非隔离光伏并网逆变器共模电流抑制研究

陈国定，钟引帆，揭　飞

(浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023)

非隔离光伏并网逆变器共模电流抑制研究

陈国定，钟引帆，揭飞

(浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023)

摘要：共模电流问题是非隔离光伏并网系统需要解决的关键问题之一.VDE-0126-1-1标准规定，当漏电流超过规定值时，并网系统必须在规定时间内停止工作.针对共模电流问题，分析其产生的原因，研究和对比了了几种不同的调制方式，并详细分析了几种能够有效抑制或消除共模电流的电路拓扑结构，得到了不同拓扑结构之间抑制共模电流的共同特征.在此基础上，根据oHeric拓扑结构，提出了其相应的调制策略并分析和阐述了其工作原理.最后通过仿真验证了oHeric拓扑抑制共模电流的有效性.

关键词：非隔离；共模电流；oHeric拓扑；调制策略

Research on common mode current suppression of transformerless

inverter in non-isolated photovoltaic grid system

CHEN Guoding, ZHONG Yinfan, JIE Fei

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract:Common mode current suppression is one of the key points for non-isolated photovoltaic grid system. In VDE-0126-1-1 specification, the photovoltaic systems should be disconnected from the grid within the stipulation time in case the leakage current exceeds specified value. In view of the problem of leakage current, the reason was analyzed firstly, researching and comparing different kinds of the modulation, some topologies which can restrain common mode current effectively were analyzed in details, and obtained the common feature about the different topologies. Based on the common feature, put forward the modulation strategy about oHeric topology, and analyze and elaborate the working principle. Finally, the simulation results show that the oHeric topology can effectively suppress common mode currents.

Key words:non-isolated; common mode current; oHeric topology; modulation strategy

近年来，光伏发电系统在世界范围内得到广泛的应用.作为光伏系统的并网接口，逆变器起着重要作用，尤其是低功耗、高效率、小体积、低成本的并网逆变器[1-3].并网逆变器按照是否具有变压器以及变压器的类型分为工频隔离型、高频隔离型以及非隔离型逆变器.含变压器的隔离型逆变器，确保了电网和光伏系统之间的电气隔离和电压匹配，这样既保护了人身和设备的安全，又抑制了并网电流的直流分量保证系统的稳定运行.然而，工频变压器存在体积庞大、重量重、价格高等问题；而高频隔离型逆变器的控制策略和拓扑结构都相对复杂，元器件多，转换效率低[4].非隔离型并网逆变器，具有体积小、损耗小、重量轻、成分低及工作效率高等优点[5-6]，而且非隔离并网逆变器系统的最高效率可以达到98%以上.因此，无变压器的拓扑结构也受到越来越多的国内外学者的研究和工业界的热捧.但是，由于没有变压器的隔离，电网和光伏电池之间的电气连接也存在一定的安全问题，如共模电流(漏电流).共模漏电流产生的原因是光伏电池板和大地存在寄生电容，随着共模电压的变化在寄生电容上会产生共模电流，因此形成电网—寄生电容—光伏阵列—逆变器—滤波器的共模电流回路.共模电流的存在，会造成电网电流畸变，影响系统的稳定，也带来了安全隐患[7-9].因此如何抑制或消除共模电流成了研究非隔离型并网逆变器的重点.

笔者针对非隔离光伏并网逆变器存在的共模电流问题进行进一步分析，对比多种调制方法和拓扑结构来抑制或消除共模电流.根据改进型的Heric拓扑[10]结构，提出具体的调制策略，并且建立仿真模型验证了拓扑结构抑制共模电流的有效性.

1非隔离型逆变器的共模分析

由于没有变压器，产生的漏电流会通过电网—寄生电容—PV板形成共模谐振电路，简化的共模谐振电路等效模型[11]如图1所示.

