改進(jìn)型并聯(lián)H5 拓?fù)湔{(diào)制方式分析與仿真

蘇 娜 梅 盼 陳 躍 蔡文靜

（臺州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 臺州318000）

出于安全考慮，大多數(shù)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)都帶有變壓器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)和和電網(wǎng)之間的電氣隔離。變壓器增加了系統(tǒng)重量、體積和成本，降低了整體效率。非隔離系統(tǒng)不存在上述問題，但是沒有變壓器作為電氣隔離，光伏陣列與接地框架間的寄生電容，和逆變器、濾波器、電網(wǎng)及大地形成共?；芈贰Ｈ绻到y(tǒng)共模電壓隨功率器件開關(guān)產(chǎn)生高頻變化，共?；芈分芯蜁嬖诘仉娏鳝h(huán)流。地電流會造成電網(wǎng)電流畸變，電磁干擾，系統(tǒng)的額外損失及安全隱患[1]。因此，地電流幅值需要有所限制，德國VDE-0126-1-1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，地電流有效值高于30mA 時光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必須在0.3s 內(nèi)從電網(wǎng)中切除[2]。

采用雙極性調(diào)制的橋式非隔離逆變器，理想情況下共模電壓保持不變，可以有效抑制地電流的產(chǎn)生，但是功率器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)效率較低。因此，為了抑制地電流和提高系統(tǒng)效率，基于橋式逆變器提出了很多新型拓?fù)?，例如直流?cè)解耦的H5 拓?fù)浠蚪涣鱾?cè)解耦的HERIC 拓?fù)鋄3-4]，增加額外功率器件，使得共模電壓在高頻開關(guān)過程中基本保持不變，有效地抑制地電流，但未關(guān)注無功功率的控制問題。

本文將單相非隔離光伏逆變器進(jìn)行并聯(lián)，推導(dǎo)了共模電壓的表達(dá)式，可以使共模電壓在理想情況下基本保持不變，能有效地抑制地電流環(huán)流，最后給出了仿真結(jié)果予以驗(yàn)證。

1 工作原理

1.1 拓?fù)涞臉?gòu)成

圖1 改進(jìn)型H5 逆變拓?fù)?/p>

圖1 為本文提出的單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖中，Cpv1和Cpv2表示光伏陣列對地寄生電容，iN為系統(tǒng)地電流。開關(guān)管S1～S5和開關(guān)管S'1～S'5分別構(gòu)成兩個H5 全橋逆變結(jié)構(gòu)，兩模塊結(jié)構(gòu)對稱，交流測通過相間電感Lip并聯(lián)，用于抑制并聯(lián)逆變器相間環(huán)流電流；總輸出通過逆變器輸出濾波電感L1、L2與電網(wǎng)連接。在輸出零電平階段，開關(guān)管S1和S3為模塊1提供電感電流回路，開關(guān)管S'2和S'4為模塊2 提供電感電流回路，開關(guān)管的雙向?qū)ㄌ匦砸矠闊o功電流提供了通路；開關(guān)管S5和S'5斷開，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)解耦，切斷共模電流通路；二極管D1和D'1可以在零電平階段將橋臂中點(diǎn)電壓鉗位到直流母線電壓的一半，有利于抑制共模電壓震蕩，同時減小了兩模塊之間的差模電壓，有利于抑制相間環(huán)流，另一方面，各橋臂器件的開關(guān)電壓也被鉗位到直流母線電壓的一半，大大降低了器件的開關(guān)損耗。

1.2 工作過程分析

下面介紹一個完整工作周期改進(jìn)型H5 拓?fù)涞墓ぷ鬟^程，圖2 為該拓?fù)涞尿?qū)動信號示意圖，圖中um為調(diào)制波，調(diào)制波和載波比較得到各橋臂的開關(guān)信號，同一橋臂的上下管互補(bǔ)工作。

