一種新型HERIC光伏逆變器漏電流抑制技術(shù)研究

袁 穎，馬海嘯

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210046)

一種新型HERIC光伏逆變器漏電流抑制技術(shù)研究

袁 穎，馬海嘯

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210046)

針對(duì)已有的無變壓器光伏逆變器存在共模電壓威脅人身安全的問題，在非隔離光伏逆變器(Highly Efficient Reliable Inverter Concept，HERIC)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，提出了一種新型的箝位型HERIC拓?fù)?。箝位型HERIC拓?fù)涫窃谀孀兤髦绷鬏斎腚娙莸闹悬c(diǎn)加入了另一個(gè)開關(guān)管，使整個(gè)工作過程中共模電壓保持不變。通過仿真發(fā)現(xiàn)這一理論是可行的。然后分別搭建HERIC逆變電路和箝位型HERIC逆變電路，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了仿真結(jié)果，證明了箝位型HERIC拓?fù)涞挠行院偷吐╇娏魈匦浴?/p>

光伏逆變器；非隔離；拓?fù)洌还材ｋ妷?；箝?/p>

0 引言

圖1 HERIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隨著新能源的興起，太陽能已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，這其中包括光伏發(fā)電。傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器都是采用變壓器來進(jìn)行電隔離的，以此保障人身安全。但是，這也存在變壓器的使用大大降低了系統(tǒng)效率的缺點(diǎn)。近幾年來人們提出了多種無變壓器光伏逆變器拓?fù)洌@其中包括 HERIC拓?fù)?如圖1)，該拓?fù)涫窃贖橋的橋臂兩端加上兩個(gè)反向的開關(guān)管進(jìn)行續(xù)流，以達(dá)到續(xù)流階段電網(wǎng)與光伏電池隔離的目的，這一創(chuàng)新具有極大的意義[1-4]。雖然較之前的變壓器其效率有很大提升，但該拓?fù)涞墓材ｋ妷哼€是存在的，對(duì)人身安全還是有很大威脅。因此本文在HERIC拓?fù)渖线M(jìn)行改進(jìn)，在其續(xù)流通道的中點(diǎn)接一開關(guān)管在直流輸入電容的中點(diǎn)，以達(dá)到箝位的目的，使得整個(gè)工作過程中共模電壓保持不變。

1 新型HERIC拓?fù)湓斫榻B

1.1 控制方法

新型HERIC拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 新型Heric拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖如圖3所示。ugs1～ugs7分別對(duì)應(yīng)S1～S7開關(guān)管的控制信號(hào)。其采用PWM控制方法[5-8]。三角波進(jìn)行上下平移。上三角載波vc1與調(diào)制波vr(正弦波)交截產(chǎn)生控制波形ugs1和ugs4，下三角載波vc2與調(diào)制波vr交截產(chǎn)生控制波形ugs2和ugs4。ugs1和ugs2取或非得到ugs5、ugs6、ugs7。

圖3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖

1.2 工作原理

該拓?fù)涞墓ぷ鬟^程有4個(gè)模態(tài)[9]，如圖4所示。

圖4 各模態(tài)等效電路圖

(1)模態(tài)1，正半周期，如圖4(a)所示，開關(guān)管S1、S4導(dǎo)通， 其余關(guān)斷。電流從正極出發(fā)，經(jīng)過S1、Lf1、R、Lf2、S4，最后流回電源負(fù)極。該過程中uAN=VPV，uBN= 0，故共模電壓ucm=(uAN+uBN)/2=0.5 VPV。

(2)模態(tài)2，正半周續(xù)流階段，如圖4(b)所示， S5、S6和S7導(dǎo)通，其余關(guān)斷。由于電感存在電流續(xù)流，依次流經(jīng)Lf1、R、Lf2、S6、S5，該過程中太陽能電池與電網(wǎng)隔離。當(dāng)Q點(diǎn)電位高于輸入電容中點(diǎn)電位時(shí)，二極管D1承受正向電壓導(dǎo)通，Q點(diǎn)電位被箝位至輸入電壓的一半。當(dāng)Q點(diǎn)電位低于輸入電容中點(diǎn)電位時(shí)，開關(guān)管S7的導(dǎo)通使Q點(diǎn)電位被箝位至輸入電壓的一半。整個(gè)續(xù)流階段，uAN=0.5 VPV，uBN=0.5 VPV，故共模電壓ucm=0.5 VPV。

