伏并网逆变器中共模电流抑制的研究

1、单相非隔离型光伏并网逆变器中共模电流抑制的研究孙龙林 1 张 兴 1 许 颇 2 赵 为 2 曹仁贤 21合肥工业大学电气工程学院,合肥 230009 2 合肥阳光电源有限公司,合肥 2300881Email:摘 要 在无 变压器的 非 隔离型光伏并网系统中, 电网和光伏 阵列 之间 存在 电气 连接 。 由于 光伏 阵列 和地之间 存在寄生 电 容 , 会 产生共模 电流,这 便增加 了电 磁辐射 和 安 全 隐患 。为 此 , 应 设法 抑制非 隔离型光伏并网逆变器中的 共模 电流。 本文首 先 分 析 了 无 变压器的光伏并网系统中 产生共模 电流的 原因 , 从 单相半桥 和 全桥拓扑

2、结构 出发 , 在得 出 共模 电流 抑制 基 本 规律 的 基础 上 , 研究 了 几种 能 有 效抑制共模 电流的 拓扑结构 。 最后 , 对 这 几种 拓扑结构 的 损耗进行 了 比较研究 。 关键词 光伏并网;逆变器; 共模 电压; 共模 电流; H51引言光伏并网系统中常采用带工频或高频变压器的隔 离型光伏并网逆变器,这样确保了电网和光伏系统之 间的电气隔离,从而提供人身保护并避免了光伏系统 和地之间的漏电流。然而,若采用工频变压器,其体 积大、重量重且价格昂贵;若采用高频变压器,功率 变换电路将被分成数 级 , 使得控制复杂化 , 同时还降 低 了系统的 效 率。为了 克服上述 有

3、变压器的隔离型并 网系统的 不足 , 需研究无 变压器的 非 隔离型逆变器 拓 扑 。 无 变压器 拓扑 的 一 个 突出 的 优点 是能够 提高 整 个 系统的 效 率, 可达到 9798%1-2。这 对于 发 电成 本较 高的光伏并网系统 来说具 有 很 大的 吸引力 。然而, 目 前 对 光伏并网系统的 研究 大 都集 中 最 大功率 点跟踪 和 孤岛检测等理论 研究 方面 3-4,而 对相 关 工程 问题 的 研 究相对较 少 , 如 共模 问题 。 本文对非 隔离型 单相 并网 逆变器中 共模 电流 抑制 的 问题 进行 了 研究 。如 图 1所示 , 在无 变压器的 非 隔离型光伏

4、并网系 统中,电网和光伏 阵列 之间 存在直接 的电气 连接 , 由 于 光伏 阵列 和地之间 存在寄生 电 容 ,从而 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。 而 寄生 电 容上 变 化 的 共模 电压 则能够激励 这 个谐振回 路从而 产生相应 的 共模 电流。 图 1 无 变压器的光伏并网系统中的 寄生 电 容 和 共模 电流 由于 光伏电 池 的 面 积 较 大, 对 地的 寄生 电 容 值 在 雨天 或 潮湿 的 环境下达到 200nF/kWp5-6, 产生 的 共模 电流将 可 能 超过 所 允 许的 范围 1、 6。 研究表 明 :为了

5、抑 制共模 电流, 可 以 考虑改 进 并网逆变器的 拓扑结构 或采用 适当 的 调 制 策 略 。 本文首先 分 析 了 无 变压器的 非 隔离型光伏并网系统中 产生共模 电流的 原因 , 对能够 抑制共模 电流的 拓扑结构进行 了分 析 , 最后对不同拓 扑结构 的 损耗进行 了 比较 分 析 。2 非隔离型单相光伏并网系统的共模分析为 方便 分 析 , 以 下 分 别讨 论 单相全桥 、 半桥 并网 逆变器的 共模 问题 。2.1 单相全桥 逆变器的 共模 分 析图 2所示 的 是单相全桥 逆变器 及 其 共模 电压的分 析 电路。 以 电网电流 正半周期 为 例 , a0v 、 b0v

6、 表示全 桥 逆变器 交 流 输出 a 、 b 点 对直 流 负母线 0点 的电压, L v 表示 电 感 上 的压 降 , g v 表示 电网电压, cm v 表示寄 生 电 容上 的 共模 电压 , cm i 表示共模谐振回 路中的 共模 电流。 根据基尔霍夫 电压 定律 , 可 列 出 共模回 路的电 压 方 程:a0L1g cm 0v v v v += (1b0L2cm 0v v v += (2和 差 模 电流 相比 , 共模 电流 要小 的 多 , 因 此可忽 略 共模 电流 在 电 感 上 的压 降 即 L1L2v v , 由 式 (1、 (2相 加可 得寄生 电 容上 的 共模

