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光伏发电技术 多电平 ★ 5.0

光伏供电的高性能共地开关电容逆变器,具有超宽输入电压范围和恒定有效值输出电压及电平数

Photovoltaic-Powered High-Performance Common-Ground Switched-Capacitor Inverter With Ultra-Wide Input Voltage Range and Constant RMS Output Voltage and Level Count

作者 Zihao Luo · Jia Yao · Yiyan Sang · Adrian Ioinovici
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年2月
技术分类 光伏发电技术
技术标签 多电平
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 开关电容多电平逆变器 可再生能源 输出波形 输入电压变化 控制方法
语言:

中文摘要

本文满足了可再生能源应用中开关电容多电平逆变器(SCMLI)的一项关键需求:无论光伏电池或其他绿色电池提供的电压有多大变化,都能提供相同的正弦输出波形。所提出的逆变器的创新之处在于其具备五种运行模式,增益范围为 4 至 12,且能保持输出波形的电平数恒定。它能够有效处理 30 至 90 V 的输入电压变化,同时产生稳定的 220 V<sub>rms</sub>输出。本文提出了一种新颖的结构以及一种新的控制方法,该方法可使逆变器在输入电压连续变化时,从一种运行模式平稳过渡到另一种运行模式。这是一种共地(CG)拓扑结构,具有持续非零输入电流的特点,这也是可再生能源应用中施加的另外两项约束条件。在共地开关电容多电平逆变器(CG - SCMLI)中,这种新型逆变器的成本函数最低。该原型由一串四个太阳能电池供电,能向电网提供 220 V<sub>rms</sub>的正弦波,即使在某些太阳能电池损坏的最恶劣情况下,输出也不受影响。

English Abstract

This article answers a critical requirement for switched-capacitor multilevel inverters SCMLI used in renewable energy applications: capability to provide the same sinusoidal output waveform regardless of big variations in the voltage provided by the photovoltaics or other green cells. The originality of the proposed inverter comes from its capacity of providing five operation regimes, offering gains from 4 to 12, and keeping constant the number of levels in the output waveform. It allows to efficiently handle an input voltage variation between 30 and 90 V while producing a stable 220 Vrms output. A novel structure is presented, as well as a new control approach allowing a smooth passage from an operation regime to another one for a continuous variation of the input voltage. It is a common-ground (CG) topology and features a permanent nonzero input current, which are other two constraints imposed in renewable energy. The new inverter presents the lowest cost function among the CG-SCMLIs. The prototype was supplied by a string of four solar cells and provided a 220V rms sinusoid at the grid, which was not affected even in the worst case when some solar cells broke down.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项开关电容多电平逆变器技术具有显著的应用价值,特别是在分布式光伏和户用储能系统领域。

该技术的核心创新在于实现了超宽输入电压范围(30-90V)下的恒定220V有效值输出,这直接解决了光伏系统面临的关键痛点。在实际应用中,光伏组件输出会因光照强度、温度变化和部分遮挡而大幅波动,传统逆变器往往需要配置复杂的MPPT和升压电路。该技术通过五种工作模式的平滑切换,在保持输出电平数恒定的同时提供4到12倍的增益范围,这种设计理念可显著简化我们的逆变器拓扑结构,降低系统成本。

共地拓扑和非零输入电流特性对阳光电源的产品开发具有实际意义。共地设计能够有效抑制漏电流,提升系统安全性,这在户用光伏系统中尤为重要;持续的非零输入电流则有利于提高MPPT效率和系统稳定性。论文中提到的"最低成本函数"表明该方案在元器件数量和控制复杂度上具有优势。

然而,技术应用仍面临挑战。开关电容拓扑的电容器选型和寿命管理需要深入研究,特别是在高功率应用场景下的损耗和热管理。五种工作模式的切换控制算法需要与我们现有的数字控制平台深度整合。此外,该技术在大功率工商业逆变器中的扩展性有待验证。

建议将此技术优先应用于我们的户用光伏逆变器和便携式储能产品线,作为差异化竞争的技术储备,同时开展电容器长期可靠性和多模式切换优化的研究工作。