非隔離光伏并網(wǎng)逆變器共模電流抑制研究

陳國定，鐘引帆，揭　飛

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

非隔離光伏并網(wǎng)逆變器共模電流抑制研究

陳國定，鐘引帆，揭飛

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

摘要：共模電流問題是非隔離光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題之一.VDE-0126-1-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)漏電流超過規(guī)定值時(shí)，并網(wǎng)系統(tǒng)必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)停止工作.針對(duì)共模電流問題，分析其產(chǎn)生的原因，研究和對(duì)比了了幾種不同的調(diào)制方式，并詳細(xì)分析了幾種能夠有效抑制或消除共模電流的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間抑制共模電流的共同特征.在此基礎(chǔ)上，根據(jù)oHeric拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了其相應(yīng)的調(diào)制策略并分析和闡述了其工作原理.最后通過仿真驗(yàn)證了oHeric拓?fù)湟种乒材ｋ娏鞯挠行?

關(guān)鍵詞：非隔離；共模電流；oHeric拓?fù)洌徽{(diào)制策略

Research on common mode current suppression of transformerless

inverter in non-isolated photovoltaic grid system

CHEN Guoding, ZHONG Yinfan, JIE Fei

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract:Common mode current suppression is one of the key points for non-isolated photovoltaic grid system. In VDE-0126-1-1 specification, the photovoltaic systems should be disconnected from the grid within the stipulation time in case the leakage current exceeds specified value. In view of the problem of leakage current, the reason was analyzed firstly, researching and comparing different kinds of the modulation, some topologies which can restrain common mode current effectively were analyzed in details, and obtained the common feature about the different topologies. Based on the common feature, put forward the modulation strategy about oHeric topology, and analyze and elaborate the working principle. Finally, the simulation results show that the oHeric topology can effectively suppress common mode currents.

Key words:non-isolated; common mode current; oHeric topology; modulation strategy

近年來，光伏發(fā)電系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用.作為光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)接口，逆變器起著重要作用，尤其是低功耗、高效率、小體積、低成本的并網(wǎng)逆變器[1-3].并網(wǎng)逆變器按照是否具有變壓器以及變壓器的類型分為工頻隔離型、高頻隔離型以及非隔離型逆變器.含變壓器的隔離型逆變器，確保了電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)之間的電氣隔離和電壓匹配，這樣既保護(hù)了人身和設(shè)備的安全，又抑制了并網(wǎng)電流的直流分量保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.然而，工頻變壓器存在體積龐大、重量重、價(jià)格高等問題；而高頻隔離型逆變器的控制策略和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都相對(duì)復(fù)雜，元器件多，轉(zhuǎn)換效率低[4].非隔離型并網(wǎng)逆變器，具有體積小、損耗小、重量輕、成分低及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，而且非隔離并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的最高效率可以達(dá)到98%以上.因此，無變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也受到越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的研究和工業(yè)界的熱捧.但是，由于沒有變壓器的隔離，電網(wǎng)和光伏電池之間的電氣連接也存在一定的安全問題，如共模電流(漏電流).共模漏電流產(chǎn)生的原因是光伏電池板和大地存在寄生電容，隨著共模電壓的變化在寄生電容上會(huì)產(chǎn)生共模電流，因此形成電網(wǎng)—寄生電容—光伏陣列—逆變器—濾波器的共模電流回路.共模電流的存在，會(huì)造成電網(wǎng)電流畸變，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，也帶來了安全隱患[7-9].因此如何抑制或消除共模電流成了研究非隔離型并網(wǎng)逆變器的重點(diǎn).

筆者針對(duì)非隔離光伏并網(wǎng)逆變器存在的共模電流問題進(jìn)行進(jìn)一步分析，對(duì)比多種調(diào)制方法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來抑制或消除共模電流.根據(jù)改進(jìn)型的Heric拓?fù)鋄10]結(jié)構(gòu)，提出具體的調(diào)制策略，并且建立仿真模型驗(yàn)證了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抑制共模電流的有效性.

1非隔離型逆變器的共模分析

由于沒有變壓器，產(chǎn)生的漏電流會(huì)通過電網(wǎng)—寄生電容—PV板形成共模諧振電路，簡化的共模諧振電路等效模型[11]如圖1所示.