图1　共模谐振电路的简化模型Fig.1　Simplified equivalent model of common-mode resonant circuit

图1中：CPV为寄生电容；LA和LB为滤波电感；icm为共模电流；ucm，udm分别为逆变器输出的共模电压和差模电压.共模电流icm的表达式为

(1)

式中uecm表示等效共模电压.从式(1)得出：寄生电容上共模电压的变化产生共模漏电流.为了抑制或消除非隔离型逆变电路的共模电流，必须保持等效共模电压为恒定值.等效共模电压uecm定义为

(2)

式中uAN和uBN为逆变器的输出电压相对于直流总线的负端N的参考量.对于单相全桥拓扑，LA和LB一般选择相同的值[12]，尽量消除差模电压udm，因此消除共模电流的条件满足：

(3)

由上述分析得知：要想抑制或消除共模电流，在LA=LB的情况下，需要保持共模电压ucm恒定.由于CPV的存在，系统就不会产生共模漏电流.

2共模电流的抑制

2.1调制方式分析

在电路和寄生参数对称的情况下，即udm=0，逆变电路通过SPWM调制使共模电压ucm为定值.目前正弦脉宽调制的调制方式主要分为单极性、双极性和单极性倍频调制等三种，以正半周为例，其调制方式分别如表1～3所示.从表1可知：普通的单极性调制的共模电压是变动的，因此不能抑制共模电流.单极性倍频调制，与单极性调制类似，但是其差模电压的输出频率是后者的两倍，因此相对可以获得更好的电网电流质量.从表2得出：单极性倍频调制也不能抑制共模电流.从表3看出：在双极性调制下，共模电压ucm保持恒定，因此能够有效地抑制共模电流.

表1　单极性调制下逆变器输出电压

表2　单极性倍频调制下逆变器输出电压

表3　双极性调制下逆变器输出电压

由上述分析，只有双极性调制能够很好地抑制共模电流.但是，采用双极性调制所需的输出滤波电感将大于单极性调制所需电感，输出电感的增大，会降低效率，增大体积.在双极性调制下，每个开关周期都由两个开关器件参与动作，有两个开关管存在开关损耗，因此频率的提高也增加了开关损耗.此外，双极性调制下的电压纹波相比于单极性调制也大很多.因此，实际应用中，也不建议采纳双极性调制.而单极性倍频的电压纹波虽然最小，但是其四个开关管都工作在高频且调制策略相对固定，不利于抑制共模电流的相应的调制[13]，一般也不采纳.

因此，一般都是采用单极性调制的全桥逆变结构，因为它具有更高的直流电压利用率和更小的电路纹波以及更高的电网质量.

2.2拓扑结构分析

对于非隔离型全桥逆变器采用单极性调制方式，我们需要解决的首要问题就是采用不同的拓扑结构来有效的抑制共模电流，保证系统的稳定运行和人身的安全.目前实践中常用的几种拓扑结构如图2所示.

图2　非隔离型并网逆变器拓扑Fig.2　Several transformerless grid-connected inverter topologies

H5拓扑是SMA Solar公司的专利拓扑[14]，在直流侧增设一个开关管S5，通过在续流时关断S5而达到高阻抗的目的.以正半周为例，开关S1保持导通，S4和S5以开关频率调制.当正向导通即S4和S5导通时，UAN=UPV，UBN=0，此时共模电压Ucm=UPV/2；当正向续流即S4和S5关断时，电流经过S1及S3反向并联二极管，则UAN=UPV/2，UBN=UPV/2，此时共模电压Ucm=UPV/2.负半周同理，则该拓扑在一个工作周期内使共模电压保持恒定值，从而有效的抑制了共模电流.

