共地型倍压三电平单相非隔离光伏逆变器

摘 要：为了消除非隔离型单相光伏逆变器系统的对地漏电流的问题，采用一种新型的单相共地型的逆变拓扑结构。该共地型的逆变拓扑由光伏电池、倍压电路、三电平电路、输出滤波电路和单相负载组成，其中的倍压电路由2个开关管、一个快恢复二极管和一个飞跨电容组成；三电平电路由4个开关管、1个快恢复二极管和1个飞跨电容组成。该拓扑的优点是将直流侧与交流侧共地连接，可以完全消除漏电流，同时倍压拓扑和三电平拓扑还可以将直流侧电压以倍压的形式输出三电平波形，提升了直流侧电压的利用率。针对这种新型的拓扑结构，利用载波层叠调制原理和开关管的逻辑关系，构造出该逆变器的逻辑控制策略。设计一台输出功率为100 W的原理样机，通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。

关键词：共地型；漏电流；飞跨电容；倍压；三电平；载波层叠调制

DOI：10.15938/j.emc.2024.11.014

中图分类号：TM46

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2024）11-0151-09

Common-ground-type double voltage three-level single-phase transformerless photovoltaic inverter

MA Haixiao， WU Liming

（School of Automation， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

Abstract：In order to eliminate the problem of ground drain current in non-isolated single-phase photovoltaic inverter system， a new single-phase common ground inverter topology was proposed. The common ground inverter topology is composed of photovoltaic cell， voltage doubling circuit， three-level circuit， output filter circuit and single-phase load， in which the double voltage route is composed of two switching tubes， a fast recovery diode and a flying span capacitor. The three-level circuit consists of four switching tubes， a quick recovery diode and a flying span capacitor. The advantage of this topology is that DC side and AC side are jointly connected， which can completely eliminate leakage current. Meanwhile， voltage doubling topology and three-level topology can also output three-level waveform of DC side voltage in the form of voltage doubling， which improves the utilization rate of DC side voltage. Aiming at the new topology structure， the logic control strategy of the inverter was constructed by using the principle of carrier cascade modulation and the logic relation of switching tube. A prototype with output power of 100 W was designed. Correctness of the theoretical analysis was verified by simulation and experiment.

Keywords：common ground type; leakage current; flying span capacitance; double pressure; three level; carrier cascade modulation

0 引 言

随着光伏发电技术及光伏发电装机容量的不断增加，对于逆变器的安全性和可靠性要求越来越高^[1-]。单相逆变器拓扑通常分为隔离型和非隔离型^[4-6]。隔离型逆变器中增加了变压器，这大大增加了逆变器的体积、重量和成本，同时其转换效率和功率密度也会降低^[7-8］。非隔离型逆变器则具有体积小、重量轻、成本低、效率高的优点，因此大量科研工作者对非隔离型逆变器投入研究^［9-12]。但是，非隔离型逆变器的光伏电池板与地之间存在寄生电容，这会产生漏电流，增加并网电流谐波、系统损耗，同时还会引起人员和设备的安全问题^[13-15]。因此，非隔离型逆变器的应用必须要符合安全标准，即符合德国DIN VDE-0126-1-1标准规定，漏电流幅值不能超过300 mA^[16-17］。

目前抑制非隔离型单相逆变器漏电流的技术一般分为三大类：第一种是使共模阻抗保持高阻态，主要是通过直流侧或交流侧旁路的方式来抑制漏电流，其中运用最为广泛的是H5拓扑和Heric拓扑，但是由于功率器件本身的结电容的存在，使得光伏电池板与主电路并不能完全脱离，只能在一定程度上抑制漏电流，而不能完全消除漏电流；第二种是使共模电压保持恒定，全桥类的拓扑通过中点箝位的方式使共模电压保持恒定，如箝位型的H5拓扑和箝位型的Heric拓扑，但是该方法需要功率器件的参数完全对称，也不能完全消除漏电流，还会带来逆变器的损耗与成本的增加；第三种是共地型拓扑，共地型拓扑结构的原理是将直流侧与交流侧共地，则光伏电池板的寄生电容相当于短路，从而达到完全消除漏电流的目的。该类拓扑是本文的研究重点。

