摘 要

世界范围内的能源问题催发了广大学者对光伏发电的研究。本文以光伏发电为背景探究桥级联5电平光伏并网逆变电路，目前从市面上看，光伏并网逆变器多为2电平，3电平。这些低电平逆变器不可避免效率较低，输出谐波较多。因此本文采取5电平级联逆变方案，可以切实有效改善输出所得波形，降低谐波成分，提高并网质量，具有很好的应用前景。

本文着重对多电平运行原理进行了研究。通过对几种多电平逆变电路的比较选取了易于扩展、结构简单的级联型结构。在逆变电路调控策略方面，从众多PWM调制方法中选取载波移相SPWM进行实验，从原理层面分析其应用于级联光伏逆变器的优越性。逆变器的输出需要并入电网，于是提出了闭环电流控制方案，使得输出能够满足并网要求。本文在仿真平台开展了模拟实验，运行获得到理想的输出波形，分析了在不同调制比下输出电平数和谐波含量的变化，最后在实验室以直流电源代替光伏电池板完成了系统样机的硬件搭建。

本文突出了5电平输出的优点，重点研究了5电平的实现方案，通过仿真分析了调制比变化时输出波形电平数以及谐波含量的变化。对将来H桥级联5电平逆变器的广泛应用有所意义。

关键词：级联H桥；五电平输出；并网逆变器；载波移相SPWM调制

Abstract

The world's energy problems have inspired the majority of scholars to research on the photovoltaic power generation. In this thesis, the cascaded H-bridge five-level photovoltaic grid-connected inverter is studied with the background of photovoltaic power generation.From the market point of view, most photovoltaic grid-connected inverters are of 2-level or 3-level. These low-level inverters are inevitably inefficient and have more output harmonics. Therefore, this thesis adopts 5-level cascaded inverter scheme, which can effectively improve the output waveform, reduce the harmonic components, improve the quality of the grid, and have a good application prospect.

This thesis focuses on the multi-level operation principle of the study. Through the comparison of several multi - level inverter circuits, the cascaded structure is simple and easy to be extended. In the aspect of inverter control strategy, carrier phase shift SPWM is selected from many PWM modulation methods, and its superiority in cascaded photovoltaic inverter is analyzed from the principle level. The output of the inverter needs to be incorporated into the grid, so a closed-loop current control scheme is proposed, which makes the output meet the grid requirements. In this thesis, the simulation experiment is carried out on the simulation platform, and the ideal output waveform is obtained. The change of the output level and the harmonic content under different modulation ratio is analyzed. Finally, the system prototype is completed by replacing the PV panel with DC power supply.

In this thesis, the advantages of 5-level output are highlighted, and the realization scheme of 5-level is studied emphatically. The variation of output waveform level and harmonic content is analyzed by simulation,which is useful for the future application of H-bridge cascaded 5-level inverters.

Key Words：cascaded H-bridge；five-level output；grid-connected inverter；Carrier Phase Shift SPWM modulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 世界光伏发电研究现状 1

1.2.1 国外光伏发电发展现状 1

1.2.2 我国光伏发电发展现状 2

1.3 光伏发电系统概述 3

1.3.1 光伏发电系统分类 3

1.3.2 光伏并网逆变器 4

1.4 本文主要研究内容 4

第2章 H桥级联5电平逆变器 6

2.1 多电平逆变器种类 6

2.1.1 二极管钳位型 6

2.1.2 飞跨电容型 8

2.1.3 H桥级联型 9

2.2 桥级联5电平逆变原理 11

2.3 本章小结 13

第3章 级联5电平逆变器调节方法与并网控制 14

3.1 逆变器PWM调制策略 14

3.1.1 多电平逆变器调制策略分类 14

3.1.2 载波移相SPWM调制 15

3.2 逆变器并网控制 17

3.2.1 并网控制技术的比较与选择 17

3.2.2 基于SPWM的闭环电流控制 17

3.3 本章小结 19

第4章 MATLAB建模仿真与结果 20

4.1 逆变器仿真模型搭建 20

4.1.1 主电路模型搭建 20

4.1.2 控制模块搭建 21

4.1.3 并网逆变器整体仿真模型 23

4.2 五电平输出波形与分析 24

4.3 并网波形与分析 26

4.4 本章小结 28

第5章 级联H桥硬件电路与样机 29

5.1 功率主电路设计与实现 29

5.2 驱动电路设计与实现 29

5.3 系统样机整体设计与实现 30

5.4 本章小结 31

第6章 总结与展望 32

6.1 本文工作总结 32

6.2 后续工作及展望 32

参考文献 34

附录A：仿真模型 36

附录B：电路原理图 37

附录C：逆变器样机 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

无论在哪个时代或者哪个国家，能源都与国家稳定发展以及人民日常生活密切相关，能源对于促进社会经济发展和提高人民生活质量有着举足轻重的作用。从原始社会的钻木取火一直到近代以来各种化石能源的广泛使用，人们对于能源的使用水平也在不断提高。然而，跟随着能源需求增长的却是地球上所存储化石能源的越来越少，几近枯竭。现实情况不仅如此近代以来化石能源的使用也给地球生态环境造成了不可估量的破坏，面对这些问题，我们不得不考虑开采新型洁净能源如太阳能、风能、地热能，潮汐能等以便在一定程度上取代以往的化石能源。

在可再生能源中，太阳能散布广泛，每年地球接受到来自太阳的辐射能可高达其能量是世界能耗的数万倍[^[1]]，由此太阳能受到的关注也与日俱增，越来越多的学者和企业将目光投向太阳能。就目前来说，太阳能的主要利用途径是光伏发电。太阳散发的能量可以说是怎么用都用不完的，能够供给人类使用几十亿年；太阳能分布广泛，应用地域广阔，在农村、海岛以及偏远地区具有更高的利用价值；清洁无污染，比起火力或水力发电其没有物理上相互运动摩擦的部件，不会产生噪声，不容易损坏，维护管理相对简单[^[2]]。

随着电力电子技术的发展，作为光伏系统中核心部件的并网逆变器已经由传统的两电平三电平这些较低电平向着更高电平数发展。由于低电平逆变器控制方法简单的多，目前市面上仍然以三电平为主体销售应用，但对多电平的研究早已经从理论转战为实践，由于成本原因等，多电平的广泛应用还有待发展。多电平并网逆变器使得并网电能质量大幅提高，谐波含量显著降低，逆变器效率更高，开关器件承受应力更低^[[3]]。现代电力电子技术的应用为光伏发电系统的发展带来了一抹明亮的曙光，对其起到了很好的促进作用[^[4]]。

1.2 世界光伏发电研究现状

1.2.1 国外光伏发电发展现状

在能源和环境问题的双重压力下，世界各国都加大了对绿色可再生能源的研究力度和支持。自上世纪年代以来，很多发达国家都掀起了开发“屋顶光伏发电系统”的研究热潮。在屋顶上建设光伏系统不需要另外开辟一片土地，其是将光伏组件安装在已有的房屋顶上，这种安装方法很是迎合太阳光能量密度比较低的特性，且与大型光伏并网发电站相比，其灵活性和经济性也大大提高了。在1997年6月，“百万个太阳能屋顶计划”就由美国的前领导人克林顿确认，具体内容是到2010年光伏屋顶规划要有一百万套甚至更多成为现实,其他一些发达国家也有类似在屋顶上的光伏项目[^[5]]。在1997年12月，印度作为发展中国家也宣布将在2020年前建成五十万套“太阳能屋顶发电系统”。