摘 要

随着光伏并网系统迅速地工业化和商业化，提高其效率、增强光伏发电系统利用率变得愈发的重要，一种新型5电平级联逆变拓扑被提了出来。采用5电平拓扑的原因是对级联H桥逆变器的设计与实现有一定的应用价值。

本文首先介绍了级联转换器的特点，详细介绍了使用相移载波脉宽调制的级联H桥多电平转换器的工作。级联H桥多电平逆变器取代了替换传统系统中的装置，使得传统光伏发电（PV）系统得到质量优良的输出。而消除了大量的升压装置，安全性较高，短路的风险大大降低。因此已广泛应用于中、大功率应用。

然后介绍了相移载波PWM（Phase-Shifted-PWM，简称PS-PWM）。以及其具有的优点：较高的等效开关频率；存在不高次谐波相消的情况；谐波特性较好；控制方法较易。只要有五电平、七电平甚至更高电平的逆变拓扑的应用存在，移相载波PWM调制方法就有适用场合。

在深入分析设计的对象特点、其PSPWM策略后。再使用Matlab，建立PSPWM的级联逆变拓扑系统模型，仿真、分析波形输出。利用Altium Designer软件设计硬件电路，制作腐蚀电路板，搭建实验平台得到系统的硬件实现。

关键词：光伏发电；多电平逆变器；PSPWM；级联H桥；Altium Designer软件

Abstract

With the rapid penetration of PV grid-connected system in industrial and commercial application, it is critical to improve the efficiency and enhance the utilization of PV power generation system.

This thesis firstly describes the characteristics of cascaded converter and details the work of cascaded Hbridge multilevel converter which use phase shifted carriers pulse width modulation. Use cascaded H-bridge topology converter instead of ordinary inverter, we can get a photovoltaic power generation system which has a multilevel output voltage. The PV system can be highvoltage grid, thus eliminating a lot of step-up device. It enchance the safety and reduce the risk of the short circuit. So this topology has been widely used in medium and high power applications.

Then, Phase-Shifted-PWM (PS-PWM) was proposed. This strategy has the following advantages: Higher equivalent switching frequency; low-order harmonics be canceled; Harmonic characteristics are better; control Method is easier. In the mul-level cascade H-bridge inverter system, more would like to adopt the modulation methods above.

After the principle of H-bridge topology, and its PSPWM modulation strategy is analyzed, which provides the theoretical basis for the simulation of the later stage and the hardware and software design.According to the Mat-Simulink software, the cascade 5-level inverter system of PSPWM modulation is simulated, and the output of the oscilloscope is studied deeply. By using Altium Designer, we design the hardware circuit and make corroded circuit boards, then build the experimental platform to get the entire system of hardware.

Key Words：PV generation; Multilevel inverter; PSPWM; Cascaded; Altium Designer

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 光伏并网发电系统概况 1

1.3 逆变器拓扑的发展 2

1.4 多电平调制策略研究现状 4

1.5 选题研究内容 5

第2章 新型逆变拓扑原理及控制 6

2.1 级联型5电平H桥逆变器原理 6

2.1.1 单个H桥逆变器原理 6

2.1.2 级联型H桥逆变器拓扑结构 7

2.1.3 级联型H桥逆变器原理 8

2.2 级联型5电平H桥逆变器控制分析 9

2.3 本章小结 11

第3章 移相载波（PSPWM）及并网控制策略 12

3.1 传统调制方案 12

3.2 PSPWM调制原理 12

3.3 并网控制 14

3.4 本章小结 16

第4章 级联H桥逆变器的建模仿真 17

4.1 级联H桥逆变器及控制策略的建模 17

4.2 光伏逆变系统建模仿真 19

4.2.1 开环情况 19

4.2.2 闭环情况 20

4.2.3 采用直流源作为直流输入 21

4.3 本章小结 22

第5章 级联H桥逆变器实物装置设计与实现 23

5.1 功率开关器件及芯片的选型 23

5.2 光耦隔离以及外围电路的设计 24

5.3 级联型H桥逆变器的设计 25

5.4 实验平台调试 26

5.5 本章小结 26

第6章 结论 28

6.1 总结 28

6.2 展望 28

参考文献 29

附录A 32

附录B 33

附录C 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

我们知道煤、油气以及然气被称作为一次能源，并是经由时间的历练所形成。其中，影响我们社会最大的则是石油，一个使用迫近400亿桶/年的资源^[1]。为了减小对传统能源的依赖性，在过去的几十年内，不断在各式新型能源的开发利用上投入了大量的科研精力，其中最受瞩目的要数光伏发电（PV）了。为了提高光伏发电效率，具有高输出电压和低谐波失真特征的新型装置，可代替老式PV系统的设备被提了出来。其构成了崭新的光伏并网系统。本文所述的级联型装置，首先使用PV阵列作为独立直流源，也即独立用作逆变器件的直流侧，然后通过级联进行逆变器叠加，输出多电平高压的交波。然后可以直接进行高压电网。它可以缩小输入电流的THD，不致使影响电网的生态^[2]。

为了提高其控制性能，一些学者提出了许多很好的控制算法，如：SVPWM（空间矢量），PSPWM（载波移相），载波配置PWM等。目前，电平低于5级的，都不予考虑PSPWM方法。此外均用PSPWM控制。本文对采用多重独立的，并且各自相移一定角度的三角载波，再与正弦比较的策略的级联系统，探究了电路特色和开关策略。因此得到结论，可以直接进行高压电网，从而避免大量的升压链路。此外，该系统节省了大量成本，简化了系统结构。

1.2 光伏并网发电系统概况

现今因太阳能资源丰富，且对环境污染小，太阳能发电已成为当今世界发展最迅速的高新技术之一。

早期PV并网为单极（图1.1）。PV阵列经由逆变拓扑，无隔离地连电网。结构好设计、便宜是特色。这样的话，单极中逆变拓扑使命较多：MPPT、电流转换、按时并上网。致命伤是系统输出功率触底，设备笨重，难以级联^[5]。