近年有很多研究共地型拓扑的文献，其中，文献[17]提出一种基于虚拟直流母线的共地型拓扑，其拓扑开关管数量少，控制策略简单，但是该拓扑的飞跨电容充放电状态不均衡，在负半周期的飞跨电容一直处于放电状态，因此负半周期的电平也会随着飞跨电容的放电一直下降，导致滤波后的输出电压波形畸变；文献[19]提出一种五电平的共地型拓扑，该拓扑将飞跨电容的充放电状态保持均衡，稳定了飞跨电容电压，同时五电平可以减小滤波器的体积和质量，提升输出波形的质量，但是该拓扑有7种工作模态，需要在±UPV/2时根据飞跨电容电压来选择以哪种模态输出±UPV/2，其控制方法较为复杂；文献[20]提出一种五开关的共地型的拓扑，该拓扑的飞跨电容充放电状态均衡，且采用单极性正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）策略，控制策略简单，但是该拓扑中的一个开关管要承受双向电流，反向电流从寄生体二极管流通，体二极管性能较差，因此该开关管的损耗增加；文献[21]提出一种双飞跨电容的共地型拓扑，该拓扑的双飞跨电容的充放电状态均衡，开关管数量较少，但是其2个飞跨电容的利用率低，且拓扑构成的器件种类较多，器件成本增加；文献[22]提出一种可升压的共地型的拓扑，提升了直流侧电压的利用率，但是其增加了一个电感元件为电路提供升压，其对应的控制策略中除了采用了正弦波调制波，还采用了直流调制，调制策略较为复杂，且器件成本增加。

针对以上不足，本文在分析单相逆变器的漏电流抑制机理的基础上提出一种新型的共地型单相非隔离型光伏逆变器拓扑，并针对该拓扑提出一种基于载波层叠调制的SPWM控制策略，使得该逆变器具有飞跨电容充放电状态均衡，开关管数量较少，器件成本较低，控制策略简单，直流侧电压利用率高的优点。

1 单相逆变器漏电流抑制原理

桥式单相光伏逆变器的模型如图1所示，其中：PV为光伏电池板；Cdc为直流电容；Lf1、Lf2为滤波电感；Cf为滤波电容；Ro为负载。光伏电池板和地之间的寄生电容与逆变器、滤波器、负载之间形成回路，因此产生了漏电流。

文献[2]对非隔离型单相光伏逆变器的共模电压的数学模型进行了分析，得出总共模电压数学表达式为

utcm=uAN+uBN2+（uAN－uBN）Lf2－Lf12（Lf1+Lf2）。（1）

而单相共地型光伏逆变器和单相桥式光伏逆变器相比，其特征是光伏板的负极与地相连，且滤波器采用非对称的LC型，因此其等效电路如图2所示。

可见光伏板的负极与地相连，因此uBN=0；省去了滤波电感Lf2，因此Lf2=0，此时式（1）可变为

utcm=uAN+uBN2+（uAN－uBN）（0－Lf1）2（Lf1+0）=uBN=0。（2）

于是总共模电压恒等于0，漏电流可以完全消除，其表达式为

icm=Cdutcmdt=0。（3）

2 共地型倍压三电平拓扑

本文提出的共地型倍压三电平逆变器拓扑包括光伏电池、倍压电路、三电平电路、输出滤波电路及单相负载，如图3所示，其中：PV为光伏电池；倍压电路包括开关管S1、开关管S2、二极管D1和飞跨电容C1；三电平电路包括开关管S3～S6、二极管D2和飞跨电容C2；输出滤波电路及单相负载包括滤波电感Lf、滤波电容Cf和输出负载Ro。

该拓扑有4种工作模态，即M1、M2、M3、M4，拓扑的工作模态与开关管导通状态及输出SPWM电平之间的对应关系如表1所示。图4为共地型倍压三电平单相光伏逆变器工作模态，各模态工作原理分析如下：

