北京
A Step-Up 25-Level Inverter Topology for Photovoltaic Systems
Fatemeh Esmaeili1,2; Hamid Reza Koofigar*1; Frede Blaabjerg2
1.University of Isfahan, Isfahan, Iran
2.Aalborg University, Aalborg, Denmark
F. Esmaeili, H. R. Koofigar and F. Blaabjerg, "A Step-Up 25-Level Inverter Topology for Photovoltaic Systems," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 1, pp. 64-76, March 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00004.
摘 要
將可再生能源集成到電力系統(tǒng)中需要高效的多電平逆變器，能夠產(chǎn)生具有低總諧波失真（THD）的高質(zhì)量輸出電壓。傳統(tǒng)的多電平逆變器往往存在元件數(shù)量多、開(kāi)關(guān)應(yīng)力大、電壓增益低、成本增加等問(wèn)題，限制了其實(shí)際應(yīng)用。本文介紹了一種用于多電平逆變器的高增益新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了每電平計(jì)數(shù)的總元件數(shù)量，降低了功率傳導(dǎo)器件的電壓應(yīng)力，并最小化了成本函數(shù)，該成本函數(shù)取決于元件數(shù)量、開(kāi)關(guān)和二極管上的駐壓、輸出電壓電平和增益。所設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可應(yīng)用于光伏（PV）系統(tǒng)，僅利用一個(gè)直流（DC）輸入電源和具有電容器電壓自平衡能力的模塊化結(jié)構(gòu)。所提出的拓?fù)涞母咴鲆嫣匦院偷蚑HD是提供正弦輸出波形的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不需要高直流輸入電壓源。此外，還提出了由級(jí)聯(lián)基本單元組成的廣義拓?fù)?。提出了一種確定這種配置中直流電源值的綜合方法，旨在最小化冗余開(kāi)關(guān)模式并最大化電壓電平計(jì)數(shù)。與其他一些多電平逆變器的比較證實(shí)了給定逆變器的基本版本的預(yù)期性能。還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原型，并獲得了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證所提出的25級(jí)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)。
Abstract
Integration of renewable energy sources into power systems requires efficient multilevel inverters, capable of producing high-quality output voltage with low total harmonic distortion (THD). Conventional multilevel inverters often suffer from high component count, high switching stress, low voltage gain, and increased cost, limiting their practical application. This paper introduces a high-gain novel topology for multilevel inverters with reduced number of total components per level count, low voltage stress on power conductive devices, and minimizing a cost function, which depends on the number of components, standing voltage on switches and diodes, output voltage levels, and gain. The designed topology, which can be applied in photovoltaic (PV) systems, utilizes only one direct current (DC) input supply and a modular structure with the ability of capacitor's voltage self-balancing. The high gain property and low THD of the proposed topology are two advantages that provide sine output waveform, with no need to a high DC input voltage source. Moreover, generalized topology, consisting of cascaded basic units, has been proposed. A comprehensive method has been proposed to determining the values of DC supplies in this configuration, aiming to minimize redundant switching modes and maximize the voltage levels count. The comparison with some other multilevel inverters confirms the desired performance of the basic version given inverter. A prototype has been also implemented and the experimental results have been obtained to verify the advantages of the proposed 25-level topology.
25-電平逆變器的電路圖
作者信息
Fatemeh Esmaeili，2020年獲得伊朗大不里士科技大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，2022年獲得伊朗伊斯法罕伊斯法罕大學(xué)碩士學(xué)位，目前正在攻讀電氣工程博士學(xué)位。自2025年5月以來(lái)，她一直是丹麥奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)系的訪問(wèn)研究員。她的研究興趣包括電力電子、多電平電壓源逆變器、開(kāi)關(guān)電容器轉(zhuǎn)換器、電力電子轉(zhuǎn)換器的魯棒和非線性控制器以及可再生能源系統(tǒng)。2020年，她獲得了伊朗電力電子學(xué)會(huì)頒發(fā)的最佳理學(xué)士學(xué)位論文獎(jiǎng)。
Hamid Reza Koofigar，分別于2003年、2005年和2009年獲得伊朗伊斯法罕理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位、控制工程碩士學(xué)位和電氣工程博士學(xué)位。自2010年2月以來(lái)，他一直在伊斯法罕大學(xué)工作，目前擔(dān)任電氣工程系副教授。他于2018年5月至2018年10月和2019年7月至2019年9月在德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）電氣與計(jì)算機(jī)工程系擔(dān)任訪問(wèn)研究員。此外，他于2025年2月至2025年9月?lián)螙|京工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)與控制工程系的訪問(wèn)研究員。他目前的研究興趣包括魯棒控制、大規(guī)模系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)。他于2012年獲得日本SICE國(guó)際獎(jiǎng)學(xué)金，并于2019年獲得德國(guó)巴伐利亞州科學(xué)、研究和藝術(shù)部的研究獎(jiǎng)學(xué)金。他也是TUM高級(jí)研究所的榮譽(yù)院士。
Frede Blaabjerg，1987年至1988年，在丹麥蘭德斯的ABB Scandia工作。1988年至1992年，他于1995年獲得奧爾堡大學(xué)電氣工程博士學(xué)位。他于1992年成為AAU Energy的助理教授，1996年成為副教授，1998年成為電力電子和驅(qū)動(dòng)器的正教授。從2017年開(kāi)始，他成為Villum研究員。他于2017年在羅馬尼亞蒂米什瓦拉理工大學(xué)（UPT）、2018年在愛(ài)沙尼亞塔林技術(shù)大學(xué)（TTU）獲得榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位，并于2025年在意大利帕爾馬大學(xué)獲得榮譽(yù)教授學(xué)位。他目前的研究興趣包括電力電子及其在風(fēng)力渦輪機(jī)、光伏系統(tǒng)、可靠性、power-2-X、電能質(zhì)量和可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域的應(yīng)用。他獲得了49項(xiàng)IEEE獎(jiǎng)?wù)撐莫?jiǎng)（其中一項(xiàng)在IEEE電力電子翻譯中被確認(rèn)為時(shí)間論文-doi:10.1109/TPEL.2004.833453），2009年IEEE PELS杰出服務(wù)獎(jiǎng)，2010年EPE-PEMC委員會(huì)獎(jiǎng)，2014年IEEE William E.Newell電力電子獎(jiǎng)，2014年度Villum Kann Rasmussen研究獎(jiǎng)，2019年全球能源獎(jiǎng)和2020年IEEE愛(ài)迪生獎(jiǎng)?wù)隆?023年，他獲得了日立能源獎(jiǎng)，2021年獲得了EAWE科學(xué)獎(jiǎng)，2020年獲得了EPE杰出成就獎(jiǎng)。他曾擔(dān)任丹麥技術(shù)科學(xué)院副院長(zhǎng)。從2020年起，他一直是丹麥皇家科學(xué)與文學(xué)學(xué)院的成員。自2020年以來(lái)，他一直擔(dān)任丹麥研究與創(chuàng)新政策委員會(huì)主席。
《中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電機(jī)與系統(tǒng)學(xué)報(bào)（英文）》(CES TEMS)是中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)和中國(guó)科學(xué)院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學(xué)會(huì)技術(shù)支持的英文學(xué)術(shù)期刊。期刊發(fā)表國(guó)內(nèi)外有關(guān)高性能電機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電力電子、可再生能源系統(tǒng)、電氣化交通等研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域中原創(chuàng)、前沿學(xué)術(shù)論文。中國(guó)工程院院士馬偉明擔(dān)任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國(guó)際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普等數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。
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