太阳能光伏系统中自平衡电压17电平开关电容多电平逆变器拓扑的创新设计与实现

推荐：本研究针对传统多电平逆变器(MLI)组件数量多、电容电压不平衡等问题，提出了一种新型自平衡开关电容多电平逆变器(SCMLI)拓扑。通过结合功率开关器件和电容的充放电模式，采用平均电平恒定载波脉宽调制(PWM)技术，实现了高电压增益、低器件数和低总谐波失真(THD=2.3%)的17电平输出，为太阳能光伏(PV)系统提供了高效可靠的功率转换解决方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，可再生能源特别是太阳能光伏(PV)系统的应用日益广泛。然而，如何将光伏产生的直流电高效转换为适用于电网和负载的交流电，一直是电力电子领域的关键挑战。传统多电平逆变器(MLI)虽然能改善输出波形质量，但存在组件数量多、电容电压不平衡、总谐波失真(THD)高等问题，限制了其在光伏系统中的广泛应用。特别是在微电网等应用场景中，对逆变器的效率、可靠性和成本都提出了更高要求。

针对这些技术瓶颈，印度韦洛尔理工学院(Vellore Institute of Technology)电气工程学院的研究团队创新性地提出了一种自平衡电压17电平开关电容多电平逆变器(SCMLI)拓扑。该研究通过巧妙组合功率开关器件和电容的充放电模式，采用先进控制策略，实现了高性能的功率转换，相关成果发表在《Results in Engineering》期刊上。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先设计了基于模糊逻辑控制器(FLC)的最大功率点跟踪(MPPT)算法来优化光伏输出；其次开发了升压转换器将24V光伏电压提升至50V；然后创新性地构建了包含3个电容(5mF)和10个开关的SCMLI主电路；最后采用平均电平恒定载波SPWM(ALCM-SPWM)调制技术实现精确控制，开关频率为1.5kHz。实验验证了系统在100Ω-400Ω不同负载条件下的性能。

研究结果方面，"2. 提出的系统"部分详细阐述了拓扑设计：通过3个按1:2:4比例配置的电容和10个开关，仅需单一50V输入即可产生400V峰值的17电平输出。独特的开关序列实现了电容的自平衡充电。"3. 性能评估"显示该拓扑具有显著优势：总站立电压(TSV)仅为24V_DC(TSV_pu=3)，成本函数(CF)低至1.522-1.742，效率高达98.97%，THD仅2.3%。"4. 结果分析"部分的仿真和实验验证了系统在阻性(R)和阻感(RL)负载下的稳定性能，以及动态负载变化时的快速响应能力。

这项研究的重要意义在于：提出的SCMLI拓扑通过创新设计实现了组件数量的大幅减少(较同类拓扑减少30-50%)，同时保证了优异的性能指标。特别是自平衡电压特性消除了传统MLI需要额外平衡电路的缺点，简化了系统结构。2.79%的低THD使其可直接接入电网而无需大型滤波器，为太阳能光伏系统提供了高效、可靠且经济的功率转换解决方案。该技术有望推动可再生能源并网技术的进步，对实现碳中和目标具有重要应用价值。