新型單相T型五電平非隔離光伏逆變器

黃春平

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣東 中山 528404）

相比于帶有隔離變壓器的傳統(tǒng)逆變器而言，單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器具有體積小、重量輕、成本低、效率高的優(yōu)點，這使得它們成為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的首選解決方案。圖1給出了單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器的基本拓撲結(jié)構(gòu)，由于沒有隔離變壓器的存在，在光伏電池和電網(wǎng)之間存在一個電氣連接，會產(chǎn)生一個流過大地與光伏電池寄生電容的電流，稱之為漏電流icm，如圖1所示。漏電流產(chǎn)生的主要原因是光伏電池對地寄生電容的存在，它們是光伏電池的金屬框架與大地之間形成的等效電容，以nF為單位。漏電流的存在可能影響系統(tǒng)的效率和可靠性，并可能引起電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）問題。更重要的是，它會對設(shè)備和工作人員的安全產(chǎn)生威脅。因此，德國并網(wǎng)逆變器標準DINVDE0126—1—1規(guī)定，當(dāng)泄漏電流超過300 mA時，光伏系統(tǒng)必須在0.3 s內(nèi)斷開。

圖1 單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器模型Fig.1 Single phase transformerless PV grid-connected inverter model

文獻[1-2]指出，光伏系統(tǒng)中的漏電流的大小和頻率主要取決于逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)和調(diào)制策略。文獻[3-5]對不同的非隔離光伏并網(wǎng)逆變器拓撲進行了綜述，采用雙極性PWM調(diào)制方式的單相H橋拓撲和中性點鉗位（neutral point clamped，NPC）拓撲是本質(zhì)上具有漏電流抑制能力的拓撲結(jié)構(gòu)。但雙極性調(diào)制方式的單相H橋拓撲的輸出電壓為兩電平，諧波含量較大；而NPC拓撲的直流側(cè)電壓利用率較低，都不是非隔離光伏并網(wǎng)逆變器的最優(yōu)選擇。

文獻[6-12]提出了不同的非隔離全橋拓撲及其處理減小漏電流的調(diào)制方案。文獻[6]提出了一種H5逆變器拓撲，通過在直流側(cè)增加解耦開關(guān)來將光伏電池和電網(wǎng)斷開，可以減小泄漏電流。文獻[7]提出了一種H6逆變器拓撲，通過增加兩個直流側(cè)解耦開關(guān)交替工作來減少H5拓撲的開關(guān)管損耗分布不均問題。文獻[8]提出一種改進的H6來減少開關(guān)管導(dǎo)通損耗。文獻[9]提出了一種交流測解耦的全橋拓撲結(jié)構(gòu)，包括一個H橋、兩個額外的開關(guān)管和二極管，該拓撲在交流側(cè)增加兩個解耦開關(guān)，能夠使用單極性SPWM調(diào)制方式來抑制漏電流。文獻[10-12]分別在這些拓撲上改進，得到一系列改進拓撲。但所有上述拓撲的輸出電壓都只有三電平，諧波含量較大。

多電平逆變器可以降低功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力和輸出濾波器的體積，這意味著系統(tǒng)成本的降低，同時多電平逆變器還可以增加拓撲的利用率?；谶@些優(yōu)點，多電平拓撲在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用也是近年來的研究熱點。

文獻[13]提出了一種基于光伏系統(tǒng)H橋逆變器的多電平單相逆變拓撲結(jié)構(gòu)，它使用一種雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)來創(chuàng)建輸出電壓中的五個電平。雙向開關(guān)由四個二極管和一個開關(guān)管組成，但過多的二極管會降低效率。文獻[14]提出了一種多電平逆變器分析，分析了效率、可靠性、電能質(zhì)量和配電功率損耗，但沒有任何關(guān)于共模性能的分析。文獻[15]提出了多級的逆變器結(jié)構(gòu)，可以得到多電平的輸出電壓，但該拓撲的多級結(jié)構(gòu)使得其損耗較大，效率較低，同時使用的開關(guān)管數(shù)量很多，成本較大。

TNPC半橋拓撲在普通半橋拓撲的基礎(chǔ)上增加了T型中點鉗位結(jié)構(gòu)，將兩電平的輸出電壓變?yōu)槿娖?。本文將TNPC拓撲與單相H橋拓撲相結(jié)合，提出了一種T型五電平逆變器拓撲及其正弦PWM調(diào)制策略，應(yīng)用于單相非隔離光伏逆變器，該拓撲主要分為兩個結(jié)構(gòu)：T型中點鉗位結(jié)構(gòu)和單相H橋。其中點鉗位結(jié)構(gòu)使得其具有NPC拓撲的漏電流抑制能力，H橋結(jié)構(gòu)又使得其不需要很大的輸入電壓，T型五電平逆變器拓撲如圖2所示。此外，該拓撲在單相H橋拓撲的基礎(chǔ)上將輸出電壓電平由三電平增加為五電平，總的諧波失真（total harmonic distortion，THD）保持相對較小的值，這有助于減小輸出濾波器的尺寸。

