用于太阳能光伏应用的共地升压紧凑型多电平逆变器拓扑研究

《IEEE Access》：Common-Ground Boosting Compact Multilevel Inverter Topology for Solar PV Applications

本刊编辑推荐：为解决无变压器多电平逆变器(MLI)在光伏(PV)系统中存在的共模电压(CMV)、漏电流和复杂结构等问题，研究人员提出了一种新型升压共地型多电平逆变器(BCGMLI)。该拓扑仅需9个功率开关、2个二极管和3个电容即可实现9电平两倍压输出，通过共地特性消除漏电流，并具备自平衡电容电压能力。仿真和实验验证表明，该结构在调制指数突变、负载扰动等动态条件下均能稳定运行，效率达97.74%，为中型光伏应用提供了高效可靠的解决方案。

　　

随着清洁能源需求的日益增长，太阳能光伏系统正成为电力领域的重要组成部分。然而，如何高效地将光伏产生的直流电转换为符合电网要求的交流电，一直是研究人员面临的挑战。传统的逆变器技术虽然成熟，但在实际应用中仍存在诸多问题，特别是无变压器多电平逆变器(MLI)虽然消除了笨重的变压器，提高了功率转换效率，却因缺乏光伏源与电网之间的适当隔离，导致高频共模电压(CMV)问题，进而引发较高的漏电流。中点钳位(NPC)型逆变器拓扑虽能有效抑制高频CMV，但在电压增益和电平数方面存在局限。因此，开发兼具电压提升能力和漏电流抑制效果的新型逆变器拓扑成为当前研究的热点。

在这一背景下，潘达等人提出了一种创新的升压共地型多电平逆变器(BCGMLI)拓扑，该研究成果发表在《IEEE Access》期刊上。这种新型拓扑仅需单个直流源即可产生9电平输出，通过巧妙的电路设计实现了两倍电压增益，同时有效解决了漏电流问题。其独特的共地(Common-Ground)特性将负载/电网中性点战略性地连接到直流源的负端，短路了寄生路径，从而消除了漏电流问题。

研究人员为开展此项研究主要采用了以下关键技术方法：首先设计了基于开关电容(SC)的九电平逆变器主电路拓扑，仅使用九个功率开关、两个二极管和三个电容；其次开发了闭环控制策略，包括最大功率点跟踪(MPPT)控制和相位锁定环(PLL)同步技术，采用电平移位(LS)高频三角载波与参考信号比较的脉宽调制(PWM)方法；然后通过MATLAB/Simulink平台进行系统仿真验证；最后搭建实验原型进行实测验证，使用20N60 MOSFETs和MUR1560二极管作为功率器件，TMS28335控制器生成开关脉冲。

II. 提出的9L BCGMLI拓扑

A. 电路描述

提出的九电平逆变器结构包含九个功率开关(S₁-S₉)、两个二极管(D₁和D₂)以及三个开关电容(C₁-C₃)。通过将负载/电网中性点连接到直流源负端，实现了共地特性，有效消除了漏电流。电容C₁-C₃分别保持自电压平衡于V_in、V_in和0.5V_in。该逆变器能够产生从+2V_in到-2V_in的九电平输出，电压增量为±0.5V_in。

B. 提出的9电平逆变器的工作模式

通过分析不同开关状态组合，该逆变器可产生九种电平输出。在±2V_in电平下，开关S₁、S₅、S₆和S₉导通时产生+2V_in输出，同时电容C₁放电；而在负半周期，开关S₂、S₄、S₇和S₉导通产生-2V_in输出。类似地，通过不同的开关组合，可以产生±1.5V_in、±1V_in和±0.5V_in等电平，每种模式都有特定的电容充放电路径。

C. 控制策略

控制系统采用双环结构，外环为电压控制环，内环为电流控制环。最大功率点跟踪(MPPT)控制采用扰动观察法，通过调节电压控制器的V_in参考信号来优化光伏阵列的功率提取。相位锁定环(PLL)用于电网同步，生成角度ωt，实现观测变量的dq坐标系转换。PWM调制通过比较参考信号与高频三角载波产生开关信号。

