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光伏发电技术
★ 5.0
一种用于光伏并网的高效直流母线利用与少器件五电平逆变器综合分析
A Comprehensive Analysis of Enhanced DC-Bus Utilization and Reduced Component Count Five-Level Inverter for PV-Grid Integration
| 作者 | Swapan Kumar Baksi · Ranjan Kumar Behera · Utkal Ranjan Muduli |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 五电平逆变器 开关电容设计 直流母线电压利用率 光伏应用 效率 |
语言:
中文摘要
摘要:几种五电平逆变器存在一些局限性,如直流母线电压利用率低和元件数量多等问题。本文介绍了一种采用开关电容设计的新型五电平逆变器,旨在通过最大限度地提高直流母线电压利用率,同时减少元件数量来解决这些问题。所提出的拓扑结构包含六个有源开关、两个二极管、一个浮动电容和一个单一直流电源,与传统设计相比,母线电压要求降低了50%。采用电平移相正弦脉冲宽度调制方法为所提出的逆变器生成开关脉冲。在理论分析之后,通过使用OPAL - RT 5700实时仿真器进行实时实现,验证了开关器件的实际行为。通过比较分析,在各种稳态和动态条件下对所提出的逆变器的优越性进行了测试,以证明其在单相开环和三相光伏(PV) - 电网集成条件下的有效性。所提出的逆变器的最大效率为97.75%,输出电压畸变率为26.61%,使其非常适合光伏应用。
English Abstract
Several five-level inverters have limitations, such as low DC-bus voltage utilization and a large number of components. This paper describes a new five-level inverter with a switched capacitor design that aims to address these issues by maximizing the utilization of the DC bus voltage while reducing the component count. The proposed topology includes six active switches, two diodes, a floating capacitor, and a single DC source, with a 50% reduction in bus voltage requirements compared to traditional designs. The level-shifted sine pulse width modulation is employed to produce the switching pulses for the proposed inverter. Following the theoretical analysis, the actual behavior of the switching devices is validated via real-time implementation with the OPALRT 5700 real-time emulator. The superiority of the proposed inverter is tested under various steady-state and dynamic conditions to demonstrate its effectiveness under single-phase open-loop and three-phase photovoltaic (PV)-grid integrated conditions using a comparative analysis. The proposed inverter has a maximum efficiency of 97.75% and output voltage distortion of 26.61%, making it ideal for PV applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的光伏并网逆变器业务视角来看,这项五电平逆变器技术呈现出明显的工程价值和应用潜力。该拓扑通过开关电容设计实现了50%的母线电压需求降低,这对于我们的组串式和集中式逆变器产品线具有重要意义——更低的电压应力意味着可以选用耐压等级更低的功率器件,直接降低系统成本并提升功率密度。
从技术成熟度评估,该方案采用六个有源开关、两个二极管和单个浮动电容的简化结构,相比传统多电平拓扑显著减少了元器件数量。这与阳光电源一贯追求的高可靠性、易维护性设计理念高度契合。97.75%的峰值效率虽然达到行业主流水平,但26.61%的电压畸变率明显偏高,这在我们的产品标准中(通常THD需低于3%)尚不能直接应用,需要进一步优化调制策略或增加滤波设计。
该技术在光伏并网场景的实际应用面临几个关键挑战:首先,浮动电容的电压平衡控制在复杂工况下的鲁棒性需要验证,特别是在光照快速变化和电网电压波动时;其次,论文采用的电平移位SPWM调制相对基础,我们需要评估是否可集成更先进的最优调制算法以降低谐波含量;第三,从单相到三相扩展时的拓扑对称性和控制复杂度需要深入研究。
对于阳光电源而言,该技术的核心价值在于为下一代高功率密度、低成本逆变器提供了新的设计思路,特别适合在分布式光伏和户用储能系统中探索应用。建议将其纳入预研项目,重点攻克电压质量优化和动态性能提升两大技术瓶颈。