控型器件Q1、Q2、Q5、Q6，整流二极管D1、D2、D5、D6，谐振电容Cr1、Cr3，谐振电感Lr1、Lr3和励磁电感Lm1、Lm3参与功率变换；位于同一桥臂的全控型器件Q1和Q2、Q5和Q6的控制信号互补，全控型器件Q1、Q5的控制信号幅值相同，相位相差180°，全控型器件Q2、Q6的控制信号幅值相同，相位相差180°，关断全控型器件Q3、Q4。
所述DC/AC变换单元采用单相全桥逆变器拓扑，包括第七桥臂、第八桥臂和并网电感；
所述第七桥臂和第八桥臂均包括两个串联的全控型器件；
所述第七桥臂和第八桥臂依次并联在桥式整流拓扑输出电容的两端；所述第七桥臂中点通过连接并网电感接入单相交流电网；所述第八桥臂中点直接接入单相交流电网；
所述DC/AC变换单元用于使隔离式DC/DC变换单元输出的直流电变换为适合并网的单相交流电，所述DC/AC变换单元采用SPWM控制；
本实施例中，DC/AC变换单元输入端连接隔离式DC/DC单元输出端，DC/AC变换单元输出端连接单相电网；第七桥臂由全控型器件Q7、Q8组成，Q7的源极连接Q8的漏极；第八桥臂由全控型器件Q9、Q10组成，Q9的源极连接Q10的漏极；全控型器件Q7的源极连接并网电感L的一端，并网电感L的另一端连接单相电网的一端，单相电网的另一端连接全控型器件Q9的源极；输出电容Cout依次与第七桥臂、第八桥臂并联；
DC/AC变换单元通过检测隔离式DC/DC单元输出端电压、电流和单相交流电网的电压、频率、相位，使用SPWM技术对构成全桥拓扑的全控型器件Q7、Q8、Q9、Q10的控制信号进行调制以控制全桥拓扑输出电流的幅值、频率和相位，从而实现对自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器输出至单相交流电网的有功功率和无功功率的控制。
所述全控型器件，采用IGBT或MOSFET中任意一种；本实施例中，全控型器件采用以SiC为衬底的MOSFET。
自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器的控制方法，如图7所示，在光照条件不同时，控制隔离式DC/DC变换单元工作在强光照运行模态或弱光照运行模态；当光伏组件输出功率大于所设置强光照阈值功率时，使隔离式DC/DC变换单元工作在强光照运行模态S1，当光伏组件输出功率小于所设置强光照阈值功率时，使隔离式DC/DC变换单元的运行模态按一定顺序在弱光照运行模态S2、S3、S4间切换，切换顺序为：S2-S3-S4-S2；设定单相光伏逆变器具有正常输出模式和无功输出模式，当单相交流电网电压大于所设置的正常输出模式阈值电压时，控制单相光伏逆变器切换至正常输出模式，当单相交流电网电压小于所设置的无功输出模式阈值电压时，控制单相光伏逆变器切换至无功输出模式，当单相交流电网电压小于正常输出模式阈值电压且大于无功输出模式阈值电压时，控制单相光伏逆变器维持当前输出模式不变。
光照条件不同时，隔离式DC/DC变换单元工作在不同运行模态，当光伏组件输出功率大于所设置强光照阈值功率时，隔离式DC/DC变换单元工作在S1模态，当光伏组件输出功率小于所设置强光照阈值功率时，隔离式DC/DC变换单元的运行模态按一定顺序在S2、S3、S4模态间切换，切换顺序为：光伏组件输出功率由大于所设置强光照阈值功率降为小于所设置强光照阈值功率，隔离式DC/DC变换单元由S1运行模式切换为S2，光伏组件输出功率由小于所设置强光照阈值功率升为大于所设置强光照阈值功率，隔离式DC/DC变换单元由S2运行模式切换为S1；光伏组件输出功率由大于所设置强光照阈值功率降为小于所设置强光照阈值功率，隔离式DC/DC变换单元由S1运行模式切换为S3，光伏组件输出功率由小于所设置强光照阈值功率升为大于所设置强光照阈值功率，隔离式DC/DC变换单元由S3运行模式切换为S1；光伏组件输出功率由大于所设置强光照阈值功率降为小于所设置强光照阈值功率，隔离式DC/DC变换单元由S1运行模式切换为S4，光伏组件输出功率由小于所设置强光照阈值功率升为大于所设置强光照阈值功率，隔离式DC/DC变换单元由S4运行模式切换为S1；光伏组件输出功率由大于所设置强光照阈值功率降为小于所设置强光照阈值功率，隔离式DC/DC变换单元由S1运行模式切换为S2，光伏组件输出功率由小于所设置强光照阈值功率升为大于所设置强光照阈值功率，隔离式DC/DC变换单元由S2运行模式切换为S1；隔离式DC/DC变换单元的运行模式按照上述切换顺序进行转换。
