可控开关非隔离型并网逆变器研究

摘 要：把太阳能转化为电能的装置叫做太阳能光伏发电装置，逆变器是光伏发电装置的核心部分。该文通过分析典型三相并网逆变器的共模电压问题，提出一种可控开关非隔离型并网逆变器，其采用SVPWM策略控制技术，通过控制零矢量减小共模电压的幅值。在此基础上，应用MATLAB/Simulink对可控开关导通和切断2种状态对比仿真，验证其抑制共模电压的能力。

关键词：逆变器；共模电压；可控开关；光伏发电；仿真

中图分类号：TK51 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）22-0065-05

Abstract： A device that converts solar energy into electricity is called a photovoltaics device. The inverter is the core of a photovoltaic device. In this paper， the common-mode voltage of typical three-phase solar inverter is analyzed， and a controllable switching non-isolated solar inverter is proposed， the amplitude of common-mode voltage is reduced by controlling zero vector. On the basis of this， MATLAB/Simu link is used to compare and simulate the on-off states of the controllable switch， and the ability of suppressing common-mode voltage is verified.

Keywords： inverter; common-mode voltage; controllable switch; photovoltaic power generation; simulation

2023年12月，国务院印发《空气质量持续改善行动计划》，指出清洁能源必将大力发展，截至2025年，化石能源消费比重将达80%以下[1]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出加快规划建设新型能源体系，巩固电力装备、新能源汽车、太阳能光伏、通信设备和动力电池等优势产业领先地位。

光伏发电装置作为新能源发电产业中的主要支柱，已成为助力环境可持续发展的有力因素，为“双碳”目标的实现提供重要保障。把太阳能转化为电能的装置叫做太阳能光伏发电装置，光伏逆变器用在电池板或光伏阵列中，其作为装置中交、直流电能的转换设备，相当于光伏的心脏，在整个光伏发电装置中起着非常重要的作用。

为提高光伏发电装置的工作效率，减小体积、成本与重量，本文以典型非隔离型三相光伏并网逆变器为研究对象。非隔离型逆变器由于没有低频或高频隔离变压器，逆变器交流侧会出现直流分量，导致共模电压的产生，进而产生共模电流。共模电流的谐波分量影响系统安全、稳定运行，其产生的辐射会对周围元件造成干扰，故共模电压是非隔离型并网逆变器必须解决的关键问题之一。

1 可控开关非隔离型并网逆变器

1.1 可控开关非隔离型并网逆变器系统图

本文提出一种可控开关非隔离型并网逆变器，结构如图1所示，其由7个控制开关、直流母线侧电容、三相对地电容、输出侧滤波电路、传感器和驱动电路等组成。该逆变器在典型非隔离型并网逆变器的基础上，在其直流母线正极处加一可控开关S7。当逆变器工作在零矢量状态时，结合SVPWM策略控制技术，让控制开关S7可靠断开，使共模回路无法形成，来解决典型非隔离型并网逆变器共模电压存在高次谐波、共模电流较大的问题。

图1中，Cdc为直流母线侧电容，Ca、Cb、Cc分别为A、B、C三相对地电容，La、Lb、Lc为开关输出侧滤波电路的滤波电感，N为电网中性点，N′为直流母线与逆变器负端点，ua、ub、uc分别表示A、B、C三相电网电压的瞬时值，S1～S7为控制开关，A、B、C为三相桥臂中点。

1.2 参数设计

1.2.1 开关管IGBT参数设计

此逆变器按20 kW额定功率运行时，系统电流有效值为30 A左右，最大值可达40 A左右。在充分考虑约1.5倍裕量的情况下，开关管IGBT的额定电流设置为65 A，与目前市场已有65 A开关管IGBT对比分析，选择信号为LUH50G1204的开关管，其耐压值为1 200 V，峰值为537 V左右。考虑本系统每相220 V并网电压的有效值及系统电压运行损耗，并网线电压峰值应大于LUH50G1204的开关管峰值电压，故直流母线电压定为700 V。

