前语
光伏(PV)技能可供给清洁、安全又牢靠的可再生动力，无活动部件，运转本钱低价，保护要求最低，零燃料本钱和长运用寿命(20年以上)。这一系列长处使得离网型光伏运用在技能上是可行的，经济上极具竞争力。光伏发电已被证明，能满意未来动力的一些社会需求，对错污染的发电方法。在印度现已装备 450,000个离网光伏体系(典型的35-100Wp容量);在发展中国家，比方尼泊尔(61%)大多数人口还未用上电，现在政府已优先对郊区、乡村推行电气化，而离网技能的光伏发电是最遍及选用的发电技能之一。
离网PV运用的典型比如之一，是在美国科罗拉多州的VanGeet离网型光伏基地的1kW PV阵列。此例中，延伸电力网1.5英里到达建筑物的造价估量为100,000美元，其间，包含带MPPT(最大功率点盯梢)操控器的非晶硅PV阵列，42.7kWh蓄电池组合4kW的逆变器，将这些与高能效的建筑规划组合一同，证明在经济上和环保上都是很成功的。
2010年全球航运的光伏运用已超越16GWp，结晶硅资料占该商场的87%。尽管现已报导世界级多晶硅电池功率高达20.3%，典型的可购产品多晶硅模块发布的功率仅为13.4%，但仍选定它作为这一研讨的根底。由于光伏阵列的发电要求由太阳能供给光子，故光伏阵列在夜间不发电，而在多云或部分阴天气候下宣布的电低于峰值功率，光伏阵列发电具有间断性。为确保离网光伏运用中的连续性，这些要素则要求蓄电池储能。
由光伏阵列输出的直流首先要经过逆变器变成沟通(DC-AC)，已发布的逆变器功率规模是85.8%-92.4%(最高功率)。但是，当运用多晶硅光伏阵列时，逆变器总的体系功率为10%左右，在这么低的转化功率下，与逆变器相关的损耗应降低到最小。
本文介绍了离网型光伏运用中开关频率低的13电平级联多电平逆变器。因太阳光伏阵列发生的电压低，一般要运用升压变压器或DC-DC升压改换器。以便取得230V的输出功率。关于DC-AC的改换，一般选用脉宽调制(PWM)逆变器，但由于对开关器材发生高的dv/dt应力、大的损耗、电磁搅扰(EMI)问题，以及较高的THD(总谐波失真)等，故现在正考虑选用多电平的逆变器。
一、光伏体系
整套离网光伏体系规划有6个PV阵列，每块阵列板有5个并联模块，每一模块含90块电池。MPPT为50-60V，输出功率135W。
1.13电平级联逆变器
图1所示为13电平级联逆变器的电路图。在此逆变器中，有6个串联衔接的H桥并以基波频率运转，与其它的多电平拓扑例如，二极管钳位、飞跨电容器、级联的H桥PWM以及级联的变压器PWM比较，新研发的逆变器有许多优越性。这些长处包含：低开关损耗、简略的开关技能和最少的元部件数。并且，这一结构方法像二极管钳位和飞跨电容器逆变器那样，在损耗最小的情况下，勿需先进的充电-平衡技能或杂乱的开关技能。
如图1所示，6个独立的光伏体系，别离与接到每一个H-桥的蓄电池并联，蓄电池储能的电压电平缓光伏体系应这样规划，要使得逆变器根本部件的输出电压等于230 V.。100μF电容器跨接在逆变器的输出端，其作业就像功率因数校对电路的电容器和滤波器相同。
为取得13电压电平，如图1所示串联衔接H-桥。表1和表2列出开关的方式。每一H-桥为3电平逆变器，并能依照开关状况发生输出电压+Vdc/6, o, -Vdc/6( Vdc为图2所示多电平电压输出的峰值)。为得到正的输出电压，开关S1、S2 、 S3、 S4、 S5 和S6 应接通，而S(_)1、S(_)2 、 S(_)3、 S(_)4、 S(_)5 和S(_)6断开;另一方面，要得到负的输出电压，S(_)1、S(_)2 、 S(_)3、 S(_)4、 S(_)5 和S(_)6 应接通，而S1、S2 、 S3、 S4、 S5 和S6 断开。在此逆变器中，为取得不同的电压等级，6个H-桥将以不同的推迟：β1、β2…β6 进行切换，如图2所示。为了以最小的THD优化基波电压重量，β1、β2…β6 别离挑选为5。 ，15。 ，25。 ，36。 ，49。 和67。 。
2.开关脉冲发生器
每一H-桥的开关脉冲发生器，由信号发生器和信号比较器组成。信号发生器发生增益=1的正弦调制信号，周期为T;而载波信号的梯形周期为6T(图3所示)。在信号比较器内，
调制信号和载波信号进行比较。以发生开关信号。图3给出在H-桥1发生正电压时开关1宣布的开关信号。如图3所示，当正弦调制信号大于载波信号时，信号发生器输出1;相反，则输出为0。在输出开关信号至S2 的情况下(H-桥2)，图3中载波信号的梯形则向右位移时刻Ts。这样，当桥1的载波信号为sin(β1 ), 桥2的载波信号则为
sin(β2 )。
