随着全球能源危机和环境保护意识的觉醒,构建以可再生清洁能源为主导的能源供应体系已成为人类社会的普遍共识。太阳能具有易利用性、普遍性和清洁性等特点,成为化石能源的最优替代选项,光伏发电产业因此得到快速发展。光伏发电系统中,光伏逆变器有着至关重要的作用,其性能影响着整个供电系统的稳定性。多电平逆变器具有能够输出近似正弦阶梯波形、降低电压总谐波失真率、减小器件峰值反向电压、更小的du/dt值和减小电磁干扰等优点,在光伏发电等微电网领域得到广泛的应用。本文针对传统多电平逆变器存在结构复杂、电容电压不平衡、调制难度大等不足,结合光伏逆变器发展需求,对基于开关电容结构的多电平逆变器拓扑展开研究,提出多种单输入扩展开关电容多电平逆变器。所提拓扑具有电容电压自平衡、使用功率器件少、功率密度高、可模块化扩展、高电压增益等优点,对逆变器集成化、轻量化的研究具有显著的意义。课题主要研究内容有:（1）针对传统多电平逆变器功率器件使用数量较多、结构复杂等不足,提出一种单电源输入的阶梯充电自平衡开关电容多电平逆变器。所提拓扑开关电容模块采用双电容的组合,开关电容模块的串并联转换以及双电容的阶梯充电增加逆变器的输出电平数和升压增益,减少功率器件的使用。此外,双电容的同步放电有助于降低电容电压纹波,提高输出电压质量。（2）上述多电平逆变器在输出端使用H桥电路来获取双极性电平,H桥开关管需要承受前级电容和电源的累积电压,较大的峰值反向电压不利于降低逆变损耗。因此,提出一种非桥式模块化开关电容多电平逆变器拓扑,所提拓扑的开关电容模块固有电平反转能力,避免终端H桥的使用,显著降低开关管的峰值反向电压。所提拓扑电容仍采取阶梯充电的工作模式,这使得逆变器可以使用更少的功率器件输出更多的电平数。（3）尽管上述（2）中所提拓扑开关管具有较低的峰值反向电压,但随着拓扑的扩展,峰值反向电压也随之增加。针对上述问题,提出一种X型低应力开关电容多电平逆变器,所提拓扑通过X型双极模块的扩展得到更多的输出电平数,但是其开关管承受最大峰值反向电压不超过4Vdc,并且这一特性不会随着逆变器的扩展而改变,低电压应力将会为逆变器在中高压场景中的应用提供机会。文中对提出的一系列单输入扩展开关电容多电平逆变器的拓扑结构、工作原理、调制策略进行详细阐述,对电容等相关参数进行计算并对拓扑进行比较分析。最后,通过搭建的小型实验室原型机分别对上述逆变器进行稳态实验和动态实验,结果验证逆变器拓扑的可行性和调制策略的正确性。