非隔离型光伏并网逆变器漏电流分析

张 洋，张 敏，张 蔚

(国网江苏省电力有限公司扬中市供电分公司，江苏 镇江 212200)

0 引言

太阳能是一种供给稳定的可再生能源资源，非隔离型光伏并网逆变器由于成本低和效率高等特点，在国内外被广泛的应用于太阳能发电。非隔离型光伏并网系统与电网间无有效电气隔离，当高频工作的功率开关管开关时产生共模电压，太阳能光伏板、逆变器设备和大地之间产生寄生电容与非隔离型光伏并网系统形成回路，从而形成共模电流，共模电流又称为漏电流，漏电流的产生不仅导致并网电流产生畸变，更主要的是对相关工作人员产生触电危险和对设备高可靠性工作产生安全隐患。目前扬中市居民用户安装的并网逆变器功率普遍小于10 kVA,根据NB32004-2013 标准，当逆变器额定功率小于或者等于30 kVA，漏电流大于300 mA时，整个逆变器并网系统必须在0.3 s 内将设备断切，因此对漏电流的抑制成为非隔离型光伏并网系统广泛应用需首要解决的技术问题。

根据漏电流产生机理，建立了相应的漏电流数学模型，用公式推导的方式对漏电流进行分析和研究，在单相并网逆变器拓扑架构内给出调制方式对于抑制漏电流的具体分析，讨论不同调制策略对于抑制漏电流的影响，并通过PSIM 搭建平台进行相应的仿真验证和对比分析。

1 单相非隔离型并网逆变器等效数学模型

为便于研究，以如图1 所示的单相非隔离型全桥逆变器拓扑结构为研究对象，其中Upv是经过Boost 电路升压后的光伏板母线电压，电容C 为稳压电容，S1，S2，S3和S4分别是全桥电路的四个功率开关管，后级输出滤波电路采用的是由电感L1，L2组成的一阶滤波器，C1是寄生电容，Ugrid为电网电压。

图1 全桥逆变器电路拓扑

功率开关管工作频率远高于电网频率50 Hz，电网可近似看做被短接，由图1 可得共模电压Ucm：

将图1 中的电路拓扑结合公式(3)，(4)运用戴维南定理简化成如图2 所示。

图2 全桥逆变器共模等效电路

寄生电容C1上的电流及共模漏电流为：

由公式(5)可知，共模电压Ucm和寄生电容C1影响漏电流icm的值，寄生电容C1受产品自身寄生电容参数的影响很难有效改善，因此采用适合SPWM 开关调制方式使共模电压Ucm为常数，以达到抑制或者消除漏电的目的。

2 调制策略对抑制漏电流的影响分析

SPWM 调制方式因有着易于实现且较高的转换效率被广泛运用在逆变器的控制上，常用的有单极性SPWM 调制和双极性SPWM 调制。

图3(a)(b)为单相非隔离型全桥逆变器在正周期工作模态，在单极性SPWM 调制方式的工作原理分析：正半周期内，电网电压大于零，开关管S1通断频率为开关频率，开关管S2和开关管S3关断，开关管S4始终导通。当开关管S1导通时(见图3a)，UAN=UPV，UBN=0，Ucm=UPV/2; 当 开 关管S1关断时(见图3b)，UAN=0，UBN=0，Ucm=0。同理分析，负半周期内，电网电压小于零，开关管S1和S4关断，两端承受的电压为母线电压，开关管S2始终导通，开关管S3通断频率为开关频率，当开关管S3导通时，UAN=0，UBN=UPV，Ucm=UPV/2， 当 开 关 管S3关 断 时，UAN=0，UBN=0，Ucm=0。

图3 全桥逆变器在单极性调制下的工作模态

根据上述分析可以得出如表1 所示的单极性SPWM 调制策略下开关状态与共模电压关系。分析表1 可知，采用单极性SPWM 调制策略产生的共模电压始终在(0，UPV/2)间高频变化，对漏电流的抑制存在一定的局限性。

表1 单级性调制下开关状态与共模电压

图4(a)(b)为单相非隔离型全桥逆变器采用双极性SPWM 整个周期工作模态，在双极性SPWM调制方式的工作原理分析如下：当开关管S1，S4导通，开关管S2，S3关断时，电路回路如图4(a)所示，此时，UAN=UPV，UBN=0，Ucm=UPV/2；当开关管S1，S4关断，开关管S2，S3导通时，电路回路如图4(b)所示，此时，UAN=0，UBN=UPV，Ucm=UPV/2。

图4 全桥逆变器在双极性调制下的工作模态

表2 所示是双极性SPWM 调制策略下开关状态与共模电压关系，开关管S1，S4开关状态相同，开关管S2，S3开关状态相同。表3 所示是不同控制策略的共模电压值。

表2 双板性调制下开关状态与共模电压

表3 两种不同控制策略共模电压值

3 仿真与分析

为了验证上述理论的正确性，基于PSIM 仿真软件，在该平台分别搭建单极性SPWM 调制策略下和双极性SPWM 调制策略下的仿真电路，仿真参数为：光伏板输出电压UPV=400 V，稳压电容C=100 nF，寄生电容C1=75 nF，开关频率fs=15 kHz，电网电压频率UGrid=220 V，频率f=50 Hz。仿真结果验证了前文理论分析的正确性，双极性SPWM 调制策略相较于单极性SPWM 调制策略，功率开关器件始终工作在高频状态下且只有两个工作模态，无续流状态，共模电压Ucm值为恒定值UPV/2，尽管采用双极性SPWM 调制策略下开关损耗较大，但从仿真结果可以看出双极性SPWM 调制策略对漏电流的抑制较为明显。

4 结论

基于单相非隔离光伏并网逆变器，给出电路拓扑的数学等效模型，分析漏电流产生的根本原因在于寄生电容两端共模电压随着开关频率高速变化产生电流回路，分析现有两种控制策略对漏电流的影响，在PSIM 平台上搭建电路进行仿真研究，仿真结果表明采用双极性SPWM 调制策略抑制漏电流抑制效果更佳，为抑制漏电流保障人身和设备安全提供理论支撑。