用于离网型光伏发电中带储能的新颖多电平逆变器

前言

光伏(PV)技术可提供清洁、安全又可靠的可再生能源，无活动部件，运行成本低廉，维护要求最低，零燃料成本和长使用寿命(20年以上)。这一系列优点使得离网型光伏应用在技术上是可行的，经济上极具竞争力。光伏发电已被证实，能满足未来能源的一些社会需求，是非污染的发电方式。在印度已经配置 450,000个离网光伏系统(典型的35-100Wp容量);在发展中国家，比如尼泊尔(61%)大多数人口还未用上电，目前政府已优先对市郊、农村推广电气化，而离网技术的光伏发电是最普遍采用的发电技术之一。

离网PV应用的典型例子之一，是在美国科罗拉多州的VanGeet离网型光伏基地的1kW PV阵列。此例中，延长电力网1.5英里达到建筑物的造价估计为100,000美元，其中，包括带MPPT(最大功率点跟踪)控制器的非晶硅PV阵列，42.7kWh蓄电池组合4kW的逆变器，将这些与高能效的建筑设计组合一起，证明在经济上和环保上都是很成功的。

2010年全球航运的光伏应用已超过16GWp，结晶硅材料占该市场的87%。虽然已经报道世界级多晶硅电池效率高达20.3%，典型的可购商品多晶硅模块公布的效率仅为13.4%，但仍选定它作为这一研究的基础。由于光伏阵列的发电要求由太阳能提供光子，故光伏阵列在夜间不发电，而在多云或局部阴天气候下发出的电低于峰值功率，光伏阵列发电具有间断性。为保证离网光伏应用中的连续性，这些因素则要求蓄电池储能。

由光伏阵列输出的直流首先要通过逆变器变成交流(DC-AC)，已公布的逆变器效率范围是85.8%-92.4%(最高效率)。然而，当利用多晶硅光伏阵列时，逆变器总的系统效率为10%左右，在这么低的转换效率下，与逆变器相关的损耗应降低到最小。

本文介绍了离网型光伏应用中开关频率低的13电平级联多电平逆变器。因太阳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。以便获得230V的输出功率。对于DC-AC的变换，通常采用脉宽调制(PWM)逆变器，但因为对开关器件产生高的dv/dt应力、大的损耗、电磁干扰(EMI)问题，以及较高的THD(总谐波失真)等，故目前正考虑采用多电平的逆变器。

一、光伏系统

整套离网光伏系统设计有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。MPPT为50-60V，输出功率135W。

1.13电平级联逆变器

图1所示为13电平级联逆变器的电路图。在此逆变器中，有6个串联连接的H桥并以基波频率运行，与其它的多电平拓扑例如，二极管钳位、飞跨电容器、级联的H桥PWM以及级联的变压器PWM比较，新研制的逆变器有很多优越性。这些优点包括：低开关损耗、简单的开关技术和最少的元部件数。而且，这一结构形式像二极管钳位和飞跨电容器逆变器那样，在损耗最小的情况下，勿需先进的充电-平衡技术或复杂的开关技术。

如图1所示，6个独立的光伏系统，分别与接到每一个H-桥的蓄电池并联，蓄电池储能的电压电平和光伏系统应这样设计，要使得逆变器基本部件的输出电压等于230 V.。100μF电容器跨接在逆变器的输出端，其工作就像功率因数校正电路的电容器和滤波器一样。

为获得13电压电平，如图1所示串联连接H-桥。表1和表2列出开关的模式。每一H-桥为3电平逆变器，并能按照开关状态产生输出电压+Vdc/6, o, -Vdc/6( Vdc为图2所示多电平电压输出的峰值)。为得到正的输出电压，开关S1、S2 、 S3、 S4、 S5 和S6 应接通，而S(_)1、S(_)2 、 S(_)3、 S(_)4、 S(_)5 和S(_)6断开;另一方面，要得到负的输出电压，S(_)1、S(_)2 、 S(_)3、 S(_)4、 S(_)5 和S(_)6 应接通，而S1、S2 、 S3、 S4、 S5 和S6 断开。在此逆变器中，为获得不同的电压等级，6个H-桥将以不同的延迟：β1、β2…β6 进行切换，如图2所示。为了以最小的THD优化基波电压分量，β1、β2…β6 分别选择为5。 ，15。 ，25。 ，36。 ，49。 和67。 。

2.开关脉冲发生器

每一H-桥的开关脉冲发生器，由信号发生器和信号比较器组成。信号发生器产生增益=1的正弦调制信号，周期为T;而载波信号的梯形周期为6T(图3所示)。在信号比较器内，

调制信号和载波信号进行比较。以产生开关信号。图3给出在H-桥1产生正电压时开关1发出的开关信号。如图3所示，当正弦调制信号大于载波信号时，信号发生器输出1;相反，则输出为0。在输出开关信号至S2 的情况下(H-桥2)，图3中载波信号的梯形则向右位移时间Ts。这样，当桥1的载波信号为sin(β1 ), 桥2的载波信号则为

sin(β2 )。

如上所述，开关脉冲发生器在相应的延迟角(β1、β2…β6 )下接通和断开相关的H-桥，在其端子上产生+Vdc/6,0,或-Vdc/6的电压。如果桥1至桥6经常分别在延迟