非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器漏電流分析

張 洋，張 敏，張 蔚

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)中市供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212200)

0 引言

太陽(yáng)能是一種供給穩(wěn)定的可再生能源資源，非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器由于成本低和效率高等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外被廣泛的應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電。非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)間無(wú)有效電氣隔離，當(dāng)高頻工作的功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生共模電壓，太陽(yáng)能光伏板、逆變器設(shè)備和大地之間產(chǎn)生寄生電容與非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)形成回路，從而形成共模電流，共模電流又稱(chēng)為漏電流，漏電流的產(chǎn)生不僅導(dǎo)致并網(wǎng)電流產(chǎn)生畸變，更主要的是對(duì)相關(guān)工作人員產(chǎn)生觸電危險(xiǎn)和對(duì)設(shè)備高可靠性工作產(chǎn)生安全隱患。目前揚(yáng)中市居民用戶(hù)安裝的并網(wǎng)逆變器功率普遍小于10 kVA,根據(jù)NB32004-2013 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)逆變器額定功率小于或者等于30 kVA，漏電流大于300 mA時(shí)，整個(gè)逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)必須在0.3 s 內(nèi)將設(shè)備斷切，因此對(duì)漏電流的抑制成為非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用需首要解決的技術(shù)問(wèn)題。

根據(jù)漏電流產(chǎn)生機(jī)理，建立了相應(yīng)的漏電流數(shù)學(xué)模型，用公式推導(dǎo)的方式對(duì)漏電流進(jìn)行分析和研究，在單相并網(wǎng)逆變器拓?fù)浼軜?gòu)內(nèi)給出調(diào)制方式對(duì)于抑制漏電流的具體分析，討論不同調(diào)制策略對(duì)于抑制漏電流的影響，并通過(guò)PSIM 搭建平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的仿真驗(yàn)證和對(duì)比分析。

1 單相非隔離型并網(wǎng)逆變器等效數(shù)學(xué)模型

為便于研究，以如圖1 所示的單相非隔離型全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，其中Upv是經(jīng)過(guò)Boost 電路升壓后的光伏板母線(xiàn)電壓，電容C 為穩(wěn)壓電容，S1，S2，S3和S4分別是全橋電路的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，后級(jí)輸出濾波電路采用的是由電感L1，L2組成的一階濾波器，C1是寄生電容，Ugrid為電網(wǎng)電壓。

圖1 全橋逆變器電路拓?fù)?/p>

功率開(kāi)關(guān)管工作頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率50 Hz，電網(wǎng)可近似看做被短接，由圖1 可得共模電壓Ucm：

將圖1 中的電路拓?fù)浣Y(jié)合公式(3)，(4)運(yùn)用戴維南定理簡(jiǎn)化成如圖2 所示。

圖2 全橋逆變器共模等效電路

寄生電容C1上的電流及共模漏電流為：

由公式(5)可知，共模電壓Ucm和寄生電容C1影響漏電流icm的值，寄生電容C1受產(chǎn)品自身寄生電容參數(shù)的影響很難有效改善，因此采用適合SPWM 開(kāi)關(guān)調(diào)制方式使共模電壓Ucm為常數(shù)，以達(dá)到抑制或者消除漏電的目的。

2 調(diào)制策略對(duì)抑制漏電流的影響分析

SPWM 調(diào)制方式因有著易于實(shí)現(xiàn)且較高的轉(zhuǎn)換效率被廣泛運(yùn)用在逆變器的控制上，常用的有單極性SPWM 調(diào)制和雙極性SPWM 調(diào)制。