1.2.2 直流稳压电容的参数设计

为稳定逆变器直流输入侧的电压值，可在直流母线侧并稳压电容。当三相系统的电压发生偏移时，中性点电位改变，系统直流侧母线电压会出现10%的电压波纹，由上述分析可知，直流母线电压为700 V，电容参数如式（1）所示

式中：Udm为直流母线侧电压值；ΔUdm为直流母线侧电压波纹值；P为逆变器在额定状态下的功率；f为电网电压频率。

代入参数可得Cdc为398.1 μF，在仿真过程中，可采用两电容串联的形式，故单个电解电容数值选取为1 000 μF，其可承受的最大电压为450 V。满足系统对电容参数的要求。

1.2.3 交流电感电容参数设计

综合考虑直流稳压电容、滤波电路感抗、开关管参数、谐波电容和元器件发热损耗等参数。

式中：f1为载波频率；f为基波频率；fLC为谐振频率。

将参数带入公式得

系统LC滤波器的谐振频率见式（3）

式中：fLC为LC滤波器的谐振频率；L为交流侧电感值；C为交流侧电容值。

公式（2）、公式（3）联立可求出LC的值为[2]

根据上述分析计算可得，交流侧电感值可选择为0.66 mH，电容值可选择为7.65 μF。

2 共模电压的分析

2.1 共模电压计算

由典型三相并网逆变器的分析可知，开关的通断可使其呈现表1的8种状态。其中，V1—V6为非零矢量状态，V0、V7为零矢量状态，开关状态中，0表示上管关断，下管导通，1则相反。

假设光伏电池对地电容数值不变，漏电流的大小直接受共模电压影响。根据基尔霍夫定律可推导出系统电压关系[3-4]

， （4）

式中：UAN、UBN、UCN分别为三相桥臂中点与中性点电压差的瞬时值；ia、ib、ic分别为A、B、C三相瞬时电流值；ua、ub、uc分别为A、B、C三相瞬时电压值；L为自感系数。

因系统三相对称运行时，A、B、C三相电压和为0。

又因|UBN|=|UBN′-UNN′| ， （5）

式中：UBN为任意相到中性点N的电压瞬时值，UBN′为任意相到逆变器直流侧母线负端N′的电压瞬时值，UNN′为中性点N到逆变器直流侧母线负端N′的电压瞬时值。

可推导出，共模电压的计算公式如下[5-6]

， （6）

式中：UAN′、UBN′、UCN′分别为三相桥臂中点到直流侧母线负端的电压瞬时值。

将开关状态量带入公式，可得

式中：Udc为直流电压母线的电压有效值。

计算结果见表1。

2.2 共模电压抑制原理

根据上述分析可知，当开关S7处于导通状态时，可控开关非隔离型逆变器与无可控开关的典型逆变器工作原理相同，开关在表1中的8种开关状态下，共模电压的幅值有0、1/3Udc、2/3Udc、Udc 4种。可见，逆变器工作在零矢量V7时，共模电压幅值最大，对系统影响最大。此时，将开关S7置于关断状态，如图1所示。上臂开关1、3、5全部导通，下臂开关2、4、6全部关断，共模回路无法形成，共模电压为Udc的状态不存在。故在可控开关非隔离型并网逆变器中，共模电压的幅值只有1/3Udc、2/3Udc两种，从而减小了共模电压的幅值。

3 调制策略的实现

3.1 复平面SVPWM的扇区判断

可控开关非隔离型逆变器控制策略采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，SVPWM技术能有效削弱此逆变器的输出的电流谐波幅值，有效减少电动机产生的脉动转矩增大的问题，具体实现方法如图2所示，除去V0、V7两个矢量，V1、V2、V3、V4、V5、V6六个非零矢量将αβ复平面分为6个扇区，将目标电压矢量分解到其所在扇区两侧的基本矢量上。

