采用双共模内回路抑制非隔离光伏并网系统的共模电流的研究

赵瑞广 刘栋良, 崔丽丽 魏红梅



采用双共模内回路抑制非隔离光伏并网系统的共模电流的研究

赵瑞广1刘栋良1,2崔丽丽1魏红梅2

（1. 杭州电子科技大学自动化学院 杭州 310018 2. 卧龙电气集团股份有限公司 上虞 312300）

非隔离光伏并网系统中共模电流高频分量的存在会使系统稳定性下降，在低功率运行时，对发电质量影响较大。单共模内回路法对高频分量抑制效果不理想。在构建共模电路等效模型，分析共模电流产生原因的基础上，提出了一种构建双共模内回路抑制共模电流高频分量方法。该方法在保证共模电流满足并网要求的前提下克服了单共模内回路发生高频谐振的缺点，很好地抑制了外部寄生回路共模电流中的高频分量。最后通过仿真和实验证明了所提方法的有效性。

非隔离 光伏并网系统 共模电流 内回路 高频分量

0 引言

光伏并网逆变器是光伏并网发电系统中不可缺少的部分，传统逆变器带有工频变压器或高频变压器。工频变压器安装在交流输出侧，体积庞大，安装不方便，并降低了逆变器的效率；高频变压器虽然使逆变器体积缩小，但安装在直流侧，增加了主电路的复杂程度，降低系统稳定性，影响系统效 率[1]。为了克服这些缺点，提高逆变器的效率，目前在一些小容量、家用光伏逆变器中普遍采用无变压器结构。虽然无变压器结构缩小了逆变器体积，提高了系统的效率，降低了成本，但是由于光伏系统与电网之间缺少电磁隔离[2]，系统中光伏组件和地之间产生的寄生电容与电网形成共模回路，产生共模电流，对整个系统的安全性产生不利影响。

目前抑制共模电流的方法主要有两种：①采用具有抑制共模电流特性的逆变拓扑结构和改进调制方式[3]。文献[4,5]中的带直流旁路的全桥拓扑、半桥拓扑、带交流旁路的全桥拓扑等和文献[6]提出的抑制共模电流拓扑等结构在PWM调制的续流阶段对电网侧与直流侧具有解耦作用，保证了共模电压的恒定。文献[7]中的中性点钳位型拓扑也具有抑制共模电流的能力；②交流侧增加电磁干扰（Electro Magnetic Interference, EMI）滤波器。EMI滤波器增加了共模回路中的阻抗，对并入电网的共模电流具有抑制作用，能有效抑制共模回路的电流。目前实行的并网标准要求并网运行中共模电流不超过30mA[5,8,9]。通过以上两种方法共模电流大小一般情况下低于30mA，但共模电流中存在大量的高频分量，高频分量流经电网造成供电质量下降，大量的高频分量给逆变器带来较大的电磁干扰，使整个系统的稳定性降低，也会使逆变器内部的电力电子器件寿命降低，导致逆变器的寿命缩短。逆变器为了防止由于对地共模电流过大而产生触电事故，通常在逆变器输出侧安装有漏电保护装置，在外界环境发生变化特别是在阴雨等天气造成寄生电容值变化较大时，共模电流中高频分量将会急剧变大从而引起漏电保护装置动作，使系统停止工作；这往往给用户带来不必要的损失。若未来分布式光伏发电普及程度较高，众多家庭安装的光伏并网系统因此而同时停止工作，将造成电网电压产生跌落，从而影响电网的稳定性。

近年来，有学者提出在系统的输出侧设置共模内回路的方法来抑制共模电流。文献[10]中提出将交流侧电压中点与直流侧电压中点连接构成一路共模内回路。文献[11,12]在输出端与直流负母线之间增加RC吸收支路构成单共模内回路。但是文献[10-12]均没有对共模电流做进一步分析，也没有对比分析共模内回路对共模电流高频分量的抑制作用。并且单共模内回路法易使共模电路产生高频谐振，在谐振频率段产生较大共模电流。

本文从共模电流的高频分量出发，通过建立共模等效电路深入分析共模电流的高频分量及其产生的原因。针对共模电流中存在的高频分量，提出一种构建双共模内回路抑制共模电流高频分量的方法。该方法不改变原有的拓扑结构，并且参数整定简单。通过Matlab/Simulink仿真证明了其能够有效抑制共模电流的高频分量。最后通过实验证明了所提方法对抑制共模电流中的高频分量有明显效果。

1 非隔离光伏并网系统共模电流分析

1.1 共模回路模型分析

对于非隔离型光伏并网逆变器，目前市场上小功率分布式光伏并网系统，特别是安装在用户住宅的并网系统主要采用两级式单相光伏并网系统[13-15]，如图1所示。该系统中，前级Boost电路主要完成MPPT功能[16]，在稳态时直流母线电压dc控制在恒定值，此时前级Boost电路输出侧可等效为稳定的直流电压源。后级完成电能从直流到交流的变换，通常采用具有抑制共模电流能力的拓扑[17,18]。