III. 无源元件设计、开关应力和损耗分析

A. 开关电容分析

电容在开关表定义的时间间隔内充放电。为计算电容值，需要确定最长放电时间(LDT)，该时间与基波周期(T)和调制指数(m)相关。对于峰值负载电流为I₀、阻抗角为φ的感性负载，瞬时负载电流可表示为i₀=I₀sin(ωt-φ)。

B. 电容设计

电容C₁的设计基于其在+2、+1.5和-2电平期间的放电模式，最长放电时间从t₂到t₅。类似地，电容C₂在-1、-1.5和-2电平期间放电，而电容C₃的能量平衡分析显示其电压稳定在V_in/2。通过数学推导，得出了各电容的最优容值计算公式。

C. 电网侧滤波器设计

采用LCL滤波器以满足IEEE谐波限制要求。谐振频率计算公式为ω²_reso=(L_i+L_g)/(L_iL_gC_g)。通过选择合适的电感比μ=1，计算出最小滤波器电感L_Tmin和最大滤波器电感L_Tmax，进而确定滤波器参数。为抑制谐振，在滤波电容Cf前串联小电阻r_d进行被动阻尼。

D. 功率损耗分析

1) 导通损耗分析：

考虑开关、二极管和电容的寄生电阻造成的欧姆损耗。通过等效电路分析，计算各电平下的瞬时负载电流I_L和电容充电电流(I_C1、I_C2、I_C3)，进而得出各模式的平均导通损耗。

2) 电容电压纹波损耗分析：

纹波损耗由电容电压波动引起，单个电容的能耗损失为E_ripple=0.5C_nΔV²_cn。在一个基波周期内，电容C₁和C₂充电两次，C₃充电一次，总纹波损耗为各电容损耗之和。

3) 开关损耗分析：

开关损耗源于开关状态转换期间电压和电流的重叠。通过计算每个开关每周期的开关转换次数，可以评估总开关损耗。

E. 开关电压和电流应力

所有开关和二极管承受的电压和电流应力已详细分析。开关S₆、S₇、S₈和S₉仅承载负载/电网电流，应力最小。其他开关的电流应力取决于电容充电路径。总站立电压(TSV)为10V_in。

IV. 比较分析

与现有九电平逆变器拓扑的对比表明，提出的BCGMLI在组件数量、电压增益和漏电流抑制方面具有明显优势。它仅需九个开关即可实现两倍压输出，且完全消除了漏电流。与其他SC-MLI和NPC型拓扑相比，提出的拓扑在保持高效率的同时，显著降低了组件数量和系统复杂度。

V. 仿真和实验结果

仿真结果表明，在稳态条件下，逆变器输出电压呈现清晰的九电平特征，电网电压和电流均为正弦波。动态测试显示，该拓扑在调制指数变化、输入电压突变、负载扰动以及功率因数变化等条件下均能稳定运行。光伏并网测试验证了其在实时光伏应用中的适用性，能够有效跟踪最大功率点，并在辐照度变化时保持稳定运行。

实验验证采用1kW容量原型，输入直流电压100V，开关频率5kHz。稳态测试显示，逆变器输出电压峰值接近200V，电网电压和电流有效值分别为110V和1.95A。动态测试证实了该拓扑在功率因数变化、电网电流阶跃和源电压变化条件下的鲁棒性。电容电压自平衡能力得到验证，漏电流测量结果可忽略不计。

热分析和可靠性评估表明，提出的BCGMLI在功率损耗和可靠性方面优于同类拓扑。二极管D₁和开关S₅承受最大的热应力。基于马尔可夫链的可靠性分析显示，该拓扑具有更高的可靠性。效率曲线显示，其加权效率达到97.74%，适用于中型光伏应用。

VI. 结论

该研究提出了一种具有双倍升压能力、共地特性和最优组件数量的新型多电平逆变器拓扑，相较于传统结构有显著改进。通过将开关数量减少至九个并在逆变器内部集成升压机制，该拓扑简化了系统设计，提高了功率密度，降低了总体成本。共地配置解决了安全问题并消除了漏电流，使其特别适用于接地光伏系统和电池储能应用。优化的开关策略确保了平滑的电压转换、最小的总谐波失真(THD<5%)和高效率(97.74%)。仿真和实验结果证实了该设计的优越性能，展示了其在各种可再生能源集成系统中的可扩展潜力。该逆变器拓扑在功率损耗、可靠性和效率方面代表了有前景的技术进步。