首先以相差120°的3个扇区边界线构造符号函数，得到目标电压矢量Vref所在的扇区，设f1、f2、f3满足

（8）

再定义A、B、C三个变量分别为A=sign（f1）、B=sign（f2）、C=sign（f3），通过判断符号函数f1、f2、f3与0的大小关系，从而判断A、B、C三个变量与组合变量N的赋值为1还是0，其中组合变量N为A+2B+4C。具体分析如下，经计算推导，A、B、C、N的分析结果见表2。

3.2 电压矢量作用时间

与复平面内SVPWM的扇区判断分析过程类似，先将目标电压矢量分解为基本矢量，再计算出各个矢量在一个开关周期内的持续作用时间，以时间的长短表示矢量的大小[7-9]，则有：

式中：t0为零矢量状态下作用时间；t4、t6分别为非零矢量V4、V6在一个开关周期内的持续作用时间；T是开关周期；Vα表示在两相静止坐标系下α轴的电压；Vβ表示在两相静止坐标系下β轴的电压；Udc为直流电压母线的电压有效值。

令矢量作用时间为X、Y、Z，则扇区I、扇区II、扇区III、扇区Ⅳ、扇区V和扇区VI电压矢量作用时间结果如下

TI1=Z；TI2=Y；TII1=Y；TII2=-X；TIII1=-Z；TIII2=X；

TⅣ1=-X；TⅣ2=Z；TV1=X；TV2=-Y；TVI1=-Y；TVI2=Z。

（10）

3.3 扇区矢量切换点的确定

由上述共模电压抑制原理可知，当V1—V6作用时，使直流母线上的可控开关S7闭合，共模电压的幅值只有1/3Udc、2/3Udc两种；当共模电压在零矢量V0、V7作用时，S7断开，共模回路无法形成，可得出扇区矢量切换点。

4 仿真验证

在完成可控开关非隔离型并网逆变器的设计后，为了验证其有效性，通过MATLAB/Simulink仿真平台对分析结果进行验证，所述逆变器仿真平台如图3所示。图中ua、ub、uc分别表示A、B、C三相电网电压的瞬时值。当可控开关S7导通时，为理想模型系统，当可控开关S7断开时，为可控开关非隔离型并网逆变器模型系统。其共模电压仿真平台参数设置如下：直流侧电压设为400 V，负载电阻设为18 Ω，光伏电池板对地等效电容为1 μF；逆变器功率设为20 kW，滤波电感L设为3.16 mH，等效串联电阻R设为0.5 Ω，逆变器三相并网电压、电流的仿真在220 V的电网电压下进行。

如图3所示，将可控开关非隔离型并网逆变器仿真平台中可控开关S7置于导通状态，仿真结果如图4所示。

再将仿真平台中可控开关S7置于断开状态，仿真结果如图5所示。

从图4、图5可以看出，当逆变器处于零矢量状态时，将可控开关S7置于断开或导通2种模式时，逆变器的共模电压与共模电流的幅值大小均不同。由图4、图5分析可知，逆变器可控开关S7断开时，共模电压与共模电流的幅值较小，共模电流有效值为0.382 A；而逆变器可控开关S7导通时，共模电压与共模电流的幅值较大，共模电流有效值为0.796 A。通过仿真可见，在典型非隔离型并网逆变器的直流母线正极处加一可控开关S7，通过SVPWM调控策略，可以消去零矢量状态下，幅值为0、Udc的共模电压，减小逆变器中共模电压的幅值，进而减小其共模电流。

5 结论

典型非隔离型逆变器由于没有低频或高频隔离变压器，其交流侧会出现直流分量，导致共模电压的产生，共模电压会影响逆变器的正常运行。本文在典型三相并网逆变器的母线正极处安装了一个可控开关S7，结合SVPWM策略控制技术，当逆变器工作在零矢量V7时，断开可控开关S7，抑制共模电压的产生，仿真结果验证了理论分析的正确性。

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作者简介：金丽娜（1989-），女，讲师。研究方向为电气自动化。