【单相单级并网逆变器】模拟了一个具有最大功率点追踪（MPPT）功能的单相单级脉宽调制（PWM）光伏逆变器，并且支持并网运行附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

随着光伏发电技术的快速发展，单相单级并网逆变器因结构紧凑、效率高的特点，在分布式光伏系统中得到广泛应用。本文针对具有最大功率点追踪（MPPT）功能的单相单级脉宽调制（PWM）光伏逆变器展开研究，设计了包含光伏阵列、DC-DC boost 电路与 DC-AC 逆变电路的单级拓扑结构，采用扰动观察法（P&O）实现 MPPT 控制，通过电网电压定向的电流内环与电压外环双闭环控制策略实现单位功率因数并网。仿真结果表明，该逆变器在光照强度与温度变化时，MPPT 响应时间小于 0.5s，最大功率追踪精度达 99.2%，并网电流总谐波畸变率（THD）低于 3%，满足 IEEE 1547 标准要求。研究成果为单相光伏并网系统的优化设计提供了理论与技术参考。

关键词：单相单级逆变器；最大功率点追踪；脉宽调制；并网运行；双闭环控制

一、引言

（一）研究背景与意义

在全球能源转型与 “双碳” 目标推动下，光伏发电作为清洁可再生能源的重要形式，装机容量持续增长。分布式光伏系统中，逆变器作为光伏阵列与电网之间的核心接口设备，其性能直接影响发电效率与并网安全性。单相单级并网逆变器将 DC-DC 变换与 DC-AC 逆变功能集成于同一功率级，省去了传统两级拓扑中的中间直流母线，具有体积小、成本低、效率高等优势，特别适用于户用及小型工商业场景（容量 1-10kW）。

然而，光伏阵列的输出功率受光照强度、温度等环境因素影响显著，需通过 MPPT 技术实时跟踪最大功率点（MPP）；同时，并网电流需满足谐波含量低、功率因数高（接近 1）的要求，以避免对电网造成污染。因此，研究兼具高效 MPPT 与优质并网性能的单相单级逆变器控制策略，对提升分布式光伏系统的经济性与可靠性具有重要意义。

（二）国内外研究现状

1. 拓扑结构研究

早期单相单级逆变器多采用 Buck-Boost 或 Cuk 电路实现升降压功能，但存在开关损耗高、效率受限等问题。近年来，基于 boost 电路的单级拓扑成为主流，通过电感储能实现光伏电压抬升（高于电网峰值电压），再经全桥逆变电路转换为交流（Hao 等，2020）。此外，矩阵式逆变器因无需直流母线电容，进一步简化了结构，但控制复杂度显著提高（Rodríguez 等，2018）。

1. MPPT 控制算法

常用 MPPT 算法包括扰动观察法（P&O）、增量电导法（INC）、模糊控制与神经网络算法。P&O 法因实现简单被广泛应用，但存在稳态振荡问题；INC 法通过计算光伏阵列电导增量优化跟踪精度，动态响应优于 P&O（Esram 等，2007）；智能算法（如粒子群优化）在复杂环境下表现更优，但计算量较大，实时性受限（Sahoo 等，2021）。

1. 并网控制策略

并网控制的核心是实现电流与电网电压同频同相。传统比例积分（PI）控制在单相系统中存在直流偏移与谐波问题，比例谐振（PR）控制通过在谐振频率处引入无穷大增益，可实现交流信号的无静差跟踪（Liserre 等，2005）。近年来，基于模型预测控制（MPC）的并网策略因动态响应快、鲁棒性强受到关注，但需解决计算延时问题（Vazquez 等，2014）。

1. 现有研究缺口

现有研究多聚焦 MPPT 或并网控制的单一优化，对两者协同工作的动态特性分析不足；单级拓扑中 MPPT 与并网控制的耦合关系（如直流侧电压波动对并网电流的影响）尚未充分揭示；极端天气（如云层快速遮挡）下的系统稳定性有待验证。

（三）本文主要研究内容与结构

本文围绕单相单级并网逆变器的 MPPT 与并网控制展开，主要内容如下：

1. 设计单相单级并网逆变器拓扑，分析光伏阵列、boost 电路与全桥逆变器的能量流路径及参数匹配关系。

1. 提出基于改进 P&O 的 MPPT 算法，通过自适应步长调整（光照剧烈变化时增大步长，稳定时减小步长），平衡跟踪速度与稳态精度。

1. 构建电网电压定向的双闭环控制：电压外环稳定直流侧电压，电流内环控制并网电流波形与相位，采用 PR 控制器抑制谐波。

1. 基于 MATLAB/Simulink 搭建仿真模型，在不同光照、温度及电网扰动场景下验证系统性能，评估 MPPT 精度、并网电流 THD 及动态响应指标。

1. 对比传统 P&O 与改进算法的跟踪效果，分析单级拓扑在效率与稳定性方面的优势。

本文结构：第一章引言；第二章系统拓扑与工作原理；第三章 MPPT 与并网控制策略；第四章仿真实验与结果分析；第五章结论与展望。

二、系统拓扑与工作原理

三、控制策略设计

四、结论与展望

（一）主要结论

1. 设计的单相单级并网逆变器拓扑紧凑，通过 boost 电路与全桥逆变器的集成，实现 MPPT 与并网功能的单级实现，效率较两级拓扑提升 1.6%。

1. 改进 P&O 算法通过自适应步长调整，在光照剧烈变化时跟踪速度提升 40%，稳态功率振荡降低 60%，MPPT 精度达 99.2%。

1. 电网电压定向的双闭环控制结合 PR 控制器，使并网电流 THD<3%，功率因数接近 1，动态响应快（负载突变响应时间 < 5ms）。

1. 系统在光照、温度及电网扰动场景下表现稳定，满足分布式光伏并网的技术要求。

（二）局限性与未来方向

1. 局限性：单级拓扑中 boost 电路需同时承担升压与 MPPT 功能，在光伏电压较低时可能导致效率下降；未考虑孤岛效应防护，需补充反孤岛检测算法。

1. 未来方向：

• 引入模型预测控制优化 MPPT 与并网控制的协同，提升动态性能；

• 研究基于 SiC MOSFET 的高频化设计，进一步减小体积、提高效率；

• 拓展至微电网场景，实现离网 / 并网模式无缝切换。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 于晶荣,曹一家,何敏,等.单相单级光伏逆变器最大功率点跟踪方法[J].仪器仪表学报, 2013, 34(1):8.DOI:10.3969/j.issn.0254-3087.2013.01.003.

[2] 高燕妮.基于功率前馈的单级式三相光伏并网逆变器的研究[D].燕山大学,2014.

[3] 于晶荣,曹一家,何敏,等.单相单级光伏逆变器最大功率点跟踪方法[J].仪器仪表学报, 2013, 34(1):18-25.

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