CES TEMS 论文分享｜丹麦Frede Blaabjerg等：一种用于光伏系统的25电平升压逆变器拓扑

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

将可再生能源集成到电力系统中需要高效的多电平逆变器，能够产生具有低总谐波失真（THD）的高质量输出电压。传统的多电平逆变器往往存在元件数量多、开关应力大、电压增益低、成本增加等问题，限制了其实际应用。本文介绍了一种用于多电平逆变器的高增益新型拓扑结构，该拓扑结构减少了每电平计数的总元件数量，降低了功率传导器件的电压应力，并最小化了成本函数，该成本函数取决于元件数量、开关和二极管上的驻压、输出电压电平和增益。所设计的拓扑结构可应用于光伏（PV）系统，仅利用一个直流（DC）输入电源和具有电容器电压自平衡能力的模块化结构。所提出的拓扑的高增益特性和低THD是提供正弦输出波形的两个优点，不需要高直流输入电压源。此外，还提出了由级联基本单元组成的广义拓扑。提出了一种确定这种配置中直流电源值的综合方法，旨在最小化冗余开关模式并最大化电压电平计数。与其他一些多电平逆变器的比较证实了给定逆变器的基本版本的预期性能。还实现了一个原型，并获得了实验结果，以验证所提出的25级拓扑的优点。

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-电平逆变器的电路图

作者信息

Fatemeh Esmaeili，2020年获得伊朗大不里士科技大学电气工程学士学位，2022年获得伊朗伊斯法罕伊斯法罕大学硕士学位，目前正在攻读电气工程博士学位。自2025年5月以来，她一直是丹麦奥尔堡大学能源技术系的访问研究员。她的研究兴趣包括电力电子、多电平电压源逆变器、开关电容器转换器、电力电子转换器的鲁棒和非线性控制器以及可再生能源系统。2020年，她获得了伊朗电力电子学会颁发的最佳理学士学位论文奖。

Hamid Reza Koofigar，分别于2003年、2005年和2009年获得伊朗伊斯法罕理工大学电子工程学士学位、控制工程硕士学位和电气工程博士学位。自2010年2月以来，他一直在伊斯法罕大学工作，目前担任电气工程系副教授。他于2018年5月至2018年10月和2019年7月至2019年9月在德国慕尼黑工业大学（TUM）电气与计算机工程系担任访问研究员。此外，他于2025年2月至2025年9月担任东京工业大学系统与控制工程系的访问研究员。他目前的研究兴趣包括鲁棒控制、大规模系统和可再生能源系统。他于2012年获得日本SICE国际奖学金，并于2019年获得德国巴伐利亚州科学、研究和艺术部的研究奖学金。他也是TUM高级研究所的荣誉院士。

Frede Blaabjerg，1987年至1988年，在丹麦兰德斯的ABB Scandia工作。1988年至1992年，他于1995年获得奥尔堡大学电气工程博士学位。他于1992年成为AAU Energy的助理教授，1996年成为副教授，1998年成为电力电子和驱动器的正教授。从2017年开始，他成为Villum研究员。他于2017年在罗马尼亚蒂米什瓦拉理工大学（UPT）、2018年在爱沙尼亚塔林技术大学（TTU）获得荣誉学士学位，并于2025年在意大利帕尔马大学获得荣誉教授学位。他目前的研究兴趣包括电力电子及其在风力涡轮机、光伏系统、可靠性、power-2-X、电能质量和可调速驱动器等领域的应用。他获得了49项IEEE奖论文奖（其中一项在IEEE电力电子翻译中被确认为时间论文-doi:10.1109/TPEL.2004.833453），2009年IEEE PELS杰出服务奖，2010年EPE-PEMC委员会奖，2014年IEEE William E.Newell电力电子奖，2014年度Villum Kann Rasmussen研究奖，2019年全球能源奖和2020年IEEE爱迪生奖章。2023年，他获得了日立能源奖，2021年获得了EAWE科学奖，2020年获得了EPE杰出成就奖。他曾担任丹麦技术科学院副院长。从2020年起，他一直是丹麦皇家科学与文学学院的成员。自2020年以来，他一直担任丹麦研究与创新政策委员会主席。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE 副主席 Don Tan 博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

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