当自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器工作在正常输出模式时，控制隔离式DC/DC变换单元实现对光伏组件的最大功率点追踪控制，使光伏逆变器输出有功功率为光伏组件实时最大输出功率，按负荷的无功电流需求输出无功功率；
隔离式DC/DC变换单元的输入端连接光伏组件输出端，通过检测光伏组件输出端的电压和电流，采用电导增量法，根据当光伏组件工作在最大功率点时其功率-电压曲线斜率为零的特性，对隔离式DC/DC变换单元进行PFM控制以调整输入阻抗，使光伏组件的输出电压和输出电流满足如下公式，从而实现对光伏组件的最大功率点跟踪控制。
Figure BDA0003233756900000101
其中，IPV为光伏组件的输出电流，UPV为光伏组件的输出电压。
根据瞬时无功功率理论，基于广义二阶积分器求得负荷无功电流需求，具体为：基于单相锁相环检测单相交流电网电压Vg(t)＝Vpsin(w1t)、负荷电流
Figure BDA0003233756900000102
检测广义二阶积分器输出电流信号
Figure BDA0003233756900000103
求得负荷无功电流需求Iqh(t)＝{Iα(t)cos(w1t)+Iβ(t)sin(w1t)}cos(w1t)；其中，Vp电网峰值电压，Ip为电网峰值电流，w1为电网频率，
Figure BDA0003233756900000104
为负荷电流的功率因数角，Iα(t)和Iβ(t)是t时刻广义二阶积分器生成的两个相互正交的电流信号；
当自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器工作在正常输出模式时，控制隔离式DC/DC变换单元实现对光伏组件的最大功率点追踪控制，使光伏逆变器输出有功功率为光伏组件实时最大输出功率，按负荷的无功电流需求输出无功功率；
单相光伏逆变器工作在正常输出模式时，输出电流指令Iref＝IrefPV+αIq，其中，IrefPV为光伏组件实时的等效有功电流，Iq为光伏逆变器输出无功电流，α为无功电流补偿系数，受光伏逆变器额定容量S限制，α需满足以下条件：
Figure BDA0003233756900000105
求得无功电流补偿系数
Figure BDA0003233756900000111
当无功电流补偿系数α小于1时，光伏逆变器剩余容量全部进行无功补偿，当无功电流补偿系数α大于1时，将其限制为1，光伏逆变器实现按负荷需求的无功补偿；
单相光伏逆变器工作在无功输出模式时，根据单相交流电网实际电压，优先保证光伏逆变器输出无功电流Iq满足如下条件：
Figure BDA0003233756900000112
其中，IN为光伏逆变器额定电流，ΔU为单相交流电网额定电压与当前光伏逆变器输出电压的差，UN为单相交流电网额定电压；
实时求得光伏逆变器最大有功电流
Figure BDA0003233756900000113
进一步得到无功输出模式的最大有功电流输出电流指令与单相交流电网电压之间的相角差
Figure BDA0003233756900000114
单相光伏逆变器无功输出模式根据不同范围的单相交流电网电压，控制光伏逆变器输出电流与单相交流电网电压的相角差实现无功支撑，无功输出模式的输出电流指令与单相交流电网电压的相角差θ为：
Figure BDA0003233756900000115
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，其特征在于：采用双极式结构，前级为隔离式DC/DC变换单元，后级为DC/AC变换单元；所述隔离式DC/DC变换单元输入端连接光伏组件输出端；所述DC/AC变换单元输入端连接隔离式DC/DC变换单元输出端；所述DC/AC变换单元输出端连接单相交流电网；所述隔离式DC/DC变换单元包括高频变压器以及高频变压器初级侧的三相LLC拓扑和高频变压器次级侧的桥式整流拓扑；所述DC/AC变换单元包括全桥逆变拓扑和并网电感。
2.根据权利要求1所述的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，其特征在于：所述三相LLC拓扑包括并联连接的输入电容、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂及分别与每一桥臂配套的谐振电容、谐振电感和励磁电感；所述输入电容、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂依次并联在光伏组件两端；所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂中点分别依次串联连接各桥臂配套的谐振电容、谐振电感与励磁电感，各桥臂配套的励磁电感的另一端相互连接；
