并联无隔离光伏并网逆变器漏电流和环流抑制研究

张贞艳，高磊，张锦

（宿迁学院机电工程学院，江苏 宿迁 223800）

并联无隔离光伏并网逆变器漏电流和环流抑制研究

张贞艳，高磊，张锦

（宿迁学院机电工程学院，江苏 宿迁 223800）

并联无隔离光伏并网逆变器会产生漏电流和环流问题。在分析三电平逆变器共模等效模型的基础上，采用改进型LCL滤波器，将滤波器电容公共连接点和直流侧电容中点相连，能够滤除寄生电容电压的高频分量，减少共模漏电流。无隔离光伏并网逆变器并联能增加系统容量和可扩展性，但产生的零序环流会降低系统效率，而传统方法很难实现环流抑制。提出一种新型SVM调制方法，通过实时改变零矢量作用时间实现精准控制，能够实现多台逆变器在电流不相等情况下的环流抑制。最后通过实验验证了所提拓扑和算法的有效性。

逆变器并联；漏电流；环流

光伏发电已经成为世界上未来电力主要来源，随着光伏发电系统的快速发展，对其可靠性的要求越来越高［1-2］。非隔离型三相三电平并网逆变系统因输出电流畸变率小、成本低等优点，已经成为一种重要的趋势。但无隔离拓扑使太阳能电池板和电网有了电气连接，会产生共模漏电流，增加并网电流谐波，甚至危害人身安全。因此研究非隔离型三电平并网逆变器具有至关重要的意义。

随着光伏发电系统规模不断增大，单机光伏并网逆变器已很难满足光伏并网发电的要求，多机并联光伏并网逆变器已经成为光伏发电的必然趋势。但是光伏并网逆变器的并联会增加系统损耗［3-4］，还会产生环流问题。因此研究三相光伏并网逆变器并联的环流抑制对于光伏发电具有重要的意义。

国内外学者对光伏并网逆变器的并联环流抑制进行了大量的研究。文献［5-6］提出了采用交流变压器硬件阻断环流的方法，该方法虽能消除环流，但会增加并网逆变器的成本。文献［7］首次采用HEPWM的方法实现并联逆变器的环流抑制，但该方法开关频率较高。文献［8］采用非线性控制的方法实现环流抑制，但该方法非常复杂，难以在工程中广泛应用。文献［9-10］利用零序PI控制器对空间矢量脉宽调制中零矢量的分配进行调节，这种方法虽易实现，但其控制并不精确。文献［11］采用无差拍控制的方法实现环流抑制，具有较好的效果，但传统无差拍控制在很大程度上取决于控制器和主电路中各器件参数的计算精度，系统鲁棒性差。

上述方法都没综合考虑光伏发电系统的漏电流和环流问题。本文分析了三相逆变器系统的漏电流和环流模型；提出了解决漏电流的新型拓扑；在新拓扑上提出了环流控制新方法，以实现精确控制；又介绍了控制器与SVPWM调制相结合的实现方法；最后通过实验进行了验证。

1 三相逆变器的漏电流模型

本文所提解决漏电流的拓扑如图1所示。以直流侧电容中点为参考点，根据基尔霍夫定律，改进的三相并网逆变器拓扑的输出电压为

式中：uKO为K点和O点之间的电压，K=A，B，C；Cf为交流侧电容。

图1 非隔离型三相光伏并网逆变器Fig.1 Non-isolated three-phase photovoltaic inverter

根据基尔霍夫电流定律：

因此光伏并网逆变器共模电压为

光伏并网逆变器共模电压能够简化为

改进型三相并网逆变器输出电压等效模型如图2所示。

图2 改进型逆变器输出电压等效模型Fig.2 The equivalent model circuit for output voltage of the improved inverter

图2中，漏电流寄生电阻Rpv是恒定的，对漏电流没有影响。寄生电容电压高频分量是产生漏电流的主要原因。由图2可以看出经过LCL后寄生电容电压的高频分量能够得到衰减，因此改进型LCL滤波器能够有效抑制光伏发电系统的漏电流。

2 三相逆变器并联的零序环流模型

文中并联光伏逆变器系统为共直流母线交流侧直接并联的结构，环流形成路径如图3所示。理想情况下，若2台逆变器的参数和控制都保持一致，则不会产生环流。实际中，受并网电抗器差异、算法控制时间延迟及死区等因素的影响，并联光伏逆变系统会产生环流。

选直流电源负极为参考点，则该拓扑在静止坐标系下的平均模型可表示为

式中：ua,ub,uc为电网电压；un为电网中性点电压；io为电网电流iax,ibx,icx之和（x对应取1或2，以下同）；dax,dbx,dcx为并联逆变器的桥臂输出占空比；Lx为滤波电感；C为直流侧C1和C2电容之和；Vdc为母线电压。

对于单台三相逆变器，因不存在环流通路，零序电流为零。对于并联的2台三相逆变器，因环流通路的存在产生环流，且环流大小相等，方向相反，如下式：

图3 并联非隔离型三相光伏并网逆变器Fig.3 Non-isolated parallel three-phase photovoltaic inverter

通过坐标变换，三相静止坐标系下的交流量可变换成两相同步旋转坐标系下的直流量，根据基尔霍夫定律可得环流公式为

环流的占空比之差为

式中：d01,d02为并联逆变器1，2零序占空比。

3 基于PI控制的环流抑制方法

在三相并网逆变器中，SVPWM因具有直流电压利用率高、输出电流波形好等优点已经被广泛应用。本文也采用SVPWM实现环流抑制。SVPWM的本质是通过非零矢量和零矢量组合的办法产生系统所需的PWM控制信号。零矢量占空比d0和非零矢量之间的关系如下式：