1）模态I：如图4（a）所示，此时开关管导通状态为[1，0，1，1，0，0]，开关管S1、S3和S4导通，电流由光伏电池PV的正极流出，经由S1-C1-S3-S4，流过滤波电路和单相负载；同时，电流还流经C2-D2，最后流回光伏电池PV的负极。此时，输出电压为光伏电池PV和飞跨电容C1提供，飞跨电容C1处于放电状态，飞跨电容C2处于充电状态，uspwm为2UPV。

2）模态II：如图4（b）所示，此时开关管导通状态为[0，1，0，1，1，0]，开关管S2、S4和S5导通，飞跨电容C1处于充电状态，而飞跨电容C2处于悬空状态。由于开关管S4和S5导通，此时uspwm为0，该模态为正半周期的零状态。

3）模态III：如图4（c）所示，此时开关管导通状态为[1，0，1，0，0，1]，开关管S1、S3和S6导通。飞跨电容C2的电压由光伏电池PV和飞跨电容C1提供，飞跨电容C2处于充电状态，飞跨电容C1处于放电状态。由于开关管S6和二极管D2的导通，此时uspwm为0，该模态为负半周期的零状态。

4）模态IV：如图4（d）所示，此时开关管导通状态为[0，1，0，0，1，1]，开关管S2、S5和S6导通。飞跨电容C2输出2UPV，此时，uspwm为-2UPV。飞跨电容C1处于充电状态，飞跨电容C2处于放电状态。

3 调制策略

由表1中各模态的开关管的状态和输出SPWM电平之间的关系，提出一种适合该拓扑的调制策略。如图5所示，将正弦调制波ur分别与三角层叠载波uC1、uC2和地信号交截，当正弦调制波大于三角载波或地信号时输出为1，反之输出为0，比较后得到三路预处理信号A、B、C，再经由数字逻辑运算后得到6路开关管的控制信号S1～S6，其中逻辑运算的表达式为：

S1=S3=A+BC；S4=C；S2=S5=S1=S3；S6=S4。（4）

4 飞跨电容选取

本文提出的共地型倍压三电平单相光伏逆变器的负电平主要由飞跨电容C2向负载提供能量，因此在负半周期，由图4（d）可知，飞跨电容C2的放电能量近似等于负载吸收的能量，当模态4开始时飞跨电容C2的电压为uC2（t1），模态4结束时飞跨电容C2的电压为uC2（t2），根据能量守恒原则，可以得出

12C2uC2（t1）2－uC2（t2）2=∫^t2t1uoiodt。（5）

式中：

uC2（t1）2－uC2（t2）2=ΔuC22uC2（t1）－ΔuC2；

uo=Uosin（ωt）；

io=Iosin（ωt）。（6）

经过化简可得飞跨电容C2为

C2=UoIoΔt－12ω［sin（2ωt2）－sin（2ωt1）］ΔuC2［2uC2（t1）－ΔuC2］。（7）

其中：Δt为t2和t1的差；ΔuC2为飞跨电容C2的电压纹波，当io和uo达到最大值时，飞跨电容C2的电压纹波达到最大。飞跨电容的选取容值越大，电压纹波越小，但是成本也会越高。

5 仿 真

对共地型倍压三电平单相逆变器进行Simulink仿真，仿真参数如表2所示。并在最接近的参数条件下与非隔离型的单相oH5（optimized H5）逆变器和文献[20]的共地型五开关单相逆变器进行对比仿真。图6为负载输出电压uo及输出电流io仿真波形比较，图7为输出SPWM电平uspwm仿真波形比较，图8为共模电压ucm仿真波形比较，图9为漏电流icm仿真波形比较。