所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂均包括两个串联的全控型器件。
3.根据权利要求2所述的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，其特征在于：所述桥式整流拓扑包括依次并联的第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂和输出电容；所述第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂与高频变压器次级绕组采用星接的连接方式。
4.根据权利要求3所述的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，其特征在于：所述桥式整流拓扑采用二极管整流或同步整流任意一种形式；若采用二极管整流，则第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括两个串联的二极管，若采用同步整流，则第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括两个串联的全控型器件。
5.根据权利要求4所述的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，其特征在于：所述隔离式DC/DC变换单元用于实现升压功能，使光伏组件输出的低压直流电变换为后级DC/AC变换单元适用的高压直流电，所述隔离式DC/DC变换单元具有四种运行模态，采用脉冲频率调制控制。
6.根据权利要求5所述的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，其特征在于：所述隔离式DC/DC变换单元的四种运行模态分别为S1运行模态、S2运行模态、S3运行模态和S4运行模态；
其中，S1运行模态为：第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂以及分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感全部参与功率变换；第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂中位于同一桥臂的全控型器件控制信号互补，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂间相邻位置的全控型器件控制信号幅值相同，相位依次相差120°；
S2运行模态为：第一桥臂、第二桥臂、第四桥臂、第五桥臂以及分别与第一桥臂、第二桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感参与功率变换；第一桥臂和第二桥臂中位于同一桥臂的全控型器件的控制信号互补，第一桥臂和第二桥臂间相邻位置的全控型器件控制信号幅值相同，相位相差180°，关断第三桥臂的全控型器件；
S3运行模态为：第二桥臂、第三桥臂、第五桥臂、第六桥臂以及分别与第二桥臂、第三桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感参与功率变换；第二桥臂和第三桥臂中位于同一桥臂的全控型器件控制信号互补，第二桥臂和第三桥臂间相邻位置的全控型器件的控制信号幅值相同，相位相差180°，关断第一桥臂的全控型器件；
S4运行模态为：第一桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第六桥臂以及分别与第一桥臂、第三桥臂配套的谐振电容、谐振电感、励磁电感参与功率变换；第一桥臂和第三桥臂中位于同一桥臂的全控型器件控制信号互补，第二桥臂和第三桥臂间相邻位置的全控型器件控制信号幅值相同，相位相差180°，关断第二桥臂的全控型器件。
