多电平逆变器在移动式光伏系统中应用

孙 鹄，张建峡，冯海涛

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550000)

光伏(PV)发电提供安全、可靠、清洁的可再生能源，是人类最理想的能源之一。目前国内使用太阳能发电系统的领域还只是少数，在民用领域也只是为一些固定公共用电设备安装光伏发电系统，而且由于多晶硅模块的效率很低，导致光伏发电系统以小型居多[1]。

移动的带储能的小型光伏发电系统为游牧地区、野外工作、小型移动工作站等因经常迁移带来的生活用电问题得到很经济有效的解决方案。本文介绍了一种带储能小型移动光伏发电系统，它采用级联型多电平逆变器进行DC/AC变换。因太阳能光伏阵列产生的电压低，一般要使用升压变压器或DC/DC升压变换器进行升压以便获得220 V的输出电压。对于DC/AC的变换，通常采用的是脉宽调制(PWM)逆变器，但开关器件产生高的电压变化引起的应力、大的损耗、电磁干扰(EMI)等问题，以及较高的THD(总谐波失真)等，故目前正考虑采用级联型多电平的逆变器，并使用载波相移SPWM算法控制[2]。

1 光伏发电系统

移动式光伏发电系统一般由移动光伏电池阵列、DC/DC变换器、蓄电池和逆变器等组成，如图1所示，它具有体积小、寿命长、拆装简单、运输方便等优点[3]。

图1 带储能移动式光伏发电系统

1.1 光伏阵列

光伏系统设计有6个PV阵列，每块阵列板有5个并联模块，每一模块含90块电池，输出电压为50 V～60 V，输出功率为200 W。

1.2 级联逆变器

图2所示为13电平级联逆变器的拓扑结构。该逆变器由6个串联连接的H桥组成，且以基波频率运行。该逆变器与其他逆变器相比具有低开关损耗，并且结构相对简单便于维护[4-5]。图中每一个H桥与一个蓄电池并联，电容器跨接在逆变器的输出端，起功率因数和滤波作用。

1.3 载波相移SPWM调制策略

载波相移SPWM技术的基本思想是在n个变流器单元串并联构成的组合变流器中使用共同的正弦调制波(周期为2π)，将各变流器单元的三角载波(频率为fc)的相位相互错开2π/(nfc)，利用形成SPWM波的方式和多重化技术中的波形叠加结构产生载波相移SPWM波形[6]。根据图2逆变器主电路图，得到SPWM调制波形，如图3所示，其中Vm为正弦调制信号，C1、C2、C3分别为每个H桥的三角载波波形，其相位依次相差12°。

图2 13电平逆变器开关拓扑结构

图3 开关驱动信号

要使该13电平逆变器正常工作，共需要12路SPWM驱动波形(各模块斜对角采用一路驱动信号)。图3中为前2个H桥的SPWM调制波形。

2 建模与仿真

为验证系统的正确性，采用Matlab/Simulink建模仿真，其模型如图4所示。系统仿真参数：R=20 Ω，C=100 μF，L=50 μH，f=50 Hz，Udc=40 V。

图4 系统仿真模型

3 仿真结果与结论

从仿真结果(见图5)可以看出，逆变器输出电压由多个电平合成，波形几乎接近正弦波，但还不是平滑的曲线，为此在逆变器输出后面还需加装LC滤波装置，滤波之后的波形如图6所示。从图6可以看出，将载波相移SPWM技术与多级拓扑结构相结合，不仅降低了开关频率和谐波成分，同时还拓宽了传输频带。

图5 13电平逆变器输出波形

图6 13电平逆变器输出滤波后的波形

[1] Antunes F，Braga H，Babi I.Application of a Generalized Current Multilevel cell to a Current Source Inverter[J].IECON’95 Orlando USA, 1995,1(11):278-283.

[2] Kwon S K，Sayed K F A.Boost-half bridge power stage PWM DC-DC converters for PEM-fuel cell stacks[J].Power Electron, 2008,8(3):239-247.

[3] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4] 姚哲之.多电平逆变器在光伏发电系统中的应用研究[D].湘潭：湘潭大学，2011.

[5] 陈阿莲.多电平变换器的理论和应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[6] 张仲超.组合变流器相移SPWM技术研究[J].电力电子技术，1997,31(2):9-12.