一種級聯多電平光伏逆變器的Matlab仿真研究

趙鋒，王朋，王朝，班鈺

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京　100083）

一種級聯多電平光伏逆變器的Matlab仿真研究

趙鋒，王朋，王朝，班鈺

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京100083）

論文討論一種級聯多電平光伏逆變器拓撲，分析了其在載波移相SPWM調制下的工作狀況，得出不同調制度下輸出電壓特性與調制度之間的關系。最后，利用Matlab平臺對逆變器建模仿真，驗證了理論分析的正確性。

多電平；載波移相SPWM；光伏逆變器；調制度

0　引言

隨著能源危機的出現，可再生能源變得越來越重要以滿足當今社會對能源的需求。而太陽能以其清潔、環保、可持續等特點備受關注。作為光伏系統中的重要環節，光伏逆變器的性能直接決定了太陽能利用效率的高低［1］。因此，改善和提升光伏逆變器的工作性能已成為國內外本領域的一個研究熱點［2，3］。

本文通過H橋級聯得到一種多電平逆變器，其由于電平數多，使得輸出電壓諧波含量低，同時可以有效地減小開關損耗，因此該拓撲在高壓大功率光伏系統中具有良好的應用前景。針對文中所提出的級聯多電平逆變器拓撲結構，利用Matlab建立了其仿真模型并對其進行了載波移相SPWM調制（CPS-SPWM），通過對逆變電路在不同調制度下輸出電壓電流波形的研究，得到調制度與輸出電壓電平數及其基波幅值之間的關系。

1　級聯光伏逆變器的拓撲結構

級聯多電平逆變器通常是由若干個單相逆變器串聯而成，對于每一個單相逆變器中均含有獨立的直流電源。同二極管鉗位型逆變器和飛跨電容式逆變器相比，級聯多電平逆變器中無需大量的鉗位二極管或電容，同時也不會出現直流電壓中性點偏移等問題［4］。本文提出級聯多電平逆變器為便于分析討論，只選取兩個單相逆變器單元串聯而成，其最終的相電壓由各單元的電壓疊加得到。由于各功率單元是相對獨立的，其之間并沒有關聯，故無需考慮均壓問題，其拓撲結構如圖1所示。

圖1　級聯多電平光伏逆變器的拓撲結構Fig.1 The topology of the cascaded multi-level photovoltaic inverter

2　調制方式的選擇與實現

合理地選擇PWM調制方法，可以使逆變器具有理想的輸出波形，同時提升逆變器的效率。目前應用于級聯逆變器最常見的脈寬調制方式主要包括：空間矢量調制技術、多載波SPW技術和載波移相SPWM技術（CPS-SPWM）［5］?？臻g矢量調制技術如應用于多電平逆變器中，其會隨著輸出電平數的增加而使得控制算法變得更加復雜。而多載波SPWM技術結合其自身特點，會造成各級連單元的開關頻率不統一，從而導致功率電路的難以模塊化。

針對基于H橋級聯而成的多電平光伏逆變器，載波移相SPWM技術顯得最為適合。其最初就是針對具有等電壓的單元級聯電路提出的，其實現方式是對級聯各H橋采取相同的正弦波脈寬調制方式，通過改變各橋之間載波的相移使各單元電壓脈沖在相位上相互錯開，從而疊加得到多電平波形。

當級聯多電平光伏逆變器采取CPS-SPWM調制方式時，不僅可以用較低開關頻率實現高載波頻率的結果，同時其在結構上所用元器件較少，便于模塊化的研究。本文將結合文中所提拓撲就CPS-SPWM原理加以分析說明。

可以看出文中提出的逆變器是基于兩H橋模塊結構級聯而成，當使用CPS-SPWM調制時，需采用4列三角載波移相PWM來驅動各橋中的每一個橋臂。依據CPS-SPWM的原理，對于N個功率單元級聯，其三角載波的相位差為π/N，N=2，故可確定相位差為π/2。由于各個橋臂中的功率開關器件驅動規律類似，僅存在相位查的區別，故僅對上橋中S1和S2的開通方式加以分析說明。當初始相位為0的三角載波與調制正弦波進行比較，當正弦波高于三角波時則輸出信號為高電平（對應仿真中SPWM1信號），其用于驅動上橋左半橋中的S1；而與SPWM1互補的信號SPWM2（即在仿真中對SPWM1取反）用于驅動上橋左半橋中的S2，由此可見，S1和S2的驅動信號始終是互補的。同理，對于S3和S4，S5和S6，S7和S8而言，其驅動信號都是成對互補的，僅在合成驅動脈沖信號的三角載波初始相位上依次存在π/2、π、3π/2的差別，故不再贅述。

