一种级联多电平光伏逆变器的Matlab仿真研究

赵锋，王朋，王朝，班钰

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京　100083）

一种级联多电平光伏逆变器的Matlab仿真研究

赵锋，王朋，王朝，班钰

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083）

论文讨论一种级联多电平光伏逆变器拓扑，分析了其在载波移相SPWM调制下的工作状况，得出不同调制度下输出电压特性与调制度之间的关系。最后，利用Matlab平台对逆变器建模仿真，验证了理论分析的正确性。

多电平；载波移相SPWM；光伏逆变器；调制度

0　引言

随着能源危机的出现，可再生能源变得越来越重要以满足当今社会对能源的需求。而太阳能以其清洁、环保、可持续等特点备受关注。作为光伏系统中的重要环节，光伏逆变器的性能直接决定了太阳能利用效率的高低［1］。因此，改善和提升光伏逆变器的工作性能已成为国内外本领域的一个研究热点［2，3］。

本文通过H桥级联得到一种多电平逆变器，其由于电平数多，使得输出电压谐波含量低，同时可以有效地减小开关损耗，因此该拓扑在高压大功率光伏系统中具有良好的应用前景。针对文中所提出的级联多电平逆变器拓扑结构，利用Matlab建立了其仿真模型并对其进行了载波移相SPWM调制（CPS-SPWM），通过对逆变电路在不同调制度下输出电压电流波形的研究，得到调制度与输出电压电平数及其基波幅值之间的关系。

1　级联光伏逆变器的拓扑结构

级联多电平逆变器通常是由若干个单相逆变器串联而成，对于每一个单相逆变器中均含有独立的直流电源。同二极管钳位型逆变器和飞跨电容式逆变器相比，级联多电平逆变器中无需大量的钳位二极管或电容，同时也不会出现直流电压中性点偏移等问题［4］。本文提出级联多电平逆变器为便于分析讨论，只选取两个单相逆变器单元串联而成，其最终的相电压由各单元的电压叠加得到。由于各功率单元是相对独立的，其之间并没有关联，故无需考虑均压问题，其拓扑结构如图1所示。

图1　级联多电平光伏逆变器的拓扑结构Fig.1 The topology of the cascaded multi-level photovoltaic inverter

2　调制方式的选择与实现

合理地选择PWM调制方法，可以使逆变器具有理想的输出波形，同时提升逆变器的效率。目前应用于级联逆变器最常见的脉宽调制方式主要包括：空间矢量调制技术、多载波SPW技术和载波移相SPWM技术（CPS-SPWM）［5］。空间矢量调制技术如应用于多电平逆变器中，其会随着输出电平数的增加而使得控制算法变得更加复杂。而多载波SPWM技术结合其自身特点，会造成各级连单元的开关频率不统一，从而导致功率电路的难以模块化。

针对基于H桥级联而成的多电平光伏逆变器，载波移相SPWM技术显得最为适合。其最初就是针对具有等电压的单元级联电路提出的，其实现方式是对级联各H桥采取相同的正弦波脉宽调制方式，通过改变各桥之间载波的相移使各单元电压脉冲在相位上相互错开，从而叠加得到多电平波形。

当级联多电平光伏逆变器采取CPS-SPWM调制方式时，不仅可以用较低开关频率实现高载波频率的结果，同时其在结构上所用元器件较少，便于模块化的研究。本文将结合文中所提拓扑就CPS-SPWM原理加以分析说明。

可以看出文中提出的逆变器是基于两H桥模块结构级联而成，当使用CPS-SPWM调制时，需采用4列三角载波移相PWM来驱动各桥中的每一个桥臂。依据CPS-SPWM的原理，对于N个功率单元级联，其三角载波的相位差为π/N，N=2，故可确定相位差为π/2。由于各个桥臂中的功率开关器件驱动规律类似，仅存在相位查的区别，故仅对上桥中S1和S2的开通方式加以分析说明。当初始相位为0的三角载波与调制正弦波进行比较，当正弦波高于三角波时则输出信号为高电平（对应仿真中SPWM1信号），其用于驱动上桥左半桥中的S1；而与SPWM1互补的信号SPWM2（即在仿真中对SPWM1取反）用于驱动上桥左半桥中的S2，由此可见，S1和S2的驱动信号始终是互补的。同理，对于S3和S4，S5和S6，S7和S8而言，其驱动信号都是成对互补的，仅在合成驱动脉冲信号的三角载波初始相位上依次存在π/2、π、3π/2的差别，故不再赘述。

3　仿真设计与分析

为了对文中所提出的级联光伏逆变器在CPS-SPWM的调制策略进行验证，在Matlab/Simmulink环境中对级联光伏逆变器进行了仿真研究，如图2所示。仿真算法为ode23tb，最大仿真步长为1E-6，仿真时间为0.2s。其中原拓扑中的太阳能板用两个独立的直流电源代替，U1=U2=50V。PWM的信号来源可以通过构建一个Subsystem子系统来实现，如图3所示。这个子系统中通过对三角波发生器（依次相位差π/2）与正弦波发生器产生的信号进行比较，及对比较结果进行取反，便可得一组成对的驱动信号，用于驱动同一桥臂上的两个开关元器件，其中三角载波频率设为1kHz，正弦调制波频率设为50Hz。而对于H桥模块及负载模块调用链接后设置参数即可，取R=30Ω，L=30mH。

图2　级联多电平光伏逆变器的Matlab/Simulink仿真模型Fig.2 Simulation model of the cascaded multi-level photovoltaic inverter

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

为了观察不同调制度下光伏逆变器的输出特性，分别取调制度为M=0.25、M=0.5、M=0.75、M=1时的仿真波形进行分析比较，如图4所示。

图4　不同调制度下输出电压的仿真波形Fig.4 The waves of output voltage with different M

由图4可以看出，M=1和M=0.75时，输出电压为5电平，明显多于M=0.25和M=0.5时的3电平，同时通过对比不同调制度下的电压输出波形，可以看出当M大于0.5时，其电压的基波幅值也会超过基波幅值最大值的一半；当M小于0.5时，其电压基波幅值也会随之变化，变得小于基波幅值最大值的一半。由此可以得出结论：负载的电压及电流输出特性与调制度相关，输出电压的电平数会随调制度的增大而增多，同时在输出电压电流频率与调制度频率相同时，输出电压的基波幅值与调制度M成正比关系。

4　结束语

本文通过对一种级联光伏逆变器在载波移相SPWM调制下的原理进行分析，并基于Matlab仿真平台搭建拓扑模型，通过比较不同调制度下输出特性，得到了调制度与输出电压电平数及调制度与输出电压基波幅值的关系，验证了此级联光伏逆变器在光伏系统中的可行性与正确性。

［1］高素玲，吴欣慧，刘密富.光伏并网逆变器的控制策略研究及仿真［J］.黑龙江大学自然科学学报，2013，2.

［2］张厚升，赵艳雷.单相双级式光伏并网逆变器［J］.电力自动化设备，2010，8.

［3］于晶荣，曹一家，等.单相单级光伏逆变器最大功率点跟踪方法［J］.仪器仪表学报，2013，1.

［4］彭方正，钱照明，等.现代多电平逆变器拓扑［J］.变流技术与电力牵引，2006，5.

［5］韦宝泉，胡文华，曾建军.基于DS P的单相桥式级联逆变器S PWM的研究［J］.工矿自动化，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

赵锋（1988-），男，博士研究生。研究方向：电力电子与电力传动；王朋，电气工程与自动化专业（本科）。