在相同的直流侧输入电压100 V的情况下，非隔离型的单相oH5逆变器和共地型五开关单相逆变器的输出电压uo和输出电流io如图6（a）所示，输出电压uo有效值为55 V，输出电流io有效值为0.458 A，而图6（b）所示的共地型倍压三电平单相逆变器的输出电压uo有效值为110 V，输出电流io有效值为0.917 A；图7（a）所示是非隔离型的单相oH5逆变器和共地型五开关单相逆变器的输出SPWM电压uspwm在1个周期内，电平在-100、0、100 V之间变化，而图7（b）中的共地型倍压三电平单相逆变器的输出SPWM电压uspwm同样呈现出三电平的波形，其电平在-200、0、200 V之间变化。根据式（1）所示，非隔离型的单相oH5逆变器的共模电压ucm箝位在50 V，如图8（a）所示，其对应的漏电流icm如图9（a）所示，其漏电流icm的波形在达到稳态后呈现约1 mA的工频正弦波，而共地型五开关单相逆变器和共地型倍压三电平单相逆变器的共模电压ucm等于电压uBN，由于B端与地相连，所以共模电压ucm等于0，如图8（b）所示，该共地型拓扑可以完全消除漏电流，如图9（b）所示。

从仿真中可以看出非隔离型的单相oH5逆变器虽然可以通过箝位和直流侧旁路的方式使共模电压保持恒定，但是由于器件结电容和参数不对称的因素，使得对漏电流的抑制不彻底，而共地型的拓扑可以将漏电流通过直流侧与交流侧共地连接的方式完全消除。但是非隔离型的单相oH5逆变器和共地型五开关单相逆变器的输出电压峰值不会超过直流侧输入电压，而共地型倍压三电平单相逆变器则能够实现倍压形式的波形输出，可以提高直流侧电压利用率。

6 实验结果

根据分析的拓扑结构及其对应的调制策略搭建了一台实验样机，同时搭建文献[20]的共地型五开关单相光伏逆变器与本实验样机做对比，样机参数采用表2中的数据，实验设备及实验样机如图10所示。

实验中共地型倍压三电平单相光伏逆变器的开关管所承受的最大电压为200 V，额定电流为0.909 A，假设滤波电感电流的最大纹波为额定电流的20%，计算可得出开关管的最大电流峰值约为2.314 A，一般考虑其两倍裕量，因此开关管选取IPP60R125C6型号的功率MOS管。本实验中还用到了二极管，由于二极管的工作频率为开关管频率，因此在二极管选择上采用和功率MOS管一样大小的快恢复二极管SF2040CT。

图11和图12为2个逆变器满载时的主要实验波形，其中包括：负载输出电压uo及输出电流io；逆变器输出SPWM电平uspwm；逆变器漏电流icm。由于共地型拓扑，2个电路在对消除漏电流上基本一致，如图11（c）和图12（c）所示，2个电路的漏电流icm基本保持为0，达到了消除漏电流的设计要求。在直流侧输入电压不变的情况下，从图11（a）和图12（a）中可以看出在没有倍压的情况下，共地型五开关单相光伏逆变器不能达到设计要求，需要将直流侧输入电压提高一倍，从图11（b）中能看出其三电平最高等于直流侧输入电压值100 V，而共地型倍压三电平的输出电压和输出电流满足设计要求，图12（b）中的三电平最高值等于200 V。

通过实验验证了共地型倍压三电平单相光伏逆变器，不仅可以消除漏电流，相较于共地型五开关单相光伏逆变器，该拓扑输出的SPWM电平是共地型五开关的一倍，实现了提高直流输入电压的利用率的目的，与理论分析和仿真结果基本一致。

7 结 论

本文提出了一种共地型的倍压三电平单相逆变器拓扑结构及其调制策略。新拓扑共有6个开关管和一个快恢复二极管，器件数量较少，成本较低。该拓扑共有3个输出电平，设计了4个工作模态，各个工作模态之间都能保证2个飞跨电容能够保持充放电状态均衡，因此逆变器的输出波形质量高。根据各个工作模态之间的逻辑关系选择使用双层载波调制策略，该调制策略简单易行，物理概念清晰，在硬件上也易于实现。通过理论分析、仿真和实验验证了新拓扑能够完全消除漏电流，并且在同一直流输入电压的情况下，新拓扑能够输出倍压的电压波形，提升了直流侧电压的利用率。

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（编辑：刘琳琳）