3　仿真設計與分析

為了對文中所提出的級聯光伏逆變器在CPS-SPWM的調制策略進行驗證，在Matlab/Simmulink環境中對級聯光伏逆變器進行了仿真研究，如圖2所示。仿真算法為ode23tb，最大仿真步長為1E-6，仿真時間為0.2s。其中原拓撲中的太陽能板用兩個獨立的直流電源代替，U1=U2=50V。PWM的信號來源可以通過構建一個Subsystem子系統來實現，如圖3所示。這個子系統中通過對三角波發生器（依次相位差π/2）與正弦波發生器產生的信號進行比較，及對比較結果進行取反，便可得一組成對的驅動信號，用于驅動同一橋臂上的兩個開關元器件，其中三角載波頻率設為1kHz，正弦調制波頻率設為50Hz。而對于H橋模塊及負載模塊調用鏈接后設置參數即可，取R=30Ω，L=30mH。

圖2　級聯多電平光伏逆變器的Matlab/Simulink仿真模型Fig.2 Simulation model of the cascaded multi-level photovoltaic inverter

圖3　CPS-SPWM發生器的Matlab/Simulink仿真模型Fig.3 Scheme of CPS-SPWM generation

為了觀察不同調制度下光伏逆變器的輸出特性，分別取調制度為M=0.25、M=0.5、M=0.75、M=1時的仿真波形進行分析比較，如圖4所示。

圖4　不同調制度下輸出電壓的仿真波形Fig.4 The waves of output voltage with different M

由圖4可以看出，M=1和M=0.75時，輸出電壓為5電平，明顯多于M=0.25和M=0.5時的3電平，同時通過對比不同調制度下的電壓輸出波形，可以看出當M大于0.5時，其電壓的基波幅值也會超過基波幅值最大值的一半；當M小于0.5時，其電壓基波幅值也會隨之變化，變得小于基波幅值最大值的一半。由此可以得出結論：負載的電壓及電流輸出特性與調制度相關，輸出電壓的電平數會隨調制度的增大而增多，同時在輸出電壓電流頻率與調制度頻率相同時，輸出電壓的基波幅值與調制度M成正比關系。

4　結束語

本文通過對一種級聯光伏逆變器在載波移相SPWM調制下的原理進行分析，并基于Matlab仿真平臺搭建拓撲模型，通過比較不同調制度下輸出特性，得到了調制度與輸出電壓電平數及調制度與輸出電壓基波幅值的關系，驗證了此級聯光伏逆變器在光伏系統中的可行性與正確性。

［1］高素玲，吳欣慧，劉密富.光伏并網逆變器的控制策略研究及仿真［J］.黑龍江大學自然科學學報，2013，2.

［2］張厚升，趙艷雷.單相雙級式光伏并網逆變器［J］.電力自動化設備，2010，8.

［3］于晶榮，曹一家，等.單相單級光伏逆變器最大功率點跟蹤方法［J］.儀器儀表學報，2013，1.

［4］彭方正，錢照明，等.現代多電平逆變器拓撲［J］.變流技術與電力牽引，2006，5.

［5］韋寶泉，胡文華，曾建軍.基于DS P的單相橋式級聯逆變器S PWM的研究［J］.工礦自動化，2010，5.

Simulation and Analysis of a Cascaded Multi-level Photovoltaic Inverter

ZHAO Feng，WANG Peng，WANG Zhao，BAN Yu
（School of Mechanical Electronic&Information，China University of Mining&Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

In this paper，a cascaded multi-level photovoltaic inverter is dicussed.The working modes of the proposed topology under the situation of CPS-SPWM have been analyzed.The relationship between output characteristics with different modulation ratio is given.In final，the Matlab results were presented to validate the theoretical analysis.

multi-level；CPS-SPWM；photovoltaic inverter；modulation ratio

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.025

1002-6673（2015）01-070-03

2014-10-30

趙鋒（1988-），男，博士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動；王朋，電氣工程與自動化專業（本科）。