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一、...基于I型NPC三电平逆变器拓扑的单级式PCSMATLAB/Simulink仿真实现_百...

在电网系统中，电力负荷周期性变化，峰谷差大，为满足高峰负荷需求，电网公司需投资大量输配电设备，导致设备利用率低，整体负荷率下降。分布式发电和智能电网的大规模应用推动了储能技术的发展，储能系统可平抑可再生能源发电并网功率波动，缓解高峰负荷需求，起到“削峰填谷”作用，维持微电网功率平衡，改善电能质量，提高电网设备利用率，减少电网建设投资，降低运营成本。能量转换系统（PCS），即储能变流器，作为储能载体与电网的接口装置，起着能量双向交换的重要作用。

PCS电路拓扑分为单级式和双级式两种。单级式PCS仅含有一个双向DC/AC变流器，电路拓扑结构和控制简单，效率较高，但储能单元容量选择不够灵活，电池需要串并联成高压大电流电池组后，才能接入直流母线。

双级式PCS拓扑相对于单级式拓扑多了一个前级的双向DC/DC变流器。双级式电路拓扑结构直流侧接入电池电压范围较宽，电池组配置更加灵活，但由于多了一个双向DC/DC环节，结构和控制系统较复杂，系统效率降低。

不管是单级式PCS还是双级式PCS，都需要双向DC/AC变流器。双向DC/AC变流器可以采用两电平或三电平变流器拓扑结构。相比于两电平变流器，三电平变流器具有以下优点：

（1）桥臂上单个功率开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半，降低了器件耐压等级的要求，从技术和经济方面都是可实现的，同时避免了器件串联时的动态均压问题，保证了系统的稳定性和可靠性；

（2）在相同调制频率下，每个开关管的开关频率是两电平的一半，交流侧电流谐波含量低，直流电压纹波小，器件损耗和应力小，电磁干扰小，减小了旋转用电设备的振荡，提高了系统的性能。

下文展示了一个50kW双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，主电路原理如下图，双向DC/AC变流器采用I型二极管中点钳位(NeutralPointClamped，NPC)三电平逆变器，实现DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能。

三相电网电压3AC380V，频率50Hz，直流电压DC800V，储能变流器开关频率10kHz。AC/DC变换时负载功率50kW，DC/AC变换时并网功率P=50kW，Q=25kVar。

电压外环采用PI控制器，PQ控制时计算dq电流参考值。电流内环采用PI控制器，dq电流解耦，电网电压前馈。采用三电平SVPWM空间矢量调制。含中点电位平衡控制。含锁相环（基于单同步旋转坐标系的锁相环SRF-PLL）。控制算法框图如下图。

0-0.5s储能变流器工作在整流AC/DC模式，控制整流输出电压为DC800V，直流负载50kW，单位功率因数运行。0.5-1s储能变流器工作在逆变并网DC/AC模式，采用有功功率无功功率PQ控制，P为50kW，Q为25kVar。仿真结果如下。

二、...基于T型三电平逆变器拓扑的单级式PCSMATLAB/Simulink仿真实现_百...

电池储能系统在电力系统中扮演着关键角色，通过平抑有功功率波动，实现削峰填谷。储能变流器（PCS）作为电池与电网间能量转换的核心，确保系统稳定运行。PCS通过控制电池的充放电过程，满足电力系统对有功功率的需求，实现能量的高效存储与释放。

PCS的拓扑结构多种多样，包含单级式和两级式，以及两电平和三电平电路。两电平拓扑在中低压应用广泛，但高压领域受限于器件问题。三电平拓扑凭借其结构优势，尤其在直流母线电压较低的电力电子设备中表现出色，适用于高压场景。

近年来，T型三电平结构在电力电子设备中应用广泛，尤其在光伏、风电、储能等领域。与I型NPC三电平结构相比，T型三电平结构在功率器件使用、损耗及EMI控制方面更具优势，适用于直流母线电压较低的场景。

基于T型三电平逆变器的双向单级式PCS，通过MATLAB/Simulink实现仿真，展示了DC/AC逆变并网与AC/DC整流能量双向流动的功能。系统设计包括三相电网电压、频率、直流电压、储能变流器开关频率、负载功率等参数。电压外环与电流内环采用PI控制器，配合三电平SVPWM空间矢量调制与锁相环技术，确保系统稳定运行。

