一种改进型的单相无变压器型PV逆变器拓扑结构

宋平岗,沈友朋

(华东交通大学 电气与电子工程学院,江西 南昌 330013)

在光伏并网系统中一般会采用带变压器型的光伏并网逆变器。由于工频变压器的体积大、重量重且价格贵,而带高频变压器型光伏并网逆变器的功率变换电路控制复杂,系统效率低。为了解决这些问题,国外一些学者提出了无变压器型的光伏并网逆变器。这种无变压器型的拓扑不但节约成本,而且能提高系统的效率。本文对单相无变压器型全桥拓扑结构进行了分析,并分析和研究了全桥拓扑结构的共模电流。在此基础上提出了一种新的拓扑结构,并进行了分析和仿真研究。图1为无变压器型光伏并网系统的结构框图。由图1可知,在无变压器的光伏并网系统中,由于没有变压器的隔离作用,电网与光伏阵列存在直接的电气连接,而光伏阵列和地之间存在虚拟的寄生电容,因而就形成了由寄生电容、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路。寄生电容上变化的共模电压在这个共模谐振回路中就会产生相应的共模电流。

图1 无变压器型光伏并网系统的结构框图Fig.1 Transformerless PV system block diagram

1 无变压器型单相光伏并网系统的共模分析

1.1 单相全桥逆变器的共模分析

图2为无变压器型单相全桥逆变器的拓扑结构。

图2 单相全桥拓扑结构Fig.2 Single-phase full-bridge topology

文献[1]对共模电流的产生原因进行了分析。具体过程如下:定义Vpv为等效光伏阵列的直流电压,Vao,Vbo分别为全桥逆变器交流输出点a,b对直流母线o点的电压,VL为滤波电感上的压降,Vcm为寄生电容Cp上产生的共模电压,icm为共模电流,Vg为电网电压。以电网电流的正半周为例,在开关管S2,L1,Vg和Cp构成的回路以及由开关管S4,L2和Cp构成的回路中,根据基尔霍夫电压定律,可列出共模谐振回路的电压方程:

由于共模电流很小,因此可忽略它在滤波电感上产生的压降,即 VL1≈VL2,又因 Vg为工频电网电压,所以Vg在寄生电容上产生的共模电流一般也可忽略,而Vao,Vbo为PWM控制的高频脉冲电压,共模电流主要由此激励产生。所以由式(1)、式(2)相加可得寄生电容上的共模电压Vcm为

而流过寄生电容的共模电流icm为

由式(3)、式(4)可知,要想抑制共模电流,就必须使得Vcm的变化率保持恒定,使Vcm为一定值,也即使得a,b点对o点的电压之和满足:

1.2 单相全桥拓扑结构的分析

拓扑结构框图如图2所示。大部分的普通单相全桥逆变器一般都会采用单极性PWM调制法进行控制[2]。这样不仅能提高输出电流的质量,而且输出电压是三电平,使输出滤波器的值更小。开关管控制顺序如下。

在电网电流正半周内,当S1,S4导通,而S2,S3关断时,共模电压Vcm为:Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(Vpv+0)=0.5Vpv,当S1,S3关断,而 S2,S4导通时,Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(0+0)=0;在负半周内,当S2,S3导通,而S1,S4关断时,Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(0+Vpv)=0.5Vpv,当S1,S3关断,而 S2,S4导通时,Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(0+0)=0。

由以上分析可知,在开关过程中,共模电压Vcm的幅值是变化的。因此,其共模电流很大,远远超过标准要求。图3为其仿真波形,从上到下依次为逆变器输出电压Vab、共模电压Vcm和共模电流icm的波形。由图3可知,在开关过程中共模电压Vcm的幅值是在0与 Vpv/2之间变化的(Vpv=400 V,fsw=5 kHz),导致共模电流的值达到了数安培,远远超过标准要求。所以该拓扑结构不适合无变压器型PV系统。

图3 单极性调制的全桥拓扑仿真波形Fig.3 Unipolar modulation full-bridge topology simulation

1.3 带交流旁路的全桥式拓扑[3]

带交流旁路的全桥式拓扑结构如图4所示。

图4 带交流旁路的全桥拓扑结构图Fig.4 Full-bridge topology map with AC bypass

由图4可知,在全桥拓扑结构基础上,交流输出端接两个反串联的开关管S5和 S6,作为当S1～S4开关管关断时的续流开关管,使得续流回路与直流侧断开,从而使该拓扑不仅抑制了共模电流而且交流侧的输出电压和单极性调制相同,提高了系统的效率。开关管控制顺序如下。

在电网电流正半周内,S2,S3,S5始终关断,而S6始终导通。当S1,S4开通时,共模电压Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(Vpv+0)=0.5Vpv,交流输出电压Vab=Vpv;当 S1,S4关断时,电流经 S6,S5的反并联二极管、滤波器和电网的回路续流。Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(0.5Vpv+0.5Vpv)=0.5Vpv,Vab=0。

