用于并网光伏（PV）系统的四倍电压增益共地型无变压器九电平开关电容逆变器

《Scientific Reports》：Transformerless nine-level switched capacitor inverter with common-ground for grid-tied PV system

　　

具备电压提升能力的无变压器多电平逆变器（MLIs）因其紧凑性、高效率和成本效益，已成为公用事业并网光伏（PV）系统有吸引力的选择。然而，由于缺少电气隔离而产生的漏电流仍是影响安全性和电能质量的主要问题。为应对这些挑战，研究人员提出一种具有四倍电压增益的单相九电平（9 L）共地（CG）开关电容（SC）逆变器。所提拓扑的主要创新在于将CG配置与高增益、自均压SC结构相集成，从而在不牺牲电压增益的情况下同时实现完全漏电流抑制、减少元件数量并降低器件电压应力。与先进9 L拓扑的比较分析表明，所提逆变器具有元件数量少、器件电压应力低、效率高、零漏电流和实现成本较低等优势。采用1.3 kW实验室样机在独立运行和并网运行条件下的实验验证证实了所提拓扑的有效性。由于结构紧凑且电压增益高，所提拓扑所需输入直流电压较低，因此特别适用于低压PV系统。

研究背景：全球向可再生能源转型加快，对将低压PV阵列接入中压电网的紧凑高效功率变换系统需求上升。传统两电平、三电平逆变器存在器件应力高、输出滤波器体积大、高升压条件下效率降低等问题；传统多电平逆变器（MLIs）可降低总谐波畸变（THD）、电磁干扰（EMI）并改善器件电压分担，但常依赖工频变压器实现隔离和升压，导致体积大、重量大、成本高。无变压器逆变器（TI）虽提高功率密度和效率，却因缺少电气隔离而通过PV阵列与地之间寄生电容产生漏电流，影响效率、电磁兼容、安全性和PV模块寿命。已有直流/交流解耦、中点钳位和共地（CG）结构可抑制漏电流，其中CG通过将PV负端与电网中性点直接连接使共模电压保持为零；但部分CG拓扑需更高输入电压或额外DC–DC变换器。SC逆变器可利用电容串并联充放电实现升压和自均压，但现有SC型多电平逆变器常需大量开关、二极管或储能元件，且难以同时集成SC升压与CG漏电流抑制。研究人员因此开展单相CGSC九电平逆变器研究，以在电压增益、元件数量、器件应力和效率之间取得平衡。

研究内容与结论：研究人员提出一种单相4×9 L-CGTLI拓扑（论文中的九电平共地开关电容逆变器），由11个功率开关（P₁–P₁₁）、3个二极管（D₁–D₃）和3个SC（C₁–C₃）构成，单一直流输入，输出九电平（+4V_in至?4V_in），C₁、C₂自均压至V_in，C₃充至2V_in，实现4倍电压增益；CG连接使共模电压消除、漏电流近零。贡献包括4×升压、总驻留电压（TSV_p.u.）仅17V_in、开关最大阻断电压（MBV）处于输出电压峰值一半以内、SC自均压、较少SC数量及较低成本。其意义在于为低压PV并网提供紧凑、高效率、低器件应力和零漏电流的无变压器方案。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员采用所提4×9 L-CGTLI拓扑，基于电平移位脉宽调制（LSPWM）生成九电平波形；依据最大放电时间与10%电压纹波设计SC，并构建PI+最大功率点跟踪（MPPT）、比例谐振（PR）电流控制与锁相环（PLL）并网控制；通过MATLAB/Simulink和PLECS仿真，并采用1.3 kW实验室样机在独立与并网条件下验证；同时开展对比分析与成本评估。未涉及样本队列，实验来源为1.3 kW实验室样机。

研究结果：
仿真与实验参数：仿真和实验采用V_in=100 V、输出峰值400 V、电网230 V（RMS）/50 Hz、开关频率5 kHz；实验使用IKW50N65H5开关、HCPL-3120驱动、TMS320F28379D控制器，C₁/C₂为150 V/2700 μF，C₃为300 V/1500 μF，滤波电感5.3 mH，软充电电感40 μH，输出功率约1.3 kW。由此建立仿真与样机对比条件。

稳态性能：通过仿真在R负载（100 Ω）下得到V_o峰值±400 V、i_o约±4 A且与电压同相；RL负载（Z=60+j100 Ω）下电压仍为±400 V，电流约5.8 A并呈相位滞后；V_C1、V_C2、V_C3分别稳定在100 V、100 V、200 V且纹波小，说明自均压和多电平运行有效。

输入电压阶跃瞬态：通过仿真将输入电压由90 V阶跃至100 V（RL负载），输出电压保持稳定多电平波形，电流平滑过渡，返回稳态时过冲小、调节时间短，电容电压仅有轻微波动，说明动态响应和暂态稳定性较好。

负载变化瞬态：通过仿真实现R负载至RL负载、RL负载至空载切换，输出电压保持±400 V，电流由4 A平滑过渡至约5.8 A，再逐渐降至0 A且无过冲或畸变，说明负载适应性和阻尼特性良好。

调制指数变化：通过仿真将调制指数（MI）由1降至0.8再降至0.5，输出电压和电流按比例降低且波形保持对称，电容电压仍围绕约100 V、100 V、200 V平衡，说明调制控制和自均压能力稳定。