如上所述，开关脉冲发生器在相应的推迟角(β1、β2…β6 )下接通和断开相关的H-桥，在其端子上发生+Vdc/6,0,或-Vdc/6的电压。假如桥1至桥6常常别离在推迟角β1、β2…β6 接通，接到桥1的储能用蓄电池输出最大的能量(其导通从β1 到π–β1 )时，而桥6输出能量则最小(其导通从β6 到π–β6 )。为防止这样，每桥的推迟角在每个周期内滚动，如桥1至桥6，以推迟角β1、β2…β6
在榜首电压周期内接通;在第二电压周期内它们则以推迟角β2、β3 …接通。依照这一方法，在第六周期后，从每一储能蓄电池漏泄的能量则持平。开关脉冲发生器是经过调制信号与6T周期梯形载波信号的比较到达这一点的，梯形载波信号如图3所示在sin(β1 )、 sin(β2) 、sin(β3) 、sin(β4 ) 、 sin(β5 ) 和sin(β6 )下具有6个显着不同的电压电平。
3.蓄电池的数学模型
本项研讨中，运用了1Ah锂电子电池组件作为贮能体系。假定蓄电池的内电阻不变，1Ah锂离子电池的动态模型现已推导出。蓄电池的容量不取决于电流的幅值，且蓄电池无
温度效应、回忆效应和自放电。研讨中运用该蓄电池模型是在充电状况(SOC)为仅有状况变数和净放电电流为输入变数的情况下。这一模型代表三种工业蓄 电池方法：Li离子、
NiCd(镍镉)、NiMH(镍氢化物)制造厂的曲线。在这一模型中，根据蓄电池实践SOC的蓄电池开路电压，用以下方程式描绘：
式中，Ebatt —内部电压(V);Eo—蓄电池电压常数(V);k—极化电压(V);SOC—充电状况(%);Q—蓄电池容量(Ah);A—指数区幅值(V);B—指数区时刻常数的倒数Ah-1;Vbatt —端电压(V);Ibatt —蓄电池电流(A);Rbatt —— 内电阻(Ω);参数A、B、K、E由制造厂的蓄电池放电曲线确认。
4.光伏(PV)模型
籍助PACAD/EMTDC软件给出的PV模型用于模仿研讨。这一模型由抱负的电流源、并联的二极管和串联的电阻器组成。该模型的输出电流取决于太阳的辐照度，电池的温度和端部的输出。模型的输出电流由下式给出：
式中，IA —输出电流(A);Isc —短路电流(A);取决于太阳的辐射和电池的温度;NS —串联的模块数;Np—并联的模块数;Io —二极管的饱和电流(A);V—端电压(V);n—二极管的抱负常数;VT —模块的端电压(V)。
模仿实验中选用的PV模块，有90个电池串联，其开路电压为75V，短路电流2.5A.图4所示为PV模块的V-I特性曲线。依照图中的曲线，最大功率点的电压在55-60V之间。
二、各种多电平逆变器拓扑的比较
1.元件数量的比较
表3列出了新研发13电平逆变器和其它多电平逆变器之间元件数量的比较。比照中挑选的拓扑结构包含:二极管钳位型、飞跨电容器型、根据PWM的级联H-桥型和根据PWM的级联变压器型。
图5(a)和(b)所示为3电平二极管钳位和飞跨电容器逆变器的结构。在比照中新研发的13电平逆变器，具有24个串联的绝缘栅双极晶体管(IGBT);根据PWM的级联H-桥改换器，具有图1所示相同的拓扑，但每个H-桥中的开关是运用PWM开关方式进行切换的，根据PWM的级联变压器型多电平逆变器则是需求4电平专用变压器的一个特别规划。
根据PWM的级联变压器型多电平逆变器，具有最少的开关数和独立直流电源数，但它需求装置一特别变压器。当与新研发逆变器二者输出相同的功率时，尽管其开关数最少，但流过这些开关的电流都比新逆变器的大。
与二极管钳位型或飞跨电容器型逆变器比较时，新研发逆变器具有较少的元件数，因它无需钳位二极管和平衡%&&&&&%器。并且，新研发逆变器在模块化电路装备和包装组件时很抱负。
2.开关损耗和变压器损耗的比较
实践上可操控的开关器材，如IGBT和MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)作为典型，都具有几纳秒(ns)的接通与断开的推迟。当接通和断开器材时，这些推迟会发生功率损耗。在逆变器中的开关损耗，与开关频率、负载电流和调制率成份额。当功率因数为1、输出恒功率10KW时，新研发逆变器其开关频率为50Hz，开关电流约为40A。如假定开关器材为FGH40N60SFD、500V、40A场阻断(field stop)结构的IGBT,则在上述的条件下开关的损耗约为0.99W。当其操作在功率因数为1时，新研发逆变器的12个开关是在零电流下接通和断开的。而在根据PWM的多电平逆变器内，相同条件下当开关频率为1KHz时，其开关损-耗约19.8W。
从表4看到，新研发逆变器在功率因数为1时，由于开关频率低，且不必变压器，故具有最高的频率。
变压器有其自身的损耗，例如线圈的电阻、磁滞和涡流，杂散损耗和机械损耗。为将光伏体系与电网连
