用于离网型光伏发电中带储能的新颖多电平逆变器

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经常分别在延迟角β1、β2…β6 接通，接到桥1的储能用蓄电池输出最大的能量(其导通从β1 到π–β1 )时，而桥6输出能量则最小(其导通从β6 到π–β6 )。为避免这样，每桥的延迟角在每个周期内转动，如桥1至桥6，以延迟角β1、β2…β6

在第一电压周期内接通;在第二电压周期内它们则以延迟角β2、β3 …接通。按照这一方式，在第六周期后，从每一储能蓄电池漏泄的能量则相等。开关脉冲发生器是通过调制信号与6T周期梯形载波信号的比较达到这一点的，梯形载波信号如图3所示在sin(β1 )、 sin(β2) 、sin(β3) 、sin(β4 ) 、 sin(β5 ) 和sin(β6 )下具有6个明显不同的电压电平。

3.蓄电池的数学模型

本项研究中，利用了1Ah锂电子电池组件作为贮能系统。假定蓄电池的内电阻不变，1Ah锂离子电池的动态模型已经推导出。蓄电池的容量不取决于电流的幅值，且蓄电池无

温度效应、记忆效应和自放电。研究中利用该蓄电池模型是在充电状态(SOC)为唯一状态变数和净放电电流为输入变数的情况下。这一模型代表三种工业蓄 电池形式：Li离子、

NiCd(镍镉)、NiMH(镍氢化物)制造厂的曲线。在这一模型中，基于蓄电池实际SOC的蓄电池开路电压，用以下方程式描述：

式中，Ebatt —内部电压(V);Eo—蓄电池电压常数(V);k—极化电压(V);SOC—充电状态(%);Q—蓄电池容量(Ah);A—指数区幅值(V);B—指数区时间常数的倒数Ah-1;Vbatt —端电压(V);Ibatt —蓄电池电流(A);Rbatt —— 内电阻(Ω);参数A、B、K、E由制造厂的蓄电池放电曲线确定。

4.光伏(PV)模型

籍助PACAD/EMTDC软件给出的PV模型用于模拟研究。这一模型由理想的电流源、并联的二极管和串联的电阻器组成。该模型的输出电流取决于太阳的辐照度，电池的温度和端部的输出。模型的输出电流由下式给出：

式中，IA —输出电流(A);Isc —短路电流(A);取决于太阳的辐射和电池的温度;NS —串联的模块数;Np—并联的模块数;Io —二极管的饱和电流(A);V—端电压(V);n—二极管的理想常数;VT —模块的端电压(V)。

模拟试验中采用的PV模块，有90个电池串联，其开路电压为75V，短路电流2.5A.图4所示为PV模块的V-I特性曲线。按照图中的曲线，最大功率点的电压在55-60V之间。

二、各种多电平逆变器拓扑的比较

1.元件数量的比较

表3列出了新研制13电平逆变器和其它多电平逆变器之间元件数量的比较。对比中选择的拓扑结构包括:二极管钳位型、飞跨电容器型、基于PWM的级联H-桥型和基于PWM的级联变压器型。

图5(a)和(b)所示为3电平二极管钳位和飞跨电容器逆变器的结构。在对比中新研制的13电平逆变器，具有24个串联的绝缘栅双极晶体管(IGBT);基于PWM的级联H-桥变换器，具有图1所示相同的拓扑，但每个H-桥中的开关是利用PWM开关模式进行切换的，基于PWM的级联变压器型多电平逆变器则是需要4电平专用变压器的一个特殊设计。

基于PWM的级联变压器型多电平逆变器，具有最少的开关数和独立直流电源数，但它需要安装一特殊变压器。当与新研制逆变器二者输出相同的功率时，虽然其开关数最少，但流过这些开关的电流都比新逆变器的大。

与二极管钳位型或飞跨电容器型逆变器比较时，新研制逆变器具有较少的元件数，因它无需钳位二极管和平衡电容器。而且，新研制逆变器在模块化电路配置和包装组件时很理想。

2.开关损耗和变压器损耗的比较

实际上可控制的开关器件，如IGBT和MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)作为典型，都具有几纳秒(ns)的接通与断开的延迟。当接通和断开器件时，这些延迟会产生功率损耗。在逆变器中的开关损耗，与开关频率、负载电流和调制率成比例。当功率因数为1、输出恒功率10KW时，新研制逆变器其开关频率为50Hz，开关电流约为40A。如假定开关器件为FGH40N60SFD、500V、40A场阻断(field stop)结构的IGBT,则在上述的条件下开关的损耗约为0.99W。当其操作在功率因数为1时，新研制逆变器的12个开关是在零电流下接通和断开的。而在基于PWM的多电平逆变器内，相同条件下当开关频率为1KHz时，其开关损-耗约19.8W。

从表4看到，新研制逆变器在功率因数为1时，因为开关频率低，且不用变压器，故具有最高的频率。

变压器有其本身的损耗，例如线圈的电阻、磁滞和涡流，杂散损耗和机械损耗。为将光伏系统与电网连

接，一个PWM逆变器需要约 12KVA的变压器。12kVA变压器的效率，在额定条件下输出纯正弦电流时为98%。在额定工况的涡流损耗假