Heric拓扑是Sunways公司的专利拓扑[15].在采用单极性调制的基础上，在续流阶段关断S1～S4，依靠S5和S6来续流，从而使电网和直流侧隔离.其工作原理：正半周内，开关S5保持导通，S6始终关断持，S1和S4以开关频率调制.当S1和S4导通时，UAN=UPV，UBN=0，此时共模电压Ucm=UPV/2；当S1和S4关断时，电流经过S5及S6反向并联二极管，则UAN=UPV/2，UBN=UPV/2，此时共模电压Ucm=UPV/2.负半周同理，则该拓扑在一个工作周期内使共模电压保持恒定值，从而有效的抑制了共模电流.

FB-DCBP拓扑与H5不同的是在直流侧串入两个开关管.以正半周为例，开关S1和S4保持导通，而S5，S6和S2，S3交替导通.正向导通时即S5和S6导通，UAN=UPV，UBN=0，此时共模电压Ucm=UPV/2；在续流阶段，S5和S6关断，S1和S4仍然导通，存在两条续流回路，分别是S1和S3的反并联二极管以及S4和S2的反并联二极管.两个二极管D1和D2起钳位作用，将续流回路的中点钳位至均压电容中点电压，即保持Ucm=UPV/2.负半周同理，则该拓扑在一个工作周期内使共模电压保持恒定值，从而有效的抑制了共模电流.

oH5拓扑是在H5拓扑的基础上，引入可控开关管和均压电容构成钳位电路.其思想与FB-DCBP拓扑类似，在续流回路的中点钳位至均压电容的中点电压，使Ucm保持UPV/2不变，从而消除共模电流.

通过上述分析看出：能够抑制共模电流的拓扑结构有个共同特征，即在逆变电路的续流阶段将电网回路和直流回路断开连接，从而使得续流回路的共模电压Ucm=UPV/2.据此，图3给出了改进型Heric拓扑(oHeric拓扑)，在Heric拓扑的基础上通过加入双向开关管S7，S8.

图3　oHeric拓扑电路Fig.3　Circuit of oHeric topology

在Heric原有的调制方式上进行改进，提出了oHeric拓扑的调制策略如图4所示.正半周期内，交流旁路的S6保持导通，而S7，S8和S1，S4以开关频调制交替导通.正向导通即S1和S4导通时，此时共模电压Ucm=UPV/2；在续流阶段，S7和S8导通，续流电流经过S6和S5的反并联二极管.此时开关管S7和S8起钳位作用，将续流回路的中点钳位至均压电容中点电压，即保持Ucm=UPV/2.负半周内的工作原理及共模电压分析与正半周类似.该拓扑在整个工作周期共模电压保持恒定为UPV/2，因此共模电流能够得到有效的抑制.相比与Heric拓扑，增加的开关管S7和S8由于流经的电流较小而并未明显增加损耗，但却可以大幅度提高对共模电流的抑制效果.

图4　oHeric开关管的驱动逻辑Fig.4　Gate drive signal of oHeric

由上述分析可知：S5和S6在非工作半周也高频导通，从而为无功电流提供了通路.因此，提出的调制策略可使oHeric系统电路在任意功率因数下运行.而在续流阶段，通过S7和S8导通将O点电位钳位至均压电容中点M的电压，使得共模电压Ucm=UPV/2保持恒定，从而增强对共模电流的抑制.

3实验仿真

为验证提出的基于oHeric的调制策略可行性和有效性，按照图3的oHeric拓扑构建光伏并网逆变电路，在MATLAB/Simlink环境下对系统进行建模仿真验证.

图5　oHeric拓扑的共模电压和漏电流波形Fig.5　Common voltage and leakage current waveform of oHeric topology

oHeric拓扑电路的仿真结果如图5示.在寄生电容100 nF的情况下，oHeric拓扑配合笔者提出的调制策略，能够有效地抑制共模电流，甚至将共模电流抑制到15 mA以下，远远小于VDE规定的300 mA.