(3)模態(tài)3，負(fù)半周期，如圖4(c)所示，開關(guān)管S2、S3導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電流從正端流出經(jīng)過S3、Lf2、R、Lf1、S2。該過程中uAN=0，uBN=VPV，故共模電壓ucm=0.5 VPV。

(4)模態(tài)4，負(fù)半周續(xù)流階段，如圖4(d)所示，開關(guān)管S5、S6和S7導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電流經(jīng)過Lf2、R、Lf1、S5和S6。原理同模態(tài)2。整個(gè)階段uAN=0.5 VPV，uBN=0.5 VPV，故共模電壓ucm=0.5 VPV。

經(jīng)過分析可知，整個(gè)工作過程中共模電壓保持不變，故不會(huì)產(chǎn)生共模漏電流。

2 仿真結(jié)果

通過saber仿真軟件仿真的S1～S7開關(guān)管的控制信號(hào)波形如圖5所示。其中ugs1,4是S1和S4兩個(gè)開關(guān)管的的控制信號(hào)，ugs2,3是S2和S3的控制信號(hào)，ugs5,6,7是S5、S6、S7的控制信號(hào)。仿真輸出的電壓波形如圖6所示，為幅值在220 V左右的正弦波。

圖5 控制信號(hào)

圖6 輸出電壓波形

圖7為共模電壓分析圖，uAN、uBN是橋臂中點(diǎn)A、B對(duì)負(fù)端N的電壓，共模電壓ucm=(uAN+uBN)/2，uo為逆變器輸出電壓，通過計(jì)算得知共模電壓ucm維持在180 V左右。

圖7 共模電壓波形

從saber仿真軟件得到的仿真波形來看，實(shí)驗(yàn)設(shè)想是可行的，通過波形數(shù)值分析可知，是能夠保證整個(gè)工作過程中共模電壓保持不變的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的正確性，現(xiàn)分別搭建HERIC逆變電路和箝位型Heric逆變電路，并在相同功率下比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)如表1所示[10-11]。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

圖8 HERIC拓?fù)涔材ｋ妷杭奥╇娏?/p>

圖9 箝位型HERIC拓?fù)涔材ｋ妷杭奥╇娏?/p>

圖8、圖9分別是HERIC逆變電路和箝位型HERIC逆變電路的實(shí)驗(yàn)波形。Icm為漏電流，通過示波器對(duì)漏電流Icm進(jìn)行頻譜分析(FFT)。

通過比較圖8(a)和圖9(a)的波形可知，箝位型HERIC逆變器拓?fù)涞墓材ｋ妷狠^HERIC逆變器拓?fù)涞玫胶芎每刂?，波形更加平穩(wěn)，共模電壓始終維持在直流輸入電壓的1/2左右。比較圖8(b)和圖9(b)， FFT分析結(jié)果顯示，HERIC拓?fù)涞穆╇娏鞔笮? mA，而箝位型HERIC拓?fù)渲挥?.5 mA。

4 結(jié)論

本文提出的新型箝位型HERIC逆變器拓?fù)湓谡麄€(gè)周期可產(chǎn)生恒定的共模電壓，且比HERIC拓?fù)渚哂懈玫墓材ｋ妷阂种谱饔茫档土寺╇娏鳌?/p>

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A new HERIC PV inverter for restraining the leakage current

Yuan Ying，Ma Haixiao

(School of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210046，China)

The existing photovoltaic inverters without transformer still have common mode voltage ,which is the threat to life. In order to solve this problem, a novel non-isolated photovoltaic inverter called clamped-HERIC topology is proposed, which is based on HERIC topology. This photovoltaic inverter has added a power switch at the point of the DC input capacitance to make the voltage unchanged throughout the course of the work. This theory is feasible by simulation. Then we respectively set up HERIC inverter circuit and the clamped-HERIC inverter circuit. The simulation results are validated by experiments and data analysis. The experiment verifies the validity and low leakage current of the clamped-HERIC topology.

PV inverter; non-isolated; topology; common mode voltage; neutral point clamped

TM464

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.011

袁穎，馬海嘯.一種新型Heric光伏逆變器漏電流抑制技術(shù)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(1)：35-37,43.

2016-09-05)

袁穎(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：智能檢測與控制。

馬海嘯(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。