圖1　共模諧振電路的簡化模型Fig.1　Simplified equivalent model of common-mode resonant circuit

圖1中：CPV為寄生電容；LA和LB為濾波電感；icm為共模電流；ucm，udm分別為逆變器輸出的共模電壓和差模電壓.共模電流icm的表達(dá)式為

(1)

式中uecm表示等效共模電壓.從式(1)得出：寄生電容上共模電壓的變化產(chǎn)生共模漏電流.為了抑制或消除非隔離型逆變電路的共模電流，必須保持等效共模電壓為恒定值.等效共模電壓uecm定義為

(2)

式中uAN和uBN為逆變器的輸出電壓相對(duì)于直流總線的負(fù)端N的參考量.對(duì)于單相全橋拓?fù)洌琇A和LB一般選擇相同的值[12]，盡量消除差模電壓udm，因此消除共模電流的條件滿足：

(3)

由上述分析得知：要想抑制或消除共模電流，在LA=LB的情況下，需要保持共模電壓ucm恒定.由于CPV的存在，系統(tǒng)就不會(huì)產(chǎn)生共模漏電流.

2共模電流的抑制

2.1調(diào)制方式分析

在電路和寄生參數(shù)對(duì)稱的情況下，即udm=0，逆變電路通過SPWM調(diào)制使共模電壓ucm為定值.目前正弦脈寬調(diào)制的調(diào)制方式主要分為單極性、雙極性和單極性倍頻調(diào)制等三種，以正半周為例，其調(diào)制方式分別如表1～3所示.從表1可知：普通的單極性調(diào)制的共模電壓是變動(dòng)的，因此不能抑制共模電流.單極性倍頻調(diào)制，與單極性調(diào)制類似，但是其差模電壓的輸出頻率是后者的兩倍，因此相對(duì)可以獲得更好的電網(wǎng)電流質(zhì)量.從表2得出：單極性倍頻調(diào)制也不能抑制共模電流.從表3看出：在雙極性調(diào)制下，共模電壓ucm保持恒定，因此能夠有效地抑制共模電流.

表1　單極性調(diào)制下逆變器輸出電壓

表2　單極性倍頻調(diào)制下逆變器輸出電壓

表3　雙極性調(diào)制下逆變器輸出電壓

由上述分析，只有雙極性調(diào)制能夠很好地抑制共模電流.但是，采用雙極性調(diào)制所需的輸出濾波電感將大于單極性調(diào)制所需電感，輸出電感的增大，會(huì)降低效率，增大體積.在雙極性調(diào)制下，每個(gè)開關(guān)周期都由兩個(gè)開關(guān)器件參與動(dòng)作，有兩個(gè)開關(guān)管存在開關(guān)損耗，因此頻率的提高也增加了開關(guān)損耗.此外，雙極性調(diào)制下的電壓紋波相比于單極性調(diào)制也大很多.因此，實(shí)際應(yīng)用中，也不建議采納雙極性調(diào)制.而單極性倍頻的電壓紋波雖然最小，但是其四個(gè)開關(guān)管都工作在高頻且調(diào)制策略相對(duì)固定，不利于抑制共模電流的相應(yīng)的調(diào)制[13]，一般也不采納.

因此，一般都是采用單極性調(diào)制的全橋逆變結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗哂懈叩闹绷麟妷豪寐屎透〉碾娐芳y波以及更高的電網(wǎng)質(zhì)量.

2.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

對(duì)于非隔離型全橋逆變器采用單極性調(diào)制方式，我們需要解決的首要問題就是采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來有效的抑制共模電流，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和人身的安全.目前實(shí)踐中常用的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2　非隔離型并網(wǎng)逆變器拓?fù)銯ig.2　Several transformerless grid-connected inverter topologies

H5拓?fù)涫荢MA Solar公司的專利拓?fù)鋄14]，在直流側(cè)增設(shè)一個(gè)開關(guān)管S5，通過在續(xù)流時(shí)關(guān)斷S5而達(dá)到高阻抗的目的.以正半周為例，開關(guān)S1保持導(dǎo)通，S4和S5以開關(guān)頻率調(diào)制.當(dāng)正向?qū)碨4和S5導(dǎo)通時(shí)，UAN=UPV，UBN=0，此時(shí)共模電壓Ucm=UPV/2；當(dāng)正向續(xù)流即S4和S5關(guān)斷時(shí)，電流經(jīng)過S1及S3反向并聯(lián)二極管，則UAN=UPV/2，UBN=UPV/2，此時(shí)共模電壓Ucm=UPV/2.負(fù)半周同理，則該拓?fù)湓谝粋€(gè)工作周期內(nèi)使共模電壓保持恒定值，從而有效的抑制了共模電流.