4结论

主要研究了非隔离型并网逆变系统的共模电流的抑制问题.对单相非隔离型系统的调制方式进行了分析和仿真，通过对比发现双极性调制在电感对称分布LA=LB时，系统能够有效地抑制漏电流.同时，研究不同的单相拓扑结构电路，对比发现了拓扑结构在续流阶段将PV板和电网侧隔离，实现了共模电压的恒定从而抑制共模电流这个共同特征.在此基础上，针对oHeric拓扑提出了与其相应的调制策略，在保持Heric拓扑高效率的前提下提高了抑制漏电流的效果，对于非隔离型并网逆变器系统的研究具有一定的借鉴价值.对oHeric的光伏并网逆变系统进行了理论分析和仿真验证，在今后研究中，还需对控制策略做进一步研究，以达到更好的效果和使用价值.

参考文献：

[1]杨秋霞，高金玲，荣雅君，等．单相光伏并网系统共模电流分析[J]．电网技术，2011，35(1):180-185.

[2]蒋建东，李鲁霞，蔡世波，等．微网中多逆变器并联系统下垂控制策略研究[J]．浙江工业大学学报，2014，42(2)：132-136.

[3]何通能，安康，逯峰．基于模糊PI控制的三相船用逆变电源研究[J]．浙江工业大学学报，2013，41(2)：222-227．

[4]KEREKES T, TEODORESCU R, RODRIGUEZ P, et al. A new high-efficiency single-phase transformerless PV inverter topology[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics，2011，58(1)：184-191．

[5]肖华锋，谢少军，陈文明，等．非隔离型光伏并网逆变器漏电流分析模型研究[J]．中国电机工程学报，2010，30(18):9-14．

[6]薛家祥，李丽妮，廖天发，等．非隔离型光伏并网逆变器共模干扰抑制方法研究[J]．电源技术与应用，2014，40(8)：68-71．

[7]吴学智，尹靖元，杨捷，等．新型的无隔离变压器单相光伏并网逆变器[J]．电网技术，2013，37(10):2712-2718．

[8]张犁，孙凯，冯兰兰，等．一种低漏电流六开关非隔离全桥光伏并网逆变器[J]．中国电机工程学报，2012，32(15):1-7．

[9]周文委，翁国庆，张有兵．基于ARM的多功能三相电能质量在线监测器[J]．浙江工业大学学报，2012，40(2)：213-216．

[10]唐婷，石祥花，黄如海，等．非隔离型光伏并网逆变器漏电流抑制机理分析与改进[J]．电力系统自动化，2013，37(18)：25-31．

[11]LOPEZ O, FREIJEDO F D, YEPES A G, et al. Eliminating ground current in a transformerless photovoltaic application[J]．IEEE Trans Energy Convers，2010，25(1)：140-147．

[12]邬伟强，郭小强．无变压器非隔离型光伏并网逆变器漏电流抑制技术[J]．中国电机工程学报，2012，32(18)：1-8．

[13]YANG Bo, LI Wuhua, GU Yunjie, et al. Improved transformerless inverter with common-mode leakage current elimination for a photovoltaic grid-connected power system[J]．IEEE Trans On Power Electronics，2012，27(2)：752-762．

[14]VICTOR M, GREIZER F, BREMICKER S, et al. Method of converting a direct current voltage from a source of direct current voltage，more specifically from a photovoltaic source of direct currentvoltage，into a alternating current voltage：United States，US 7411802 B2 [P]．2008-08-12．

[15]SCHMIDT H, SIEDLE C, KETTERER J. Inverter for transforming a DC voltage into an AC current or an AC voltage：Germany，EP1369985 (A2) [P]．2003-12-10．

(责任编辑：陈石平)

文章编号：1006-4303(2015)06-0655-05

中图分类号：TM464

文献标志码：A

作者简介：陈国定(1962—)，男，浙江宁波人，教授，博士，研究方向为计算机先进控制、网络控制、电力电子与电力传动及其中控制策略等，E-mail：gdchen@zjut.edu.cn.

收稿日期：2015-05-15