光伏发电系统篇：三电平并网逆变器实时仿真

在能源转型加速的当下，分布式能源接入电网需求大增。三电平并网逆变器凭借低谐波、高功率密度等优势，有效提升电能转换效率，于新能源并网发电中担当关键角色。

常见的三电平电路拓扑结构包括二极管钳位型、飞跨电容型、级联型以及T型等。其中，二极管钳位型三电平和T型三电平电路较为常用。本篇中我们基于EasyGo实时仿真器EGBoxMini，对三电平光伏并网逆变器进行仿真实验验证。通过与离线实验结果进行对比，可以看到EasyGo实时仿真平台PQ波形与离线一致。并且，在调节直流电压设定值后，波形能够实时跟随变化，并保持稳定。

实验说明，EasyGo实时仿真设备具备良好的仿真效果，在实际科研/教学中可以替代真实设备进行三电平并网逆变器的仿真模拟。实验再次验证了Easygo仿真平台的准确性与可靠性，可为企业/实验室提供高效、安全的测试平台。

近几年，T型三电平拓扑发展迅速。与中点钳位（NeutralPointClamped，NPC）型三电平逆变器相比，该拓扑无需钳位二极管，仅用12个功率开关器件，器件使用数量更少，有效解决了传统二极管中点钳位型拓扑器件过多、损耗分布不均等问题。

三相NPC三电平光伏并网系统主要包含光伏电池模块、最大功率跟踪控制、NPC逆变器及逆变控制、逆变器出口滤波以及交流电网等部分。并网逆变控制采用基于dq解耦的双闭环控制，控制框图如下：

系统的整体拓扑结构如图：

二、离线仿真搭建TNPC光伏并网逆变器离线模型如下所示。

光伏电池在标准情况（温度25℃，光照强度1000S/㎡）下，单块光伏电池开路电压44.2V，最大功率处电压35.2V，短路电流5.2A，最大功率处电流4.95A，光伏电池串联数为10，并联数为58，额定功率100kW。正常运行过程中，逆变器直流侧电压500V，交流电网电压380V。

并网逆变器运用基于直流电压外环与电网电流内环的双闭环控制策略。外环将逆变侧直流电压与给定直流电压对比，其误差经PI运算后，作为内环d轴电流环参考值id_ref，id_ref与d轴电流实际值id比较并经PI运算得到脉冲生成信号Ud；同时，电流环q轴参考值iq_ref与实际值iq比较且经PI运算得到脉冲生成信号Uq。

通常，为实现并网效率最大化，iq_ref设定为0。

运行模型，逆变器直流侧电压给定值为500V。为检验光伏整体控制效能，将光照强度依次设定为1000W/㎡、1200W/㎡、1000W/㎡、800W/㎡，于0.05s启动光伏DC/DC控制，0.1s启动VSC控制，仿真结果如图：

从波形可以看出：在0.1s，VSC控制启动后，Vdc在短时间被控制到设定值500V；在光照强度按设定值变化时，系统也能快速跟随变化，并维持稳定。

三、EasyGo实时仿真EGBoxMini产品系列是基于CPU+FPGA硬件架构设计的一体式紧凑型实时仿真产品，属于EGBox系列实时仿真器的入门级产品。其不同型号可完成硬件在环测试系统（HIL）或者快速控制原型系统（RCP）。

将控制模型和拓扑模型分别通过仿真上位机部署进两个实时仿真器（EGBoxMini），整体架构如下图所示：

实时运行波形如下所示：

可以观察到：当光伏前端设置温度为25℃，光照强度10000S/㎡，直流电压500V时，其PQ波形与离线一致。调节直流电压设定值后，波形也能实时地跟随变化，并保持稳定。

EasyGo实时仿真平台基于Matlab/Simulink的实现方式具有上手快、通用性强的特点，在完成端口配置的基础上可以实现免培训操作。上位机软件Desksim可通过在线调参功能对系统的功率电路部分进行实时调控，这里就不过多赘述。

三电平并网逆变器实时仿真就分享到这里了，欢迎感兴趣的工程师们咨询沟通。

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