圖2 調(diào)制示意圖

當(dāng)調(diào)制波為正半周時，S1一直導(dǎo)通，S'3一直關(guān)斷，S3和S'1由調(diào)制波和載波比較得出。當(dāng)um＞uc時，S3關(guān)斷，S'1導(dǎo)通，S5、S'5的驅(qū)動信號和S'1的驅(qū)動信號相同，導(dǎo)通。如電感電流為正，iA流過S5、S1和S4，iA'流過S'1、S'4和S'5；如電感電流為負(fù)，iA流過S5、S1和S4的反并二極管D5、D1和D4續(xù)流，iA'流過D'1、D'4和D'5續(xù)流。共模電壓ucm表示為

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（Udc+0+Udc+0）=0.5Udc

反之，當(dāng)um＜uc時，S3導(dǎo)通，S'1關(guān)斷，S5、S'5關(guān)斷。如電感電流為正，iA流過S1、D3，iA' 流過D'2、S'4；如電感電流為負(fù)，iA流過D1和S3，iA'流過S'2、D'4。共模電壓ucm表示為

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc）=0.5Udc

當(dāng)調(diào)制波為負(fù)半周時，S3一直導(dǎo)通，S'1一直關(guān)斷，S1和S'3由調(diào)制波和載波比較得出。當(dāng)um＞uc時，S1導(dǎo)通，S'3關(guān)斷，S5、S'5關(guān)斷。如電感電流為正，iA流過S1、D3，iA' 流過D'2、S'4；如電感電流為負(fù)，iA流過D1和S3，iA'流過S'2、D'4。共模電壓ucm表示為

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc）=0.5Udc

反之，當(dāng)um＜uc時，S1關(guān)斷，S'3導(dǎo)通，S5、S'5導(dǎo)通。如電感電流為正，iA流過S5、S3和S2，iA'流過S'3、S'2和S'5；如電感電流為負(fù)，iA流過S5、S3和S2的反并二極管D5、D3和D2續(xù)流，iA' 流過D'5、D'3和D'2續(xù)流。共模電壓ucm表示為

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（0+Udc+0+Udc）=0.5Udc

逆變器只有3 種工作狀態(tài)，四個橋臂的電壓之和在任意瞬間保持不變，忽略電網(wǎng)影響，共模電壓ucm理想情況下保持為upv/2 不變，能有效的抑制地電流。需要注意的是，抑制共模地電流的同時，也需要抑制差模相間環(huán)流，因?yàn)镾1～S4和S'1～S'4的驅(qū)動信號固定不變，同相的兩個橋臂之間，即橋臂A 和橋臂A' 之間，或橋臂B 和橋臂B' 之間，在輸出零電位時，與續(xù)流二極管D6、D'6構(gòu)成差?；芈?，需要增加相間電感Lip來抑制系統(tǒng)相間環(huán)流。

2 仿真驗(yàn)證

在MatlabSimulink 中搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)額定的輸出功率為P=3.6kW，直流母線電壓Upv=360V，功率器件開關(guān)頻率為fs=20 kHz，輸出濾波電感L1=L2=L=0.86mH，Lip=10mH，寄生電容Cpv1=Cpv2=0.3μF，電網(wǎng)頻率fg=50 Hz，相電壓220 Vrms，電網(wǎng)接地阻抗為Zg=0.5Ω，頻率調(diào)制比mf為400，幅度調(diào)制比ma為0.87。

圖3 不同功率因數(shù)下的仿真結(jié)果

圖3 為不同功率因數(shù)下的仿真結(jié)果，單臺單相逆變器工作于傳統(tǒng)混合調(diào)制方式下，并網(wǎng)電壓ug、并網(wǎng)電流ig、地電流iN和A 相網(wǎng)電流波形iA的仿真波形。如圖可見，在不同功率因數(shù)下，地電流都得到很好的抑制。

3 結(jié)論

本文提出了一種并聯(lián)型的H5 拓?fù)?。分析了該電路調(diào)制方式，共模電壓在開關(guān)過程中基本保持不變，可以有效抑制光伏地電流的產(chǎn)生。并通過matlab/simulink 仿真驗(yàn)證了在不同功率因數(shù)下該拓?fù)鋵Φ仉娏鞫季哂辛己玫囊种菩Ч?/p>