T型三电平光伏并网逆变器设计方案

以下文章来源于Matlab科研社，作者Matlab科研社

摘要

光伏并网逆变器是将太阳能光伏电池产生的直流电转换为可并入电网的交流电的重要装置，其中逆变器的效率和输出性能直接影响光伏系统的整体性能。本文提出了一种基于T型三电平拓扑结构的光伏并网逆变器设计方案，该方案能够在降低开关损耗和谐波含量的同时，提高逆变器的效率和输出质量。实验验证了该逆变器的优越性能，适用于高效、稳定的光伏发电系统。

理论

T型三电平逆变器是一种介于传统两电平逆变器与三电平中点钳位（NPC）逆变器之间的拓扑结构，能够实现高效率、高功率密度的逆变器设计。

1. T型三电平拓扑结构

T型逆变器通过在中间桥臂增加辅助开关，能够将直流电压分为三个电平（+Vdc/2、0、-Vdc/2）。其结构简单且能够有效降低开关损耗和输出电压谐波。

2. PWM调制策略

本设计采用载波相移调制（PS-PWM）和空间矢量调制（SVPWM）相结合的方式，以减小谐波失真，提高输出波形质量。

3. 并网控制策略

为实现稳定的并网运行，设计了基于锁相环（PLL）的并网电流控制器，并引入电流前馈补偿以提高动态性能。具体控制策略包括：

直流侧电压控制：保持光伏电池输出的直流电压稳定。

交流电流控制：确保输出电流与电网电压同频同相。

4. 功率损耗分析

相较于传统两电平逆变器，T型三电平逆变器减少了开关频率下的电压尖峰，开关损耗理论上降低约30%，输出电流总谐波失真（THD）小于1.5%。

实验结果

实验通过搭建T型三电平光伏并网逆变器原型，对其输出性能和系统效率进行了测试。

1. 实验平台

直流电源：光伏模拟器（0-600V）

逆变器模块：IGBT功率模块（额定电压600V，电流30A）

控制器：TI TMS320F28379D DSP芯片

测试设备：示波器、功率分析仪

2. 实验数据

并网电压：220V（RMS）

并网电流总谐波失真（THD）：1.2%

整机效率：98.5%

开关损耗：相比传统两电平逆变器降低约25%

3. 波形展示

实验结果显示，逆变器输出电压和电流波形接近正弦波，且并网电流与电网电压保持高精度的同频同相。

4. 结果分析

实验验证了T型三电平光伏并网逆变器在高效率、低谐波失真方面的优越性能。通过优化PWM调制和并网控制策略，系统在不同工况下均表现出较高的稳定性和输出质量。

部分代码

% SVPWM 算法实现
clc; clear;

% 直流母线电压
Vdc =600;% 单位: V

% 电压矢量角度范围
theta =0:pi/100:2*pi;

% 矢量扇区判定
sector =floor(theta / (pi/3)) +1;

% 初始化调制波形
Vref =300;% 参考电压
V_alpha = Vref *cos(theta);% α轴分量
V_beta = Vref *sin(theta);% β轴分量

% 三相调制波形
T1 =zeros(1,length(theta));
T2 =zeros(1,length(theta));
T0 =zeros(1,length(theta));
Ta =zeros(1,length(theta));
Tb =zeros(1,length(theta));
Tc =zeros(1,length(theta));

fori=1:length(theta)
 % 确定参考矢量所在的扇区
 switchsector(i)
   case1
      T1(i) = V_alpha(i);
      T2(i) = V_beta(i);
   case2
      T1(i) = -V_beta(i);
      T2(i) = V_alpha(i) + V_beta(i);
   case3
      T1(i) = -V_alpha(i) - V_beta(i);
      T2(i) = -V_alpha(i);
   case4
      T1(i) = -V_alpha(i);
      T2(i) = -V_beta(i);
   case5
      T1(i) = V_beta(i);
      T2(i) = -V_alpha(i) - V_beta(i);
   case6
      T1(i) = V_alpha(i) + V_beta(i);
      T2(i) = V_beta(i);
 end
 
 % 零矢量时间计算
  T0(i) =1- (T1(i) + T2(i));
 
 % 三相调制信号生成
  Ta(i) = (T0(i)/2) + T1(i) + T2(i);
  Tb(i) = (T0(i)/2) + T2(i);
  Tc(i) = T0(i)/2;
end

% 绘制调制波形
figure;
plot(theta, Ta,'r', theta, Tb,'g', theta, Tc,'b');
title('SVPWM 调制信号');
xlabel('角度 (rad)');
ylabel('占空比');
legend('Phase A','Phase B','Phase C');
grid on;