圖3(a)(b)為單相非隔離型全橋逆變器在正周期工作模態(tài)，在單極性SPWM 調(diào)制方式的工作原理分析：正半周期內(nèi)，電網(wǎng)電壓大于零，開(kāi)關(guān)管S1通斷頻率為開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)管S2和開(kāi)關(guān)管S3關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管S4始終導(dǎo)通。當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)(見(jiàn)圖3a)，UAN=UPV，UBN=0，Ucm=UPV/2; 當(dāng) 開(kāi) 關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)(見(jiàn)圖3b)，UAN=0，UBN=0，Ucm=0。同理分析，負(fù)半周期內(nèi)，電網(wǎng)電壓小于零，開(kāi)關(guān)管S1和S4關(guān)斷，兩端承受的電壓為母線(xiàn)電壓，開(kāi)關(guān)管S2始終導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S3通斷頻率為開(kāi)關(guān)頻率，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S3導(dǎo)通時(shí)，UAN=0，UBN=UPV，Ucm=UPV/2， 當(dāng) 開(kāi) 關(guān) 管S3關(guān) 斷 時(shí)，UAN=0，UBN=0，Ucm=0。

圖3 全橋逆變器在單極性調(diào)制下的工作模態(tài)

根據(jù)上述分析可以得出如表1 所示的單極性SPWM 調(diào)制策略下開(kāi)關(guān)狀態(tài)與共模電壓關(guān)系。分析表1 可知，采用單極性SPWM 調(diào)制策略產(chǎn)生的共模電壓始終在(0，UPV/2)間高頻變化，對(duì)漏電流的抑制存在一定的局限性。

表1 單級(jí)性調(diào)制下開(kāi)關(guān)狀態(tài)與共模電壓

圖4(a)(b)為單相非隔離型全橋逆變器采用雙極性SPWM 整個(gè)周期工作模態(tài)，在雙極性SPWM調(diào)制方式的工作原理分析如下：當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1，S4導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S2，S3關(guān)斷時(shí)，電路回路如圖4(a)所示，此時(shí)，UAN=UPV，UBN=0，Ucm=UPV/2；當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1，S4關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管S2，S3導(dǎo)通時(shí)，電路回路如圖4(b)所示，此時(shí)，UAN=0，UBN=UPV，Ucm=UPV/2。

圖4 全橋逆變器在雙極性調(diào)制下的工作模態(tài)

表2 所示是雙極性SPWM 調(diào)制策略下開(kāi)關(guān)狀態(tài)與共模電壓關(guān)系，開(kāi)關(guān)管S1，S4開(kāi)關(guān)狀態(tài)相同，開(kāi)關(guān)管S2，S3開(kāi)關(guān)狀態(tài)相同。表3 所示是不同控制策略的共模電壓值。

表2 雙板性調(diào)制下開(kāi)關(guān)狀態(tài)與共模電壓

表3 兩種不同控制策略共模電壓值

3 仿真與分析

為了驗(yàn)證上述理論的正確性，基于PSIM 仿真軟件，在該平臺(tái)分別搭建單極性SPWM 調(diào)制策略下和雙極性SPWM 調(diào)制策略下的仿真電路，仿真參數(shù)為：光伏板輸出電壓UPV=400 V，穩(wěn)壓電容C=100 nF，寄生電容C1=75 nF，開(kāi)關(guān)頻率fs=15 kHz，電網(wǎng)電壓頻率UGrid=220 V，頻率f=50 Hz。仿真結(jié)果驗(yàn)證了前文理論分析的正確性，雙極性SPWM 調(diào)制策略相較于單極性SPWM 調(diào)制策略，功率開(kāi)關(guān)器件始終工作在高頻狀態(tài)下且只有兩個(gè)工作模態(tài)，無(wú)續(xù)流狀態(tài)，共模電壓Ucm值為恒定值UPV/2，盡管采用雙極性SPWM 調(diào)制策略下開(kāi)關(guān)損耗較大，但從仿真結(jié)果可以看出雙極性SPWM 調(diào)制策略對(duì)漏電流的抑制較為明顯。

4 結(jié)論

基于單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器，給出電路拓?fù)涞臄?shù)學(xué)等效模型，分析漏電流產(chǎn)生的根本原因在于寄生電容兩端共模電壓隨著開(kāi)關(guān)頻率高速變化產(chǎn)生電流回路，分析現(xiàn)有兩種控制策略對(duì)漏電流的影響，在PSIM 平臺(tái)上搭建電路進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明采用雙極性SPWM 調(diào)制策略抑制漏電流抑制效果更佳，為抑制漏電流保障人身和設(shè)備安全提供理論支撐。