改进型并联H5 拓扑调制方式分析与仿真

苏 娜 梅 盼 陈 跃 蔡文静

（台州学院 电子与信息工程学院，浙江 台州318000）

出于安全考虑，大多数光伏并网逆变系统都带有变压器作为光伏发电系统和和电网之间的电气隔离。变压器增加了系统重量、体积和成本，降低了整体效率。非隔离系统不存在上述问题，但是没有变压器作为电气隔离，光伏阵列与接地框架间的寄生电容，和逆变器、滤波器、电网及大地形成共模回路。如果系统共模电压随功率器件开关产生高频变化，共模回路中就会存在地电流环流。地电流会造成电网电流畸变，电磁干扰，系统的额外损失及安全隐患[1]。因此，地电流幅值需要有所限制，德国VDE-0126-1-1 标准规定，地电流有效值高于30mA 时光伏并网系统必须在0.3s 内从电网中切除[2]。

采用双极性调制的桥式非隔离逆变器，理想情况下共模电压保持不变，可以有效抑制地电流的产生，但是功率器件工作在高频开关状态，系统效率较低。因此，为了抑制地电流和提高系统效率，基于桥式逆变器提出了很多新型拓扑，例如直流侧解耦的H5 拓扑或交流侧解耦的HERIC 拓扑[3-4]，增加额外功率器件，使得共模电压在高频开关过程中基本保持不变，有效地抑制地电流，但未关注无功功率的控制问题。

本文将单相非隔离光伏逆变器进行并联，推导了共模电压的表达式，可以使共模电压在理想情况下基本保持不变，能有效地抑制地电流环流，最后给出了仿真结果予以验证。

1 工作原理

1.1 拓扑的构成

图1 改进型H5 逆变拓扑

图1 为本文提出的单相非隔离光伏并网逆变拓扑结构示意图。图中，Cpv1和Cpv2表示光伏阵列对地寄生电容，iN为系统地电流。开关管S1～S5和开关管S'1～S'5分别构成两个H5 全桥逆变结构，两模块结构对称，交流测通过相间电感Lip并联，用于抑制并联逆变器相间环流电流；总输出通过逆变器输出滤波电感L1、L2与电网连接。在输出零电平阶段，开关管S1和S3为模块1提供电感电流回路，开关管S'2和S'4为模块2 提供电感电流回路，开关管的双向导通特性也为无功电流提供了通路；开关管S5和S'5断开，实现直流侧解耦，切断共模电流通路；二极管D1和D'1可以在零电平阶段将桥臂中点电压钳位到直流母线电压的一半，有利于抑制共模电压震荡，同时减小了两模块之间的差模电压，有利于抑制相间环流，另一方面，各桥臂器件的开关电压也被钳位到直流母线电压的一半，大大降低了器件的开关损耗。

1.2 工作过程分析

下面介绍一个完整工作周期改进型H5 拓扑的工作过程，图2 为该拓扑的驱动信号示意图，图中um为调制波，调制波和载波比较得到各桥臂的开关信号，同一桥臂的上下管互补工作。

图2 调制示意图

当调制波为正半周时，S1一直导通，S'3一直关断，S3和S'1由调制波和载波比较得出。当um＞uc时，S3关断，S'1导通，S5、S'5的驱动信号和S'1的驱动信号相同，导通。如电感电流为正，iA流过S5、S1和S4，iA'流过S'1、S'4和S'5；如电感电流为负，iA流过S5、S1和S4的反并二极管D5、D1和D4续流，iA'流过D'1、D'4和D'5续流。共模电压ucm表示为

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（Udc+0+Udc+0）=0.5Udc

反之，当um＜uc时，S3导通，S'1关断，S5、S'5关断。如电感电流为正，iA流过S1、D3，iA' 流过D'2、S'4；如电感电流为负，iA流过D1和S3，iA'流过S'2、D'4。共模电压ucm表示为

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc）=0.5Udc

当调制波为负半周时，S3一直导通，S'1一直关断，S1和S'3由调制波和载波比较得出。当um＞uc时，S1导通，S'3关断，S5、S'5关断。如电感电流为正，iA流过S1、D3，iA' 流过D'2、S'4；如电感电流为负，iA流过D1和S3，iA'流过S'2、D'4。共模电压ucm表示为

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc）=0.5Udc

反之，当um＜uc时，S1关断，S'3导通，S5、S'5导通。如电感电流为正，iA流过S5、S3和S2，iA'流过S'3、S'2和S'5；如电感电流为负，iA流过S5、S3和S2的反并二极管D5、D3和D2续流，iA' 流过D'5、D'3和D'2续流。共模电压ucm表示为

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（0+Udc+0+Udc）=0.5Udc

逆变器只有3 种工作状态，四个桥臂的电压之和在任意瞬间保持不变，忽略电网影响，共模电压ucm理想情况下保持为upv/2 不变，能有效的抑制地电流。需要注意的是，抑制共模地电流的同时，也需要抑制差模相间环流，因为S1～S4和S'1～S'4的驱动信号固定不变，同相的两个桥臂之间，即桥臂A 和桥臂A' 之间，或桥臂B 和桥臂B' 之间，在输出零电位时，与续流二极管D6、D'6构成差模回路，需要增加相间电感Lip来抑制系统相间环流。

2 仿真验证

在MatlabSimulink 中搭建仿真模型进行验证，参数设置如下：系统额定的输出功率为P=3.6kW，直流母线电压Upv=360V，功率器件开关频率为fs=20 kHz，输出滤波电感L1=L2=L=0.86mH，Lip=10mH，寄生电容Cpv1=Cpv2=0.3μF，电网频率fg=50 Hz，相电压220 Vrms，电网接地阻抗为Zg=0.5Ω，频率调制比mf为400，幅度调制比ma为0.87。

图3 不同功率因数下的仿真结果

图3 为不同功率因数下的仿真结果，单台单相逆变器工作于传统混合调制方式下，并网电压ug、并网电流ig、地电流iN和A 相网电流波形iA的仿真波形。如图可见，在不同功率因数下，地电流都得到很好的抑制。

3 结论

本文提出了一种并联型的H5 拓扑。分析了该电路调制方式，共模电压在开关过程中基本保持不变，可以有效抑制光伏地电流的产生。并通过matlab/simulink 仿真验证了在不同功率因数下该拓扑对地电流都具有良好的抑制效果。