并网控制与PV特性：通过闭环并网控制仿真，采用PI与MPPT控制直流母线、PR控制电流、PLL同步电网；PV阵列为4串2并，单模块最大功率192.5 W、V_oc=32.9 V、I_sc=8.21 A、V_mp=25.4 V、I_mp=7.58 A，阵列最大功率约1.54 kW。1000 W/m²下V_in约100 V、PV功率约1.54 kW、V_inv为±400 V并与230 V（RMS）电网同步，i_g正弦且同相；辐照由750升至1000 W/m²时PV电压稳定、功率由约1.08 kW平滑升至约1.54 kW，说明MPPT和并网控制有效。

谐波特性：通过仿真评估，R负载MI=1时输出电压和电流THD约13.45%；RL负载MI=1时电压THD约13.49%、电流THD约1.54%（基波电流5.786 A）；MI=0.7时基波电流降至4.249 A、电压THD升至19.06%、电流THD约1.07%；1 kW输出时电压THD基本不变、电流THD仅轻微变化，结果处于IEEE-519标准范围内。

开关电压应力：通过仿真得到P₁–P₅约100 V（等于V_in），P₆–P₁₁约200 V（2V_in），D₁–D₃约200 V；以400 V输出峰值计，TSV_p.u.=17/4=4.25，说明器件电压应力较低。

实验验证：通过1.3 kW样机实验，R负载下V_o峰值400 V、i_o约4 A且同相；RL负载下电流约5.8 A并滞后；V_C1–V_C3分别约100 V、100 V、200 V，电容电流交替充放电；输入90–100 V阶跃及RL至R切换时快速稳定；MI=1→0.8时输出由±400 V降至±320 V，MI=0.8→0.5时降至±200 V、电流约3.6 A且无畸变；并网UPF下i_g与V_g同相，LPF下电流超前约42°，参考电流5 A→8 A阶跃响应快速平滑；在C_pv=100 nF下漏电流RMS<1 mA。实验与仿真吻合。

损耗与效率：通过PLECS仿真（25 ℃，IKW50N65H5模型）得到最高开关损耗位于P₁和P₅，P₂、P₃、P₄为中等损耗；1 kW输出时总损耗约39 W，模拟效率95.8%；100 W至1300 W范围内模拟与实验效率接近，说明损耗模型和高效运行有效。

比较研究：结构配置与电气特性方面，通过对比近期9 L拓扑，所提拓扑采用11个开关；部分拓扑开关更少但器件应力高至4V_dc、导通损耗高或漏电流未完全消除；部分4×升压拓扑开关需承受4V_in；部分同开关数拓扑缺少CG；与35、36相比所提拓扑在保持CG和9 L输出时减少开关，且具有最低TSV_p.u.=4.25，MBV处于输出峰值一半以内；体积约400 cm³，1.3 kW下功率密度约3.25 W/cm³。成本函数（CF）方面，通过式（12）在α=β=0.5和1.5下计算，所提拓扑CF=4.9、6.2；部分拓扑CF更低但未抑制漏电流或不适合并网PV，所提拓扑在CG、MBV、自均压和4×升压方面较均衡。逆变器成本案例方面，通过统一400 V峰值、1 kW、器件额定1.5倍及Element14/Mouser价格比较，所提拓扑在评估设计中总成本最低，CG配置中实现成本最低，32和34接近但略高；分数增益常数（FGC）和改进减法增益成本（ISGC）指数表明其成本-性能折中较优。

讨论部分总结：讨论围绕所提拓扑与近期9 L CGSC、SC-MLI及有源中点钳位（ANPC）拓扑的比较展开，指出所提拓扑以11个开关、3个二极管和3个SC实现4×升压、CG零漏电流、SC自均压、最低TSV_p.u.及输出峰值一半以内的MBV，并以约400 cm³体积和3.25 W/cm³功率密度体现紧凑性；成本评估显示其实现成本低，FGC和ISGC表明其在增益、元件利用和成本之间具有较好折中。部分拓扑CF更低，但存在漏电流未消除、器件应力高或控制复杂等限制，因此所提拓扑更适合无变压器并网PV应用。

研究结论翻译：该研究提出一种面向无变压器并网PV系统的单相九电平（9 L）共地开关电容（CGSC）逆变器，具有四倍（4×）升压能力。所提拓扑将SC升压机制与CG配置集成，从而消除接地漏电流，同时保持紧凑和成本有效的结构。SC的自均压特性无需额外控制电路或传感器，简化设计并提高可靠性。此外，所提逆变器在可比近期拓扑中实现最低TSV_p.u.和MBV_p.u.，可采用低压额定半导体器件并提高整体效率。比较分析证实，所提拓扑在电压增益、成本、TSV、MBV和漏电流抑制之间提供了有利折中。采用1.3 kW样机在独立和并网模式下进行实验验证，包括测得漏电流波形，验证了理论和仿真结果，并证明高效率和近零漏电流。由于其结构简单、电压增益高、功率器件电压应力和成本降低，所提逆变器是下一代无变压器PV能量转换系统的有前景方案，可确保安全、高效和可持续的现代电网功率集成。尽管所提拓扑目前限于单相应用，未来工作将聚焦于扩展至三相系统、开发无需额外软充电电感的浪涌电流抑制技术，以及实施模型预测控制（MPC）以实现更快动态响应。