在负半周内,S1,S4,S6始终关断,而S5始终导通。当S2,S3开通时,共模电压Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(0+Vpv)=0.5Vpv,交流输出电压Vab=-Vpv;当S2,S3关断时,电流经S5,S6的反并联二极管、滤波器和电网的回路续流。共模电压Vcm为:Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(0.5Vpv+0.5Vpv)=0.5Vpv,Vab=0。

根据以上开关管的控制顺序,采用SPWM控制法,该拓扑结构的仿真结果如图5所示。由图5可知,共模电压的幅值基本保持不变,所以共模电流就很小,最大不超过20 mA,符合标准要求。而输出电压是三电平,使得输出电流纹波比较小,所以输出滤波电感上的损耗就小,这就提高了系统的效率,但输出端接两个开关管,使得开关损耗较大,从而限制了系统的效率。

图5 SPWM仿真结果Fig.5 SPWM simulation results

2 改进型拓扑结构的共模分析

2.1 拓扑结构产生共模电流的理论分析

本文在带交流旁路拓扑结构的基础上,提出一种改进型的拓扑结构。该拓扑结构见图6。

图6 新拓扑结构图Fig.6 T he new topology diagram

从图6中可看出,该拓扑结构是在带交流旁路全桥拓扑结构的基础上,在交流输出端减少1个开关管,但增加了4个反并联的二极管D1～D4,这样就可以保证当S5开通时,交流端与直流端就会断开,保证系统的安全,而且能使共模电压的幅值基本维持在Vpv/2,输出电压Vab=0,从而也就抑制了共模电流。开关管控制顺序如下。

在电网电流的正半周内,S2,S3始终关断。当S1,S4导通,S5关断时,共模电压Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(Vpv+0)=0.5Vpv,交流输出电压Vab=Vpv;当S1,S4关断,S5导通时,电流经二极管D1～D4、开关管S5、滤波器和电网回路续流,共模电压Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(0.5Vpv+0.5Vpv)=0.5Vpv,交流输出电压Vab=0。

在负半周内,S1,S4始终关断。当S2,S3导通,S5关断时,共模电压Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(0+Vpv)=0.5Vpv,交流输出电压Vab=-Vpv;当S2,S3关断,S5开通时,电流经二极管D1～D4、开关管S5、滤波器和电网回路续流,共模电压Vcm=0.5(Vao+Vbo)=0.5(0.5Vpv+0.5Vpv)=0.5Vpv,交流输出电压Vab=0。

2.2 拓扑结构的仿真研究

本文提出的拓扑结构的仿真是在Matlab Simulink的环境下完成的。仿真参数设置如下:为了方便系统仿真,将PV阵列用直流电压源代替并且Vdc=400 V;直流输入电容C=5 mF;滤波电感Lf=3 mH;电网额定电压Vg=220 V,频率fg=50 Hz;开关管 fsw=5 kHz;虚拟寄生电容Cp=100 nF。图7为仿真结果。从上到下依次为逆变器输出电压Vab、共模电压Vcm和共模电流icm的波形。由图7可知,共模电压的幅值基本保持不变,共模电流很小,最大不超过20 mA,符合标准要求。可见,本文提出的新拓扑结构可有效地抑制共模电流。

图7 仿真结果Fig.7 Simulation results

3 不同拓扑结构的比较

采用单极性调制的全桥拓扑产生的共模电压为幅值在0与Vpv/2之间变化且频率为开关频率的高频脉冲电压。因此该共模电压所产生的共模电流不符合标准要求,但其输出电压Vab是在0与Vpv之间变化的,所以产生的电流纹波较小,从而减小了输出滤波电感的损耗[4- 6]。

带交流旁路的全桥拓扑结构,由于增加了一个新的续流回路,该拓扑的交流侧输出电压和全桥单极性调制拓扑的输出电压相同,从而有效地降低了输出电流的纹波,减小滤波电感上的损耗,提高了系统的效率,但输出交流端有两个开关管,开关管损耗较大。

本文提出的拓扑结构,由于交流端只有一个开关管,这就减少了开关管上的损耗,提高了系统的效率。从仿真结果来看,采用单极性调制法控制也能够使共模电压的幅值为一定值,使得共模电流的值符合标准要求[7]。

表1为不同拓扑结构的比较情况。由表1的比较可知,全桥单极性拓扑因其共模电流远远超过标准要求,所以该拓扑不适合无变压器型PV逆变系统。而带交流旁路的全桥拓扑和本文提出的改进型拓扑,共模电流小,系统效率高,因此可用于无变压器型PV逆变系统。

表1 不同拓扑结构的比较Tab.1 Structure comparison of different topology

4 结论

本文分析了单相无变压器型光伏系统中共模电流产生的机理。并分析了单相全桥拓扑共模电流的情况,总结出了共模电流的一般规律。在此基础上提出了一种改进的拓扑结构,并通过理论分析和仿真研究验证该拓扑结构可有效地抑制共模电流。通过对不同拓扑结构的比较,可知,本文提出的拓扑结构与带交流旁路全桥拓扑相比,在输出端只有一个开关管,减少了开关管损耗,提高了系统效率,因此具有一定的实用价值。

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