Heric拓?fù)涫荢unways公司的專利拓?fù)鋄15].在采用單極性調(diào)制的基礎(chǔ)上，在續(xù)流階段關(guān)斷S1～S4，依靠S5和S6來續(xù)流，從而使電網(wǎng)和直流側(cè)隔離.其工作原理：正半周內(nèi)，開關(guān)S5保持導(dǎo)通，S6始終關(guān)斷持，S1和S4以開關(guān)頻率調(diào)制.當(dāng)S1和S4導(dǎo)通時(shí)，UAN=UPV，UBN=0，此時(shí)共模電壓Ucm=UPV/2；當(dāng)S1和S4關(guān)斷時(shí)，電流經(jīng)過S5及S6反向并聯(lián)二極管，則UAN=UPV/2，UBN=UPV/2，此時(shí)共模電壓Ucm=UPV/2.負(fù)半周同理，則該拓?fù)湓谝粋€(gè)工作周期內(nèi)使共模電壓保持恒定值，從而有效的抑制了共模電流.

FB-DCBP拓?fù)渑cH5不同的是在直流側(cè)串入兩個(gè)開關(guān)管.以正半周為例，開關(guān)S1和S4保持導(dǎo)通，而S5，S6和S2，S3交替導(dǎo)通.正向?qū)〞r(shí)即S5和S6導(dǎo)通，UAN=UPV，UBN=0，此時(shí)共模電壓Ucm=UPV/2；在續(xù)流階段，S5和S6關(guān)斷，S1和S4仍然導(dǎo)通，存在兩條續(xù)流回路，分別是S1和S3的反并聯(lián)二極管以及S4和S2的反并聯(lián)二極管.兩個(gè)二極管D1和D2起鉗位作用，將續(xù)流回路的中點(diǎn)鉗位至均壓電容中點(diǎn)電壓，即保持Ucm=UPV/2.負(fù)半周同理，則該拓?fù)湓谝粋€(gè)工作周期內(nèi)使共模電壓保持恒定值，從而有效的抑制了共模電流.

oH5拓?fù)涫窃贖5拓?fù)涞幕A(chǔ)上，引入可控開關(guān)管和均壓電容構(gòu)成鉗位電路.其思想與FB-DCBP拓?fù)漕愃?，在續(xù)流回路的中點(diǎn)鉗位至均壓電容的中點(diǎn)電壓，使Ucm保持UPV/2不變，從而消除共模電流.

通過上述分析看出：能夠抑制共模電流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有個(gè)共同特征，即在逆變電路的續(xù)流階段將電網(wǎng)回路和直流回路斷開連接，從而使得續(xù)流回路的共模電壓Ucm=UPV/2.據(jù)此，圖3給出了改進(jìn)型Heric拓?fù)?oHeric拓?fù)?，在Heric拓?fù)涞幕A(chǔ)上通過加入雙向開關(guān)管S7，S8.

圖3　oHeric拓?fù)潆娐稦ig.3　Circuit of oHeric topology

在Heric原有的調(diào)制方式上進(jìn)行改進(jìn)，提出了oHeric拓?fù)涞恼{(diào)制策略如圖4所示.正半周期內(nèi)，交流旁路的S6保持導(dǎo)通，而S7，S8和S1，S4以開關(guān)頻調(diào)制交替導(dǎo)通.正向?qū)碨1和S4導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)共模電壓Ucm=UPV/2；在續(xù)流階段，S7和S8導(dǎo)通，續(xù)流電流經(jīng)過S6和S5的反并聯(lián)二極管.此時(shí)開關(guān)管S7和S8起鉗位作用，將續(xù)流回路的中點(diǎn)鉗位至均壓電容中點(diǎn)電壓，即保持Ucm=UPV/2.負(fù)半周內(nèi)的工作原理及共模電壓分析與正半周類似.該拓?fù)湓谡麄€(gè)工作周期共模電壓保持恒定為UPV/2，因此共模電流能夠得到有效的抑制.相比與Heric拓?fù)?，增加的開關(guān)管S7和S8由于流經(jīng)的電流較小而并未明顯增加損耗，但卻可以大幅度提高對(duì)共模電流的抑制效果.

圖4　oHeric開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)邏輯Fig.4　Gate drive signal of oHeric

由上述分析可知：S5和S6在非工作半周也高頻導(dǎo)通，從而為無功電流提供了通路.因此，提出的調(diào)制策略可使oHeric系統(tǒng)電路在任意功率因數(shù)下運(yùn)行.而在續(xù)流階段，通過S7和S8導(dǎo)通將O點(diǎn)電位鉗位至均壓電容中點(diǎn)M的電壓，使得共模電壓Ucm=UPV/2保持恒定，從而增強(qiáng)對(duì)共模電流的抑制.

3實(shí)驗(yàn)仿真

為驗(yàn)證提出的基于oHeric的調(diào)制策略可行性和有效性，按照?qǐng)D3的oHeric拓?fù)錁?gòu)建光伏并網(wǎng)逆變電路，在MATLAB/Simlink環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證.