圖2 T型五電平逆變器拓撲Fig.2 T type five level inverter topology

1 拓撲工作模態(tài)分析

表1為所提出的T型五電平逆變器的六種工作模態(tài)開關(guān)狀態(tài)表。圖3為所提出的T型五電平拓撲的六種工作模態(tài)，它在單相H橋的基礎(chǔ)上引入雙向開關(guān)管將直流母線的中點連接到由S1和S2形成橋臂的中點，從而產(chǎn)生正負兩個Udc/2的電平，構(gòu)造出五電平。

表1 工作模態(tài)開關(guān)狀態(tài)表Tab.1 Operating mode switch state table

圖3 T型五電平逆變器拓撲工作模態(tài)Fig.3 Working modes of T type five level inverter

下面詳細分析逆變器的工作模態(tài)。

首先，在電網(wǎng)電壓正半周期期間：

工作模態(tài)1：開關(guān)管S1，S4開通，其他開關(guān)管關(guān)斷，此時輸出電壓UAB=Udc，光伏電池給電感充電同時向電網(wǎng)傳輸功率，并網(wǎng)電流通過S1流向電網(wǎng)，并通過S4返回。

工作模態(tài)2：開關(guān)管S4，S5和S6開通，其他開關(guān)管關(guān)斷，此時輸出電壓UAB=Udc/2，電容C2給電感充電同時向電網(wǎng)傳輸功率，并網(wǎng)電流通過S5和S6流向電網(wǎng)，并通過S4返回。

工作模態(tài)3：開關(guān)管S2和S4開通，其他開關(guān)管關(guān)斷，此時輸出電壓UAB=0 V，電感供電，并網(wǎng)電流通過電感和開關(guān)管S2和S4續(xù)流。

其次，在電網(wǎng)電壓負半周期期間：

工作模態(tài)4：開關(guān)管S2，S3開通，其他開關(guān)管關(guān)斷，此時輸出電壓UAB=-Udc，光伏電池給電感充電同時向電網(wǎng)傳輸功率，并網(wǎng)電流通過S3流向電網(wǎng)，并通過S2返回。

工作模態(tài)5：開關(guān)管S3，S5和S6開通，其他開關(guān)管關(guān)斷，此時輸出電壓UAB=-Udc/2，電容C2給電感充電同時向電網(wǎng)傳輸功率，并網(wǎng)電流通過S3流向電網(wǎng)，并通過S5和S6返回。

工作模態(tài)6：開關(guān)管S1和S3開通，其他開關(guān)管關(guān)斷，此時輸出電壓UAB=0 V，電感供電，并網(wǎng)電流通過電感和開關(guān)管S1和S3續(xù)流。

綜上所述，所提出的新型拓撲共有六種工作模態(tài)，可產(chǎn)生五種電平（其中0電平有兩種模態(tài)）的輸出電壓，可以降低輸出電壓的諧波，從而減小濾波器的體積和成本。

2 共模特性與電壓應(yīng)力分析

文獻[16]給出了單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器共模等效電路圖以及共模漏電流的抑制準則，最簡等效電路如圖4所示，所提出的五電平T型逆變器拓撲的共模模型可以根據(jù)該準則得到。

圖4 共模等效電路Fig.4 Common-mode equivalent circuit

定義共模電壓和差模電壓為

式中：UAN，UBN為橋臂中點對地電壓。

最終將共模等效電路化簡為如圖5所示的最簡等效電路，此處不再贅述，可得總的共模電壓為

由圖5可知，漏電流icm可看作電壓源UCM與UDMC共同作用在光伏電池的寄生電容上產(chǎn)生的電流，只要總的共模電壓UTCM保持不變，則共模漏電流的值為0。

圖5 最簡等效電路Fig.5 Minimum equivalent circuit

根據(jù)圖3所示的新型拓撲工作模態(tài)，可以列出如表2所示的工作模態(tài)對應(yīng)電壓表。其中，UAN，UBN分別為兩個橋臂對光伏電池負端的電壓；UAB為逆變器的輸出電壓，可以看出，逆變器的輸出電壓為五電平；UCM為共模電壓；UTCM為總的共模電壓，可以看出，在電網(wǎng)電壓正半周期，UTCM始終為0，在電網(wǎng)電壓負半周期，UTCM始終為Udc，總的共模電壓均保持不變，僅在周期轉(zhuǎn)換時發(fā)生變化，即UTCM在基波頻率處動作。因此icm在大多數(shù)情況下保持接近零的值，除了在周期變換的瞬間，由于在周期轉(zhuǎn)換時的dV/dT較高，會出現(xiàn)較大的電流尖峰。