由于零矢量作用时间不会影响逆变器系统的输出电流和直流母线电压，因此可通过控制逆变器零矢量的作用时间来控制零序电流。如图4所示，在1个PWM开关周期内，实时控制零矢量的作用时间，假设零矢量V0作用时间为(d0/2-2y）T，零矢量V7的作用时间为（d0/4+y）T，其中y的取值为［0，d0/4］，因此零矢量的作用时间为［0，d0］T。

图4 矢量分配图Fig.4 Distribution of the vectors

综上得零序矢量占空比如下式：

零序电流占空比之差如下式所示：

式中：yi为逆变器i对零矢量的修正值（i对应取1或2）。

对于并联的逆变器系统，只要控制1台逆变器的环流，就可实现并联逆变器系统的环流抑制，因此设y2=0。结合式（11），有d0i=1-d1i-d2i,可将式（13）简化为

结合式（9），零序环流在同步坐标系下的模型可以化简为

此时的逻辑控制框图如图5所示。

图5 PI控制策略图Fig.5 Diagram of PI control strategy

一般情况下2个变换器的给定电流不相等，即d11≠d12，d21≠d22，式（15）经过拉氏变换可得：

图6为实时前馈控制策略图，实时前馈ΔD/12能够更加准确的抑制零序环流。可通过不断修正y1来实时计算零矢量的作用时间，从而实现不同情况下的零序电流的快速动态响应和并联环流抑制。

图6 带前馈的PI控制策略图Fig.6 Diagram of PI control strategy with the feed-forward control strategy

4 实验结果分析

在上述分析基础上，用2台5 kW三相光伏并网逆变器做并联实验。直流电压600 V，开关频率10 kHz，电感3 mH。图7为直流侧寄生电容电压为1 μF的共模电压和共模电流波形图。图7a为采用传统控制的共模电压和共模电流；图7b为采用本文所提新方法的共模电压和共模电流，不难看出采用本文所提方法后共模电流得到了有效的抑制。

图8为滤波电感3 mH，给定电流相等，且均等于6 A时的环流实验波形，其中ia1为逆变器1电流波形，ia2为逆变器2电流波形，iz1为环流电流波形。通过对比不难看出：不进行控制时电流发生了很大的畸变；加入传统的PI控制之后，波形质量和环流抑制取得了一定的效果；而加入本文所提PI加前馈控制后，环流抑制效果得较好，波形质量有效提高。

图7 共模电压和共模电流波形Fig.7 The common voltage and common current waveforms

图8 滤波电感3 mH，给定电流6 A时的实验结果Fig.8 The experimental of inductance 3 mH and reference current 6 A

图9为滤波电感3 mH，给定电流不相等，且分别等于6 A，10 A时的环流实验波形。通过对比不难看出：不进行控制时电流发生了很大的畸变；加入传统PI控制后，环流并未得到有效抑制；而加入本文所提PI加前馈控制后，环流抑制地较好，波形质量明显提高。

图9 滤波电感3 mH给定电流6 A和10 A时实验结果Fig.9 The experimental results of inductance 3 mH and reference current 6 A and 10 A

5 结论

并联无隔离光伏并网逆变器的漏电流和环流问题一直是学术界研究的重点和难点。本文提出了采用改进的LCL滤波器实现漏电流的抑制。针对其环流问题，提出了一种新型SVPWM策略，采用PI加前馈控制实现了环流的准确控制；该方法实现简单，控制效果良好。最后通过实验验证了文中所提拓扑和漏电流及环流抑制方案的正确性和有效性。

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［11］张学广，王瑞，徐殿国.并联型三相PWM变换器环流无差拍控制策略［J］.中国电机工程学报，2013，33（6）：1-11．

修改稿日期：2016-03-21

Leakage Current and Circulating Current Reduction for Parallel Non-isolated Grid-connected Inverters

ZHANG Zhenyan，GAO Lei，ZHANG Jin
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Suqian College，Suqian 223800，Jiangsu，China）

The parallel non-isolated photovoltaic grid connected inverter can generate leakage current and circulating current.Analyzed the equivalent model of three-level inverter and usesd improved LCL filter whose capacitor common connection point connectes DC-side capacitor neutral point to filter out high frequency component of the parasitic capacitance voltage，and to reduce common mode leakage currents.Non-isolated photovoltaic grid connected inverter could increase system capacity and scalability in parallel，but the zero sequence circulating current could reduce the system efficiency，and then the traditional method is difficult to achieve the circulation suppression.A novel SVM modulation method was proposed.This method could realize the precise control by changing the function time of zero vector in real time and could achieve circulating current restrain of more than one inverters in the unequal current situation.Finally，the experimental results show that the proposed topology and algorithm are effective.

parallel inverters；learage current；circulating current

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161106

宿迁市工业科技支撑计划项目（Z201542）；江苏省自然科学基金青年基金项目（BK20140586）；江苏省高校品牌专业建设项目（PPZY2015C252）

张贞艳（1983-），女，硕士，讲师，Email：zhenyanmm@163.com

2015-09-26