图1 考虑寄生参数的两级式单相光伏并网系统

图1中的两级式单相光伏并网系统，采用了方框Ⅰ内所示的H6逆变拓扑，输出侧除采用LC滤波器外还增加了方框Ⅱ内由cm1、Y1、Y2、cm2组成的EMI滤波器，以此抑制共模电流。根据共模电压、差模电压的定义可得逆变器的共模电压cm、差模电压dm分别为

（2）

由式（1）、式（2）可得A、B端电压分别为

（4）

本文主要考虑对共模电流中高频分量的抑制，所以在共模等效电路中忽略电网电压对共模电路影响，根据式（3）、式（4）可得如图2所示的两级式光伏并网系统共模等效电路，PV为等效寄生电容。

图2中共模电感位于差模支路中，因共模电感对差模信号不起作用，所以将其移到共模支路中可得如图3所示简化共模等效电路。

图2 共模等效电路

图3 简化共模等效电路

根据电路等效原理，将差模电路进行等效并将支路阻抗进行等效计算后可得图4所示最简共模等效电路。

图4 最简共模等效电路

图4中，为共模电路等效阻抗；dm-t为等效差模电压，表示为

（6）

其中，1、1、1-2分别为

（8）

（9）

根据图4可得共模电压回路总电压cm-t为

理想情况下1=2，共模回路总电压cm-t为

（11）

1.2 共模电流分析

以图1所示拓扑结构为例，本文在目前广泛应用的H6逆变拓扑结构基础上分析共模电流的主要分量。从共模等效电路、H6逆变拓扑调制方式和负载三方面分析共模电流的主要分量，本节重点分析高频分量产生的原因。

在理想情况下采用具有共模抑制能力的拓扑结构能够使共模电压维持恒定值不变，不存在调制频率段谐波，但是由于开关器件开通和关断过程中的动态过程不一致或开关器件驱动脉冲信号不一致[19]导致共模电压变化。例如，图1中H6桥在正半周期调制过程中由于动态过程不一致或开关器件驱动脉冲信号不一致，导致VT1和VT4由导通状态关断时VT4先于VT1关断，此时根据式（11）得cm-t为

直到VT1关断cm-t才恢复到dc/2，这种情况将会导致共模电压产生一个尖峰脉冲。同理若VT1先于VT4关断，cm-t将会产生dc/4的突变。最严重的情况下，共模电压的波动频率与逆变桥调制频率相同。

逆变桥在模态变换过程中造成的电路谐振使共模电压产生波动。因逆变器采用PWM方式，共模电压中含有各次谐波，特定谐波使共模等效电路阻抗为纯阻性或局部LC支路为纯阻性将会导致谐振发生。从式（5）中可以看出，无论在共模电路发生整体谐振还是局部谐振，根据谐振的程度电路阻抗在谐振频率附近将会比在非谐振频率段有所降低，从而在相同高频共模电压的情况下产生更大的共模电流。

由式（2）、式（10）可以得出，由于输出滤波电感1、2不对称将会给共模回路引入以开关频率变化的差模电压。以1、2电感值相差10%为例，此时cm-t为

由于1、2不对称，在共模电压中引入了0.025dm波动分量。其中波动分量包含开关频率变化的高频分量和工频分量。

前级Boost电路在工作过程中导致的光伏阵列输出端的电压波动[20]会使共模电压产生波动。这些非理想因素都会导致共模回路中产生调制频率段共模电流。

电网可视为整个系统的负载，图2共模回路中在不忽略电网电压时，总电压为

式（14）可见cm-t中具有工频波动分量并且幅值为电网电压幅值的一半，所以共模电流中具有较大的工频分量。除此之外，由于逆变器采用PWM调制方式，工作过程中不可避免会在共模电压中产生低次谐波分量，而无源LC滤波器和EMI滤波器滤除低次谐波的能力较弱，从而使共模电流中存在一定量的低次谐波分量。

综上所述，共模回路中调制频率段分量、谐振频率段分量和工频频率段分量是共模电流的主要分量。

2 增加共模内回路方法抑制共模电流

2.1 构建单共模内回路抑制共模电流

在采用构建共模内回路抑制共模电流的方法中，以图5所示方法构建带有单共模内回路的光伏并网系统。EMI滤波器为LCL型，并将滤波器原有的Y电容用RC支路1-1、2-2替换连接至直流负母线侧构成共模内回路[12]。图6为带有单共模内回路的共模等效电路，其中1-2、1-2分别为

（16）

图5 带有单共模内回路的光伏并网系统

Fig.5 The single phase PV grid-connected system with single common mode inner loop

图6 带有单共模内回路的共模等效电路