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《Computers and Electrical Engineering》：Design and implementation of a five-level SCDB multilevel inverter with fewer switches for grid-connected PV applications

　　

**摘要**

本文提出了一种五级软充电双升压多电平逆变器（5L-SCDB-MLI）拓扑结构。这是一种单级无变压器拓扑，适用于三相并网光伏系统。每相由六个开关、一个二极管、一个电容器和一个电感器组成，可实现五级输出，并通过减小电容器电流峰值实现平滑的充电电流。相位排列电平移位脉宽调制（PD-LSPWM）技术生成适当的开关逻辑，无需额外电路即可实现电容器电压自平衡。为了测试开环单相拓扑，考虑了多种动态因素，包括负载变化、调制指数、电压和频率变化。所提拓扑的效率为98.4%，输出电流总谐波失真（THD）为0.82%。在MATLAB/Simulink环境下，分别研究了开环和闭环并网三相拓扑在静态负载条件和辐照度变化情况下的性能。由于该拓扑在所有工作模式下均保持共模电压恒定，因此泄漏电流得到了抑制。通过使用单相硬件原型验证了所提拓扑在不同动态条件下的性能。

**引言**

目前，可再生能源作为传统能源的有效替代方案正日益兴起。太阳能光伏系统因资源丰富而易得，是最优选择，然而光伏系统无法直接与电网并网，需要多个变流器才能正常工作[1]、[2]、[3]。

近年来，通过消除冗余的DC-DC电压放大转换器，取得了重大进展[4]、[5]、[6]。这使得无需使用大型、笨重的变压器即可产生多种输入母线电压，从而降低了成本和损耗。然而，缺少变压器会导致由于源与负载之间缺乏电气隔离而产生泄漏电流问题，这会影响系统性能和电能质量，并危及安全[7]、[8]、[9]。文献[10]提出了一种用于三相并网应用的五级变流器架构，采用Scott-T变压器连接，由12个功率开关组成。该架构包含两级变换，需要额外变压器，且缺乏升压能力。

文献[11]针对光伏应用研究了单级五级变流器。虽然具有电压升压功能，但需要额外的元件，如电容器、电感器和二极管来提升输出电压，这导致单个开关承受较大的开关应力。文献[12]讨论了具有软充电特性的七级逆变器结构，由于其能控制脉冲充电电流，性能优于传统的基于开关电容器的多电平逆变器。文献[13]在电路中加入电感器以缓解输出冲击电流。文献[14]的拓扑具有共地特性，可最小化泄漏电流，并使用准软充电能力降低电容器的充电电流。然而，该拓扑使用了两个具有电压升压功能的电容器。文献[15]的拓扑采用五个开关、三个电容器和一个二极管，属于开关电容器（SC）型拓扑，虽具有电压升压功能，但缺乏软充电特性。文献[16]也具备升压功能，但元件数量较多，由九个开关和九个二极管组成。文献[17]在三相实现的每个桥臂中使用了六个开关和一个电容器，但由于不具备直流母线电压升压功能，不适合光伏并网应用。

文献[18]使用单个直流源配合七个开关构产生五级输出，电路中使用电感器来减小充电电流的浪涌或尖峰。由于每相元件数量较多，开关承受的总耐压也较高。文献[19]通过将电网中性点与光伏阵列的负端连接来减小泄漏电流，并使用标准PWM调制技术，虽然电路中使用三个电容器，但不具备电压升压功能。文献[20]描述了五级架构，但每个桥臂需要九个开关和两个电容器，具备电压升压能力，适用于光伏并网，但元件数量庞大且缺乏软充电特性，导致初始充电电流较高。文献[21]采用六个开关和单个二极管，具备双重升压功能，但在电容器充电时浪涌电流较大。文献[22]提出了基于悬浮电容器的五级逆变器拓扑，具备电压升压和软充电功能，元件数量相对较少但牺牲了效率。文献[23]减少了元件数量以及开关上的总耐压，但缺乏软充电能力。