7.根据权利要求6所述的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，其特征在于：所述DC/AC变换单元用于使隔离式DC/DC变换单元输出的直流电变换为适合并网的单相交流电，所述DC/AC变换单元采用SPWM控制；DC/AC变换单元采用单相全桥逆变器拓扑，包括第七桥臂、第八桥臂和并网电感；所述第七桥臂和第八桥臂均包括两个串联的全控型器件；所述第七桥臂和第八桥臂依次并联在桥式整流拓扑输出电容的两端；所述第七桥臂中点通过连接并网电感接入单相交流电网；所述第八桥臂中点直接接入单相交流电网。
8.根据权利要求7所述的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器，其特征在于：所述全控型器件，采用IGBT或MOSFET中任意一种；所述全控型器件采用以SiC为衬底的电力电子器件。
9.一种自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器的控制方法，用于对权利要求1所述多输出模式单相光伏逆变器进行控制，其特征在于：光照条件不同时，控制隔离式DC/DC变换单元工作在强光照运行模态或弱光照运行模态；当光伏组件输出功率大于所设置强光照阈值功率时，使隔离式DC/DC变换单元工作在强光照运行模态S1，当光伏组件输出功率小于所设置强光照阈值功率时，使隔离式DC/DC变换单元的运行模态按一定顺序在弱光照运行模态S2、S3、S4间切换，切换顺序为：S2-S3-S4-S2；设定单相光伏逆变器具有正常输出模式和无功输出模式，当单相交流电网电压大于所设置的正常输出模式阈值电压时，控制单相光伏逆变器切换至正常输出模式，当单相交流电网电压小于所设置的无功输出模式阈值电压时，控制单相光伏逆变器切换至无功输出模式，当单相交流电网电压小于正常输出模式阈值电压且大于无功输出模式阈值电压时，控制单相光伏逆变器维持当前输出模式不变。
10.根据权利要求9所述的自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器的控制方法，其特征在于：所述正常输出模式控制隔离式DC/DC变换单元实现对光伏组件的最大功率点追踪控制，使光伏逆变器输出有功功率为光伏组件实时最大输出功率，按负荷的无功电流需求输出无功功率；
根据瞬时无功功率理论，基于广义二阶积分器求得负荷无功电流需求，具体为：基于单相锁相环检测单相交流电网电压Vg(t)＝Vpsin(w1t)、负荷电流
Figure FDA0003233756890000031
检测广义二阶积分器输出电流信号
Figure FDA0003233756890000032
求得负荷无功电流需求Iqh(t)＝{Iα(t)cos(w1t)+Iβ(t)sin(w1t)}cos(w1t)；其中，Vp电网峰值电压，Ip为电网峰值电流，w1为电网频率，
Figure FDA0003233756890000033
为负荷电流的功率因数角，Iα(t)和Iβ(t)是t时刻广义二阶积分器生成的两个相互正交的电流信号；
所述单相光伏逆变器工作在正常输出模式时，输出电流指令Iref＝IrefPV+αIq，其中，IrefPV为光伏组件实时的等效有功电流，Iq为光伏逆变器输出无功电流，α为无功电流补偿系数，受光伏逆变器额定容量S限制，α需满足以下条件：
Figure FDA0003233756890000034
求得无功电流补偿系数
Figure FDA0003233756890000035
当无功电流补偿系数α小于1时，光伏逆变器剩余容量全部进行无功补偿，当无功电流补偿系数α大于1时，将其限制为1，光伏逆变器实现按负荷需求的无功补偿；
所述单相光伏逆变器工作在无功输出模式时，根据单相交流电网实际电压，优先保证光伏逆变器输出无功电流Iq满足如下条件：
Figure FDA0003233756890000036
其中，IN为光伏逆变器额定电流，△U为单相交流电网额定电压与当前光伏逆变器输出电压的差，UN为单相交流电网额定电压；
实时求得光伏逆变器最大有功电流
Figure FDA0003233756890000037
进一步得到无功输出模式的最大有功电流输出电流指令与单相交流电网电压之间的相角差
Figure FDA0003233756890000041
所述单相光伏逆变器无功输出模式根据不同范围的单相交流电网电压，控制光伏逆变器输出电流与单相交流电网电压的相角差实现无功支撑，无功输出模式的输出电流指令与单相交流电网电压的相角差θ为：
Figure FDA0003233756890000042
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