一种新型HERIC光伏逆变器漏电流抑制技术研究

袁 颖，马海啸

(南京邮电大学 自动化学院,江苏 南京 210046)

一种新型HERIC光伏逆变器漏电流抑制技术研究

袁 颖，马海啸

(南京邮电大学 自动化学院,江苏 南京 210046)

针对已有的无变压器光伏逆变器存在共模电压威胁人身安全的问题，在非隔离光伏逆变器(Highly Efficient Reliable Inverter Concept，HERIC)拓扑的基础上，提出了一种新型的箝位型HERIC拓扑。箝位型HERIC拓扑是在逆变器直流输入电容的中点加入了另一个开关管，使整个工作过程中共模电压保持不变。通过仿真发现这一理论是可行的。然后分别搭建HERIC逆变电路和箝位型HERIC逆变电路，通过对比实验和数据分析验证了仿真结果，证明了箝位型HERIC拓扑的有效性和低漏电流特性。

光伏逆变器；非隔离；拓扑；共模电压；箝位

0 引言

图1 HERIC拓扑结构

随着新能源的兴起，太阳能已经得到了广泛应用，这其中包括光伏发电。传统的光伏并网逆变器都是采用变压器来进行电隔离的，以此保障人身安全。但是，这也存在变压器的使用大大降低了系统效率的缺点。近几年来人们提出了多种无变压器光伏逆变器拓扑，这其中包括 HERIC拓扑(如图1)，该拓扑是在H桥的桥臂两端加上两个反向的开关管进行续流，以达到续流阶段电网与光伏电池隔离的目的，这一创新具有极大的意义[1-4]。虽然较之前的变压器其效率有很大提升，但该拓扑的共模电压还是存在的，对人身安全还是有很大威胁。因此本文在HERIC拓扑上进行改进，在其续流通道的中点接一开关管在直流输入电容的中点，以达到箝位的目的，使得整个工作过程中共模电压保持不变。

1 新型HERIC拓扑原理介绍

1.1 控制方法

新型HERIC拓扑如图2所示。

图2 新型Heric拓扑结构

开关管驱动信号时序图如图3所示。ugs1～ugs7分别对应S1～S7开关管的控制信号。其采用PWM控制方法[5-8]。三角波进行上下平移。上三角载波vc1与调制波vr(正弦波)交截产生控制波形ugs1和ugs4，下三角载波vc2与调制波vr交截产生控制波形ugs2和ugs4。ugs1和ugs2取或非得到ugs5、ugs6、ugs7。

图3 驱动信号时序图

1.2 工作原理

该拓扑的工作过程有4个模态[9]，如图4所示。

图4 各模态等效电路图

(1)模态1，正半周期，如图4(a)所示，开关管S1、S4导通， 其余关断。电流从正极出发，经过S1、Lf1、R、Lf2、S4，最后流回电源负极。该过程中uAN=VPV，uBN= 0，故共模电压ucm=(uAN+uBN)/2=0.5 VPV。

(2)模态2，正半周续流阶段，如图4(b)所示， S5、S6和S7导通，其余关断。由于电感存在电流续流，依次流经Lf1、R、Lf2、S6、S5，该过程中太阳能电池与电网隔离。当Q点电位高于输入电容中点电位时，二极管D1承受正向电压导通，Q点电位被箝位至输入电压的一半。当Q点电位低于输入电容中点电位时，开关管S7的导通使Q点电位被箝位至输入电压的一半。整个续流阶段，uAN=0.5 VPV，uBN=0.5 VPV，故共模电压ucm=0.5 VPV。

(3)模态3，负半周期，如图4(c)所示，开关管S2、S3导通，其余关断。电流从正端流出经过S3、Lf2、R、Lf1、S2。该过程中uAN=0，uBN=VPV，故共模电压ucm=0.5 VPV。

(4)模态4，负半周续流阶段，如图4(d)所示，开关管S5、S6和S7导通，其余关断。电流经过Lf2、R、Lf1、S5和S6。原理同模态2。整个阶段uAN=0.5 VPV，uBN=0.5 VPV，故共模电压ucm=0.5 VPV。

经过分析可知，整个工作过程中共模电压保持不变，故不会产生共模漏电流。

2 仿真结果

通过saber仿真软件仿真的S1～S7开关管的控制信号波形如图5所示。其中ugs1,4是S1和S4两个开关管的的控制信号，ugs2,3是S2和S3的控制信号，ugs5,6,7是S5、S6、S7的控制信号。仿真输出的电压波形如图6所示，为幅值在220 V左右的正弦波。

图5 控制信号

图6 输出电压波形

图7为共模电压分析图，uAN、uBN是桥臂中点A、B对负端N的电压，共模电压ucm=(uAN+uBN)/2，uo为逆变器输出电压，通过计算得知共模电压ucm维持在180 V左右。

图7 共模电压波形

从saber仿真软件得到的仿真波形来看，实验设想是可行的，通过波形数值分析可知，是能够保证整个工作过程中共模电压保持不变的。

3 实验结果

为了验证实验的正确性，现分别搭建HERIC逆变电路和箝位型Heric逆变电路，并在相同功率下比较实验结果。实验样机参数如表1所示[10-11]。

表1 实验样机参数

图8 HERIC拓扑共模电压及漏电流

图9 箝位型HERIC拓扑共模电压及漏电流

图8、图9分别是HERIC逆变电路和箝位型HERIC逆变电路的实验波形。Icm为漏电流，通过示波器对漏电流Icm进行频谱分析(FFT)。

通过比较图8(a)和图9(a)的波形可知，箝位型HERIC逆变器拓扑的共模电压较HERIC逆变器拓扑得到很好控制，波形更加平稳，共模电压始终维持在直流输入电压的1/2左右。比较图8(b)和图9(b)， FFT分析结果显示，HERIC拓扑的漏电流大小为7 mA，而箝位型HERIC拓扑只有3.5 mA。

4 结论

本文提出的新型箝位型HERIC逆变器拓扑在整个周期可产生恒定的共模电压，且比HERIC拓扑具有更好的共模电压抑制作用，降低了漏电流。

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A new HERIC PV inverter for restraining the leakage current

Yuan Ying，Ma Haixiao

(School of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210046，China)

The existing photovoltaic inverters without transformer still have common mode voltage ,which is the threat to life. In order to solve this problem, a novel non-isolated photovoltaic inverter called clamped-HERIC topology is proposed, which is based on HERIC topology. This photovoltaic inverter has added a power switch at the point of the DC input capacitance to make the voltage unchanged throughout the course of the work. This theory is feasible by simulation. Then we respectively set up HERIC inverter circuit and the clamped-HERIC inverter circuit. The simulation results are validated by experiments and data analysis. The experiment verifies the validity and low leakage current of the clamped-HERIC topology.

PV inverter; non-isolated; topology; common mode voltage; neutral point clamped

TM464

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.011

袁颖，马海啸.一种新型Heric光伏逆变器漏电流抑制技术研究[J].微型机与应用，2017,36(1)：35-37,43.

2016-09-05)

袁颖(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向：智能检测与控制。

马海啸(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：电力电子与电力传动。