100KW光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)設計方案，功率密度設計

1. 設計需求分析

->功率等級：1500V100kW，適用于高功率組串式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)。

->輸入電壓范圍：根據(jù)光伏組件的配置，通常在1000V-1500V DC之間。

->輸出電壓：額定輸出230Vac，額頻率50Hz，接入系統(tǒng) 3W+N+PE。

->并網(wǎng)要求：符合電網(wǎng)標準，具備低諧波失真(THD<5%)。

2. 拓撲結(jié)構(gòu)選擇

三電平Boost+I型逆變：

1500V光伏系統(tǒng)的直流母線電壓(通常1000-1500V)較傳統(tǒng)1000V系統(tǒng)顯著提升，對前級BOOST拓撲提出更高要求;開關器件電壓應力高，兩電平BOOST中，開關管需承受接近母線電壓的應力(如1500V系統(tǒng)需選耐壓≥1700V的器件)，導致器件成本高、選型受限(僅能選高壓MOSFET或IGBT)。

效率與功率密度矛盾，高壓場景下，若采用兩電平，需增大開關頻率以降低電感體積，但高頻會增加開關損耗;若降低頻率，電感體積增大，功率密度下降。結(jié)合上述分析選用3電平BOOST拓撲，每個3電平BOOST做成20KW的MPPT模塊，每臺100KW的逆變器配備5個MPPT模塊;這樣可以兼顧成本控制、提高功率密度設計、降低維護難度。

1500V光伏系統(tǒng)后級選擇I型三電平拓撲的核心原因是其通過降低器件電壓應力、高頻化設計、諧波優(yōu)化及大功率適配性，解決了兩電平拓撲在高電壓場景下的效率、體積與可靠性瓶頸。

盡管三電平結(jié)構(gòu)比兩電平復雜，但其在大功率(≥100kW)、高電壓(1500V)場景下的綜合優(yōu)勢(效率提升0.8%-1.5%、體積減小30%-50%、THD降低30%以上)使其成為1500V光伏系統(tǒng)的主流后級逆變選擇，尤其在大型地面電站和高效組串式逆變器中廣泛應用。

3. 控制策略

->MPPT(最大功率點跟蹤)：MPPT采用固定電壓擾動法，實現(xiàn)太陽能最大功率跟蹤;

->SVPWM調(diào)制：采用空間矢量控制SVPWM生成高質(zhì)量的正弦波。

->鎖相環(huán)(PLL)：實現(xiàn)與電網(wǎng)的同步，確保輸出頻率和相位與電網(wǎng)一致。

->DQ控制：利用坐標變換，將三相交流量變換成DQ變量，實現(xiàn)有功無功的精準控制。

4. BOOST實現(xiàn)最大功率跟蹤MPPT

A ->固定電壓擾動法

先給定電壓Uref=Uo，然后計算光伏面板的功率P1;接著給定電壓Uref=Uo+△U，然后計算光伏面板的功率P2;接著給定電壓Uref=Uo-△U，然后計算光伏面板的功率P3;通過比較P1、P2、P3，找出最大的功率點，然后將給定值Uref=Upmax;如此反復循環(huán)最終就能找到了光伏面板的最大功率點;程序代碼如下：

B ->三電平BOOST控制實現(xiàn)

為了簡單化三電平BOOST的驅(qū)動，直接將BOOST上下管的驅(qū)動信號給成同一信號，使用PSIM仿真軟件搭建MPPT系統(tǒng)，如下：

仿真波形如下：

5. 并網(wǎng)逆變實現(xiàn)

A->三相PLL鎖相環(huán)算法實現(xiàn)

基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的PLL(dq-PLL)，算法流程圖如下：

dq-PLL算法如下：

使用PSIM仿真軟件搭建基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的PLL如下：

仿真波形：

B->逆變控制算法

逆變控制采用DQ坐標變換，將三相電壓電流交流量變換成DQ直流量，然后對DQ直流量進行PI控制，最后將DQ控制的輸出進行逆變換，生成三相SPWM;

C->驅(qū)動算法

逆變驅(qū)動算法使用空間矢量SVPWM控制，有夠有效提高母線電壓利用率，提高逆變整體效率;SVPWM實現(xiàn)代碼如下：

D->逆變系統(tǒng)仿真

結(jié)合同步旋轉(zhuǎn)坐標系的PLL(dq-PLL)、DQ坐標變換PI控制、驅(qū)動空間矢量SVPWM，使用PSIM仿真軟件搭建逆變系統(tǒng)如下：

仿真波形可以看到逆變母線穩(wěn)定在給定的1000V，PLL鎖相準確跟蹤電網(wǎng)，逆變并網(wǎng)電流穩(wěn)定正常并網(wǎng)。

6. MPPT+I型三相逆變系統(tǒng)仿真

上面已經(jīng)單獨實現(xiàn)了三電平MPPT和I型逆變并網(wǎng)功能，只要將MPPT輸出接到逆變系統(tǒng)的Vbus輸入即可實現(xiàn)完整的100KW光伏并網(wǎng)逆變器;由于10路MPPT對電腦仿真內(nèi)存要求太高，本仿真只搭建了兩路的MPPT模塊：

仿真波形：

7. 總結(jié)

本文先從1500V100KW光伏并網(wǎng)逆變器拓撲選擇講起，提出了三電平BOOST模塊化設計，方便整個系統(tǒng)維護以及后續(xù)系統(tǒng)擴容升級;接著分析了三電平I型逆變拓撲在1500V系統(tǒng)的優(yōu)勢，進而對三相交流量進行坐標變換，通過dq-PLL鎖相，然后進行DQ分離有功無功控制，最后將DQ輸出量進行逆變換，將變換量進行SVPWM計算，生成SVPWM驅(qū)動，實現(xiàn)了整個100KW光伏并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)仿真。

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