三相无变压器型光伏并网逆变器共模电压的分析

1、三相无变压器型光伏并网逆变器共模电压的分析摘 要：本文详细的分析了三相无变压器型光伏并网逆变器共模电压的产生机理,建立了模型，并得出了抑制共模电流的一般规律。利用该规律，对三相全桥拓扑结构的共模电流进行了详细的分析，并提出了新型控制方法，通过仿真实验对该方法进行了验证。 关键词：三相无变压器；光伏并网逆变器；共模电压；共模电流中图分类号：TM464 文献标识码：ACommon-mode voltage analysis of three-phase transformerless PV inverterAbstract: This paper detailed analyse the comm

2、on-mode voltage mechanism of three-phase transformerless photovoltaic inverter , establishment a model, and obtained the general rules of inhibition common-mode currents. Using the general rules ，detailed analysis the common mode current of three-phase full-bridge topology, and proposed new control

3、method, simulation experiments to validate this method.Keywords: three-phase transformerless; PV inverter; common mode voltage; common mode current1 引言现有的光伏并网逆变系统均采用隔离型的逆变器结构，但工频变压器存在体积大、重量重、成本高以及安装、运输困难等缺点。而高频变压器虽然体积小，结构简单，但带高频变压器的光伏逆变系统控制复杂，效率较低。为此国外一些学者提出了无变压器型光伏并网逆变系统的结构。此系统结构由于省去了笨重的工频变压器和复杂的高频

4、变压器使得光伏并网系统结构简单、重量轻、成本低并具有较高的效率。因此得到了很多国家的科研人员和企业研发者的青睐，其中以德国和日本为主。然而由于没有变压器的隔离作用，电网与光伏阵列存在直接的电气连接，而光伏阵列和地之间存在虚拟的寄生电容，因而就形成了由寄生电容、滤波元件和电网阻抗组成的共模谐振回路。寄生电容上变化的共模电压在这个共模谐振回路中就会产生相应的共模电流，如图1所示。因此抑制或消除共模电流就成为无变压器型光伏并网逆变系统中必须要跨越的技术障碍。无变压器型光伏并网系统共模电压模型的研究对于消除共模电流的研究具有至关重要的作用，它可以从理论上提供支持。文献3和文献4对单相无变压器型逆变系统

5、的共模电压模型进行了分析研究，但没有对三相逆变系统的共模电压模型进行分析。本文提出了三相无变压器型光伏逆变系统的共模电压模型，并通过对该模型的分析得出了抑制共模电流的一般规律。利用得出的一般规律，对三相全桥拓扑结构的共模电流进行了分析，并提出了改进型的控制方法，通过仿真实验验证了该方法的可行性。图1无变压器型光伏并网系统的结构框图Figure 1 Transformerless PV system block diagram2 无变压器型光伏并网逆变器共模电压模型的建立以三相全桥拓扑结构为研究对象，其拓扑图如图2所示。其中：L为滤波电感；Vg为电网电压；Cp为寄生电容，它取决于太阳能光伏阵列的

6、结构和安装方式，以及所处环境等因素；C1、C2、C3为开关管对地的寄生电容；Zg为电网接地点与地间的的阻抗。 图2 考虑寄生参数的三相全桥拓扑结构图Figure 2 consider the parasitic phase full-bridge topology在三相全桥式拓扑结构中，输出点A、B、C三点对N点的电位是由6个开关管控制的，当每一相的上桥臂开通时，A、B、C三点对N点的电位即为直流侧光伏阵列的输出电压。这样，光伏阵列和开关管的综合作用就可等效为分别在AN、BN和CN三端加入三个以开关管频率变化，幅值为光伏阵列输出电压的等效方波电源。因此，三相全桥式拓扑就可等效如图3所示的简化示

7、意图。 图3 三相全桥式拓扑结构等效模型示意图Figure3 three-phase full-bridge topology diagram of the equivalent model下面以A相和B相为例，分析三相全桥拓扑共模电压的模型。根据差模、共模电压的定义可知： （1） （2）由（1）、（2）可得： （3） （4）将（3）、（4）式中的A相输出电压VAN和B相输出电压VBN取代图2中的VAN和VBN，可得图4。将图4中的VCM-AB提出，并且忽略差模电压的作用（因共模电流比差模电流要小得多，故可忽略）。可得如图5所示的等效图。图4 A相与B相的共模电压等效示意图Figure 4 A

8、 phase and B phase diagram of the equivalent common-mode voltage图5 共模电压等效图Figure 5 the equivalent figure common-mode voltage利用电路的串并联的知识，可将图5等效为图6。图6 A、B两相间的共模电压等效示意图Figure 6 A, B two-phase equivalent diagram of the common mode voltage同理可得B、C两相间的共模电压等效示意图和A、C两相间的共模电压等效示意图，如图7、8所示。图7 B、C两相间的共模电压等效示意图F

9、igure 7 B, C two-phase equivalent diagram of the common mode voltage图8 C、A两相间的共模电压等效示意图Figure 8 C, A two-phase equivalent diagram of the common mode voltage将图6、图7、图8合并可得三相全桥拓扑结构共模电压的模型图，如图9所示。在图9中： 式中： ， ， ，图9 三相全桥拓扑共模电压模型图Figure 9 Three-phase full-bridge topology model diagram common-mode voltage若定