鉴于以上各种不足，本文提出了一种具有多项突出优势的五级逆变器拓扑：

- 所提拓扑采用单级无变压器逆变器配置，适用于并网光伏应用，具有元件数量最少和双重升压能力的特点。
- 电路中加入电感器，软充电特性可减小电容器充电时的电流尖峰。控制系统无需传感器即可在运行过程中保持电容器电压平衡。
- 四个开关上的最大稳态电压为输入电压的两倍。加上二极管的峰值反向电压，开关总耐压为5.5标幺值。
- 采用三对互补开关，即（T1–T2）、（T3–T4）和（T5–T6），运行模式减少了驱动电路的需求。电容器充电时仅使用单个开关和二极管，进一步降低了损耗。
- 在所有工作模式下可保持恒定的共模电压（TCMV）值，即23Vdc，从而减小泄漏电流。
- 通过搭建小型开环单相硬件实验装置，在多种动态条件下对所提拓扑进行了验证。

本文分为八个章节：第1章介绍背景；第2章包括所提5L-SCDB-MLI拓扑设计、每相工作模式、TCMV分析和调制技术；第3章介绍参数计算和功率损耗计算；第4章呈现对比分析；第5章介绍使用所提逆变器拓扑进行并网光伏集成及其控制方法；第6章包括仿真结果与讨论；第7章描述硬件验证；第8章为结论部分。

**设计**

图1所示为所提三相5L-SCDB-MLI拓扑的电路原理图。每相由有限的元件组成，包括六个开关（T1至T6）、单个直流源（Vdc）、单个二极管（D）、单个小容量电感器（L）和一个电容器（C1）。悬浮电容器C1由Vdc充电。小容量电感器L有助于通过减小充电电流尖峰实现电容器的软充电。

**电容器参数计算**

图3(b)中的放大图清晰地展示了纹波电压（ΔVC1）。悬浮电容器（C1）以±Vdc电平整充电，以±2Vdc电平放电。其原理是电容器与输入源并联充电，与负载串联放电，因此电容器表现出平衡且对称的充放电周期。精细控制的放电使电压纹波（ΔVC1）保持在可接受范围内。

**对比分析**

表4对包括所提拓扑在内的多种五级逆变器设计进行了对比分析。考虑了开关数量、驱动电路、电容器、电感器和二极管等参数，计算了每级的元件总数。六个开关、三个驱动电路以及双重升压和软充电特性是所提拓扑的关键特点；而文献[10]、[11]、[16]、[18]、[20]、[23]提供的方案则拥有更多元件的配置。

**控制方法**

图7展示了使用所提逆变器拓扑的单级无变压器并网光伏集成方案及其控制框图。该方案包括3kW容量的光伏阵列、基于扰动观察法（P&O）的最大功率点跟踪（MPPT）控制器[28]、三相所提逆变器拓扑、控制器、耦合电感器以及三相电网电压Vrms=230V。

当滤波电阻非常小时，dq动态方程完全呈现感性特征。耦合项源于同步……

**所提逆变器的仿真结果**

所提逆变器拓扑在MATLAB/Simulink环境下通过三个不同场景进行了验证。

- **场景1：** 在此场景下，考虑单相开环情况。仿真参数如表6所示。测试在调制指数MI=0.82、开关频率5kHz和输入电压（Vdc=200V）条件下进行，如图8(a)所示。电容器电压（VC1）如图8(b)所示。悬浮电容器的软充电电流峰值为10A，且完全……

**硬件验证**

正在开发一个低功耗五级原型以验证仿真和分析结果。不同器件列于表7中，实验装置如图14所示。采用DSP TMS320F28379D作为控制器执行PD-LSPWM调制。DSP生成的栅极脉冲通过CD4048逻辑电路进行处理，以实现适当的开关协调和时序延迟，然后使用TLP250光耦栅极驱动器进行隔离和放大，以驱动……

**结论**

本文针对并网光伏应用提出了5L-SCDB-MLI逆变器拓扑，具备双重升压能力。设计包括六个开关、一个二极管、一个电容器、一个电感器和一个直流源。所提拓扑中新增的软充电特性降低了开关的额定值，因为只有两个开关需要承载全部负载电流。仿真效率达到98.4%，实验效率为98%。成本……

**CRediT作者贡献声明**

Vinayak Kumar：概念构思、方法论、软件、调查研究、正式分析、初稿撰写。Ruchi Agarwal：资源、可视化、监督指导。

**资助**

印度比哈尔邦巴特那科学与技术委员会（BCST）为本工作提供了资金支持。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Vinayak Kumar | Ruchi Agarwal

印度比哈尔邦巴特那国家理工学院（NITP）电气工程系，邮编800005