表2 新型拓撲工作模態(tài)對應(yīng)電壓Tab.2 New topological mode corresponding voltage

為得到所提出的工作模態(tài)，使用正弦位移PWM調(diào)制策略?？梢詫?yīng)的工作模態(tài)變換分為以下四個區(qū)間。區(qū)間1：工作模態(tài)1與工作模態(tài)2相互轉(zhuǎn)換，輸出電壓從Udc/2變化到Udc，然后反之。區(qū)間2：工作模態(tài)2與工作模態(tài)3相互轉(zhuǎn)換，輸出電壓從0變化到Udc/2，然后反之。區(qū)間3：工作模態(tài)4與工作模態(tài)5相互轉(zhuǎn)換，輸出電壓從0變化到-Udc/2，然后反之。區(qū)間4：工作模態(tài)5與工作模態(tài)6相互轉(zhuǎn)換，輸出電壓從-Udc/2變化到-Udc，然后反之。

其中，開關(guān)管S3和S4在電網(wǎng)頻率上以互補的方式動作，開關(guān)管S5和S6在整個電網(wǎng)周期中以開關(guān)頻率動作。開關(guān)管S1和S5或S6以互補的方式在區(qū)間1和區(qū)間4運行，開關(guān)管S2和S5或S6以互補的方式在對應(yīng)于區(qū)間2和區(qū)間3運行。

五電平拓撲在三電平拓撲的基礎(chǔ)上增加了兩個額外的工作模態(tài)：工作模態(tài)2和工作模態(tài)5，分別減小了開關(guān)管S4和開關(guān)管S3的電壓應(yīng)力。

3 仿真與實驗驗證

在PSIM軟件中搭建了1 kW的新型逆變器拓撲和典型的H5拓撲的仿真模型進行驗證，仿真參數(shù)如下：輸出功率1 kW，開關(guān)頻率20 kHz，輸入電壓DC 400 V，寄生電容75 nF，電網(wǎng)電壓AC 220 V，輸入電容100μF，電網(wǎng)頻率50 Hz，輸出電感5 mH。驗證了所提出的五電平T型拓撲的并網(wǎng)效果以及漏電流抑制效果，仿真波形如圖6所示。

圖6 新型T型拓撲仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of the new T type topology

圖6a為H5拓撲輸出電壓仿真波形，為一個三電平的輸出電壓；圖6b為新型拓撲輸出電壓仿真波形，為一個五電平的輸出電壓；圖6c和圖6d分別為H5拓撲的電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流的仿真波形和新型拓撲的電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流的仿真波形，可以看出電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的相位一致，功率因數(shù)接近100%，但新型拓撲的并網(wǎng)電流THD遠遠小于H5拓撲，諧波含量很少。

使用相同的參數(shù)搭建了1 kW的實驗平臺，實驗波形圖如圖7所示。圖7a為漏電流實驗波形，可以看出，僅在正負周期變換時會出現(xiàn)比較大的漏電流，其幅值約為50 mA，滿足德國標準DINVDE0126—1—1的要求。在其他時刻，漏電流的值幾乎為0，圖7b為輸出電壓實驗波形，輸出電壓為較好的五電平波形，諧波較小，圖7c為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形圖，新型拓撲的并網(wǎng)效果良好。

圖7 新型T型拓撲實驗波形Fig.7 Experiment waveforms of the new T type topology

4 結(jié)論

提出了一種多電平T型非隔離拓撲及其調(diào)制技術(shù)。該拓撲在傳統(tǒng)的單相H橋逆變器基礎(chǔ)上增加了T型中點鉗位結(jié)構(gòu)來構(gòu)成五電平拓撲。五電平拓撲相對于三電平拓撲而言，可以降低諧波含量，減少開關(guān)管的電壓應(yīng)力。同時，該新型T型五電平拓撲可以抑制漏電流，僅在正負半周交替時會產(chǎn)生共模漏電流，在其他時刻基本沒有漏電流的產(chǎn)生。分別分析了新型拓撲的六種工作模態(tài)，并對其進行共模特性分析。

通過PSIM仿真軟件搭建了1 kW的仿真模型，并搭建了1 kW的實驗樣機來驗證所提出拓撲的正確性，實驗結(jié)果表明新型T型五電平拓撲具有更好的漏電流抑制能力和更小的諧波。