10、义共模电压VCM为： （5）将、代入（5）式可得共模电压： （6）而共模电流iCM为： （7）由图9可知，根据式（6）、（7）可得：当共模电压为一定值时，共模电流iCM为零。这样就可以得到抑制共模电流的一般规律,即要想抑制或消除共模电流，就必须保证共模电压VCM为一定值。3三电平无变压器型光伏并网逆变器拓扑结构上述抑制共模电流的一般规律，不仅适用于两电平逆变器，而且对三电平逆变器也同样适用。图10为三电平逆变器拓扑结构框图。由图可知，该拓扑与其它拓扑结构相比有以下几个优点：（1）由于输入端有两个分裂的PV阵列和直流电容，且它们的中点与地的中性点相连。这样就使共模电压VCM的幅值等于直流侧电压的

11、一半，基本保持不变，因此该拓扑结构可有效地抑制共模电流。(2) 因为每一相的半桥臂都串联了两个开关管，这就分担了一半的电压应力，因此，开关管上承受的电压为其他拓扑结构的一半；（3）由于输出的相电压为三电平，因此，电压谐波比3FB结构更小。而且，电压谐波小也导致输出滤波器的值也更小；（4）因为每个开关管上的电压小，开关损耗也就更小，所以系统的效率也就更高。图10 三电平逆变器拓扑结构 Figure 10 three-level inverter topology在单相的PV系统中，单相三电平逆变器拓扑已经被证实其共模电压没有波动，而且其共模电流的值符合标准要求。因此将文献5提出的单相三电平逆变器

12、拓扑结构的控制方法引用到三相拓扑结构中，每一相桥臂的控制与单相拓扑相同，只是每一相的调制波相位互差120。图11为仿真结果。从上到下依次为共模电压VCM、共模电流iCM的波形。由图可知，因为共模电压保持一定值，所以共模电流非常的小，这说明三电平逆变器拓扑结构可有效地抑制共模电流，因此被广泛应用于三相无变压器型PV并网系统中。图11 三电平逆变器仿真结果Figure 11 the simulation results of three-level inverter 4 采用合适的SPWM控制方法抑制共模电流对图2所示的三相全桥式拓扑结构分别采用传统的SPWM和改进型SPWM控制方法，并利用上述共

13、模电压模型和抑制共模电流的一般规律对两种控制方法进行理论分析和仿真研究。4.1 理论分析传统SPWM和改进型SPWM控制方法的开关管序列和共模电压如图12 、13所示。图12 传统SPWM法开关管控制序列及共模电压Figure 12 traditional SPWM method switch control sequence and common-mode voltage图13 改进型SPWM法开关管控制序列及共模电压Figure 13 Improved SPWM method switch control sequence and common-mode voltage从图12可知，对于上

14、桥臂开关管S1、S3、S5，当有两个导通时，共模电压VCM=Vpv；当只有一个导通时，共模电压VCM=Vpv；当没有开关管导通时，共模电压VCM=0。因此，三相全桥拓扑结构采用传统的SPWM控制方法时，共模电压是在0Vpv之间变化的。所以根据前述抑制共模电流的一般规律可知，该控制方法不能抑制共模电流。从图13可知，当采用改进型SPWM控制方法时，上桥臂开关管S1、S3、S5在任何时刻都只有一个开关管导通，因此共模电压VCM=Vpv为一定值。所以，该方法可有效地抑制共模电流。4.2 仿真研究仿真软件采用MATLAB /Simulink。为了方便系统仿真，将PV阵列用直流电压源代替并且Vpv=70

15、0v；输入直流端的电容C=100F，寄生电容Cp=200nF。开关管频率fsw=10kHZ。输出滤波电感L=3mF。电网频率fg=50HZ，电网电压Vg=220v（rms）。分别采用传统SPWM法和改进型SPWM控制方法，仿真波形如图14所示，波形均为共模电压和共模电流的波形。从图中可看出，传统SPWM法控制下的共模电压是变化的，因此其共模电流很大，达到数安倍，远远超过标准要求。而采用改进型SPWM控制方法，由于共模电压VCM=Vpv为一定值，所以共模电流很小，不超过20mA。这说明当三相全桥拓扑采用改进型SPWM控制方法时，可有效地抑制共模电流。(a) 传统SPWM法 (b) 改进型SPWM

16、法 图14 两种SPWM控制方法的仿真结果Figure 14 the simulation results of two SPWM controls5 结论通过建立三相无变压器型光伏并网逆变系统共模电压模型，得出抑制共模电流的一般规律，即要想抑制或消除共模电流，就必须保证共模电压为一定值。并利用该结论，对三相全桥拓扑结构采用两种不同的控制方法进行了理论分析和仿真研究。由仿真结果可知，采用改进型SPWM法可有效地抑制共模电流。最后通过对三电平无变压器型光伏并网逆变器拓扑结构的研究可知，本文得出的抑制共模电流的一般规律，不仅可用于两电平逆变器，而且对三电平逆变器同样适用。因此，本文得出抑制共模电流

17、的一般规律具有通用性。参考文献1 Myrzik J MA, Calais M. String and module integrated inverter for single-phase grid connected photovoltaic systems：a reviewC.IEEE Bologna Power Tech Conference,Bologna,Italy,2003.2 Schmidt H, Siedle C, Ketterer J. Inverter for transferming a DC voltage into an AC current or an AC vol

18、tage :EP (A2)P.Germany, 2003-12-10.3 Roberto Gonzalez,Eugenio Gubia,Jesus Lopez,Luis Marroyo, Transformerless Single-Phase Multilevel-Based Photovoltaic Inverter J. IEEE Transactions on industrial elebctronics,2008,55 （7）：2694-2702.4 Kerekes.T,Teodorescu.R,Liserre.M. Common mode voltage in case of transfoemerless PV inverters connected to the grid C. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Cambridge, UK, 2008.5 T. Kerekes, R. Teodorescu and U. Borup, Trans formerless Photovoltaic Inverters Connected to the Gri