圖5　oHeric拓?fù)涞墓材ｋ妷汉吐╇娏鞑ㄐ蜦ig.5　Common voltage and leakage current waveform of oHeric topology

oHeric拓?fù)潆娐返姆抡娼Y(jié)果如圖5示.在寄生電容100 nF的情況下，oHeric拓?fù)渑浜瞎P者提出的調(diào)制策略，能夠有效地抑制共模電流，甚至將共模電流抑制到15 mA以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VDE規(guī)定的300 mA.

4結(jié)論

主要研究了非隔離型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的共模電流的抑制問題.對(duì)單相非隔離型系統(tǒng)的調(diào)制方式進(jìn)行了分析和仿真，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)雙極性調(diào)制在電感對(duì)稱分布LA=LB時(shí)，系統(tǒng)能夠有效地抑制漏電流.同時(shí)，研究不同的單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，對(duì)比發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在續(xù)流階段將PV板和電網(wǎng)側(cè)隔離，實(shí)現(xiàn)了共模電壓的恒定從而抑制共模電流這個(gè)共同特征.在此基礎(chǔ)上，針對(duì)oHeric拓?fù)涮岢隽伺c其相應(yīng)的調(diào)制策略，在保持Heric拓?fù)涓咝实那疤嵯绿岣吡艘种坡╇娏鞯男Ч?，?duì)于非隔離型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的研究具有一定的借鑒價(jià)值.對(duì)oHeric的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證，在今后研究中，還需對(duì)控制策略做進(jìn)一步研究，以達(dá)到更好的效果和使用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1]楊秋霞，高金玲，榮雅君，等．單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)共模電流分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(1):180-185.

[2]蔣建東，李魯霞，蔡世波，等．微網(wǎng)中多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)下垂控制策略研究[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42(2)：132-136.

[3]何通能，安康，逯峰．基于模糊PI控制的三相船用逆變電源研究[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41(2)：222-227．

[4]KEREKES T, TEODORESCU R, RODRIGUEZ P, et al. A new high-efficiency single-phase transformerless PV inverter topology[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics，2011，58(1)：184-191．

[5]肖華鋒，謝少軍，陳文明，等．非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器漏電流分析模型研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(18):9-14．

[6]薛家祥，李麗妮，廖天發(fā)，等．非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器共模干擾抑制方法研究[J]．電源技術(shù)與應(yīng)用，2014，40(8)：68-71．

[7]吳學(xué)智，尹靖元，楊捷，等．新型的無隔離變壓器單相光伏并網(wǎng)逆變器[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(10):2712-2718．

[8]張犁，孫凱，馮蘭蘭，等．一種低漏電流六開關(guān)非隔離全橋光伏并網(wǎng)逆變器[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(15):1-7．

[9]周文委，翁國慶，張有兵．基于ARM的多功能三相電能質(zhì)量在線監(jiān)測器[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40(2)：213-216．

[10]唐婷，石祥花，黃如海，等．非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器漏電流抑制機(jī)理分析與改進(jìn)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(18)：25-31．

[11]LOPEZ O, FREIJEDO F D, YEPES A G, et al. Eliminating ground current in a transformerless photovoltaic application[J]．IEEE Trans Energy Convers，2010，25(1)：140-147．

[12]鄔偉強(qiáng)，郭小強(qiáng)．無變壓器非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器漏電流抑制技術(shù)[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(18)：1-8．

[13]YANG Bo, LI Wuhua, GU Yunjie, et al. Improved transformerless inverter with common-mode leakage current elimination for a photovoltaic grid-connected power system[J]．IEEE Trans On Power Electronics，2012，27(2)：752-762．

[14]VICTOR M, GREIZER F, BREMICKER S, et al. Method of converting a direct current voltage from a source of direct current voltage，more specifically from a photovoltaic source of direct currentvoltage，into a alternating current voltage：United States，US 7411802 B2 [P]．2008-08-12．

[15]SCHMIDT H, SIEDLE C, KETTERER J. Inverter for transforming a DC voltage into an AC current or an AC voltage：Germany，EP1369985 (A2) [P]．2003-12-10．

(責(zé)任編輯：陳石平)

文章編號(hào)：1006-4303(2015)06-0655-05

中圖分類號(hào)：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：陳國定(1962—)，男，浙江寧波人，教授，博士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)先進(jìn)控制、網(wǎng)絡(luò)控制、電力電子與電力傳動(dòng)及其中控制策略等，E-mail：gdchen@zjut.edu.cn.

收稿日期：2015-05-15