100KW光伏并网逆变器系统设计方案，功率密度设计

1. 设计需求分析

->功率等级：1500V100kW，适用于高功率组串式光伏并网逆变系统。

->输入电压范围：根据光伏组件的配置，通常在1000V-1500V DC之间。

->输出电压：额定输出230Vac，额频率50Hz，接入系统 3W+N+PE。

->并网要求：符合电网标准，具备低谐波失真(THD<5%)。

2. 拓扑结构选择

三电平Boost+I型逆变：

1500V光伏系统的直流母线电压(通常1000-1500V)较传统1000V系统显著提升，对前级BOOST拓扑提出更高要求;开关器件电压应力高，两电平BOOST中，开关管需承受接近母线电压的应力(如1500V系统需选耐压≥1700V的器件)，导致器件成本高、选型受限(仅能选高压MOSFET或IGBT)。

效率与功率密度矛盾，高压场景下，若采用两电平，需增大开关频率以降低电感体积，但高频会增加开关损耗;若降低频率，电感体积增大，功率密度下降。结合上述分析选用3电平BOOST拓扑，每个3电平BOOST做成20KW的MPPT模块，每台100KW的逆变器配备5个MPPT模块;这样可以兼顾成本控制、提高功率密度设计、降低维护难度。

1500V光伏系统后级选择I型三电平拓扑的核心原因是其通过降低器件电压应力、高频化设计、谐波优化及大功率适配性，解决了两电平拓扑在高电压场景下的效率、体积与可靠性瓶颈。

尽管三电平结构比两电平复杂，但其在大功率(≥100kW)、高电压(1500V)场景下的综合优势(效率提升0.8%-1.5%、体积减小30%-50%、THD降低30%以上)使其成为1500V光伏系统的主流后级逆变选择，尤其在大型地面电站和高效组串式逆变器中广泛应用。

3. 控制策略

->MPPT(最大功率点跟踪)：MPPT采用固定电压扰动法，实现太阳能最大功率跟踪;

->SVPWM调制：采用空间矢量控制SVPWM生成高质量的正弦波。

->锁相环(PLL)：实现与电网的同步，确保输出频率和相位与电网一致。

->DQ控制：利用坐标变换，将三相交流量变换成DQ变量，实现有功无功的精准控制。

4. BOOST实现最大功率跟踪MPPT

A ->固定电压扰动法

先给定电压Uref=Uo，然后计算光伏面板的功率P1;接着给定电压Uref=Uo+△U，然后计算光伏面板的功率P2;接着给定电压Uref=Uo-△U，然后计算光伏面板的功率P3;通过比较P1、P2、P3，找出最大的功率点，然后将给定值Uref=Upmax;如此反复循环最终就能找到了光伏面板的最大功率点;程序代码如下：

B ->三电平BOOST控制实现

为了简单化三电平BOOST的驱动，直接将BOOST上下管的驱动信号给成同一信号，使用PSIM仿真软件搭建MPPT系统，如下：

仿真波形如下：

5. 并网逆变实现

A->三相PLL锁相环算法实现

基于同步旋转坐标系的PLL(dq-PLL)，算法流程图如下：

dq-PLL算法如下：

使用PSIM仿真软件搭建基于同步旋转坐标系的PLL如下：

仿真波形：

B->逆变控制算法

逆变控制采用DQ坐标变换，将三相电压电流交流量变换成DQ直流量，然后对DQ直流量进行PI控制，最后将DQ控制的输出进行逆变换，生成三相SPWM;

C->驱动算法

逆变驱动算法使用空间矢量SVPWM控制，有够有效提高母线电压利用率，提高逆变整体效率;SVPWM实现代码如下：

D->逆变系统仿真

结合同步旋转坐标系的PLL(dq-PLL)、DQ坐标变换PI控制、驱动空间矢量SVPWM，使用PSIM仿真软件搭建逆变系统如下：

仿真波形可以看到逆变母线稳定在给定的1000V，PLL锁相准确跟踪电网，逆变并网电流稳定正常并网。

6. MPPT+I型三相逆变系统仿真

上面已经单独实现了三电平MPPT和I型逆变并网功能，只要将MPPT输出接到逆变系统的Vbus输入即可实现完整的100KW光伏并网逆变器;由于10路MPPT对电脑仿真内存要求太高，本仿真只搭建了两路的MPPT模块：

仿真波形：

7. 总结

本文先从1500V100KW光伏并网逆变器拓扑选择讲起，提出了三电平BOOST模块化设计，方便整个系统维护以及后续系统扩容升级;接着分析了三电平I型逆变拓扑在1500V系统的优势，进而对三相交流量进行坐标变换，通过dq-PLL锁相，然后进行DQ分离有功无功控制，最后将DQ输出量进行逆变换，将变换量进行SVPWM计算，生成SVPWM驱动，实现了整个100KW光伏并网逆变器的系统仿真。

内容出处：100KW光伏并网逆变器系统设计