7、电压 cm v 为 :cm a0b0g a0b0g0.5( 0.5( 0.5v v v v v v v =+=+(3而流 过 寄生 电 容上 的 共模 电流 cm i 为 :cmcmd d v i Ct= (4 可 见 , 共模 电流 与 共模 电压的变 化 率成 正比 。 由 于 g v 为工频电网电压, 则由 g v 在寄生 电 容上产生 的 共 模 电流 一般可忽略 , 而 a0v 、 b0v 为 PWM 高频 脉冲 电压, 共模 电流 主要 由 此 激励产生 。 因 此 ,工程 上 并网逆变 器的 共模 电压 可近似 表示 为:cm a0b00.5( v v v + (5为了 抑制共模

8、 电流, 应 尽 量 降低 cm v 的频率,而 开 关 频率的 降低则 带 来 系统 性 能 的 下 降 。 但 若 能使 cm v 为 一定值 , 则能够 基 本 消除 共模 电流, 即 功率器 件 所 采用的 PWM 开 关 序 列应使得 a 、 b 点 对 0点 的电压之 和 满 足 :a0b0v v +=定值 (6 图 2 全桥 逆变器 及 其 共模 电压分 析对于单相全桥拓扑 , 通 常 可 以 采用 两 种 PWM 调 制 策 略来 形 成 PWM 开 关 序 列 , 即 单 极性调 制 和 双极性调 制 。 不同 的 调 制 策 略 对共模 电流的 抑制效 果 相 差 很 大,

9、 以 下 分 别 进行 讨 论 。 1 单 极性调 制对于图 2所示 的 单相全桥拓扑 ,若采用 单 极性调 制 , 在 电网电流 正半周期 , 当 S1、 S4导通 时 , 共模 电 压为:cm a0b0PV PV 0.5( 0.5(V0 0.5V v v v =+=+= (7当 S1关 断 , S2、 S4导通 时cm a0b00.5( 0.5(00 0v v v =+=+= (8图 3为 单 极性调 制 的 PWM 、 共模 电压 及共模 电流 仿真 波形 。从 图 中 可 看 出 ,采用 单 极性调 制 的 全桥拓 扑产生 的 共模 电压为 幅 值 在 0与 V PV /2之间变 化

10、且频率 为 开 关 频率的 PWM 高频 脉冲 电压。 此 共模 电压 激励共 模谐振回 路 产生共模 电流,其数 值达到 数 安 培 并 随着 开 关 频率的 增 大而 线 性 增加 。图 3 全桥单 极性调 制 的 共模 电压和 共模 电流 波形 .V PV=300V2 双极性调 制若采用 双极性调 制 , 对于图 2所示 的 单相全桥拓 扑 , 当 S1、 S4导通 时cm a0b0PV PV 0.5( 0.5(V0 0.5V v v v =+=+= (9当 S1、 S4关 断 ,而 S2、 S3导通 时cm a0b0PV PV 0.5( 0.5(0V 0.5V v v v =+=+=

11、(10在 开 关过 程中 cm PV 0.5V v =, 由于 稳态 时 , V PV 近似 不 变, 因 而 cm v 近似 为 定值 , 由 此 所激励 的 共模 电流 近似 为 零 。 可 见 , 对于单相全桥 并网逆变器而 言 ,若采 用 双极性调 制则能够 有 效 地 抑制共模 电流,其 PWM 、 共模 电压 及共模 电流的 仿真 波形 如 图 4所示 。图 4 全桥 双极性调 制 的 共模 电压和 共模 电流 波形 . V PV=300V从 图 4所示 的 波形 可 看 出 , 双极性调 制 的 全桥拓 扑 的 共模 电压 几 乎 是 恒 定 不 变的, 由 其 激励产生 的 共

12、 模 电流 只 是 毫 安 级 的。然而和 单 极性调 制相比 , 双极 性调 制存在 着明显 的 不足 :在 整 个 电网 周期 中 , 四 个 功率器 件 都 以 开 关 频率工 作 。 因 此 , 产生 的 开 关 损耗 是单 极性调 制 的 2倍 ; 另外 , 双极性调 制交 流 侧 的 输 出 电压 在 Vpv 和 -Vpv 之间变 化 , 产生 的电流 纹 波是单 极性调 制 的 2倍 , 这 便增加 了 交 流 滤波 电 感 上 的 损耗 。 目前 , 双极性调 制 的 全桥拓扑 的 最 高 效 率 在 95%左右 7图 2所示 的 全桥拓扑 采用的 是 双 电 感 滤波 。 当

13、 全 桥拓扑 采用 单 电 感 滤波时 ,其 共模 电压分 析 如下 :a0L1g cm 0v v v v += (11b0cm 0v v += (12由 式 (12知 cm b0v v =。 对于全桥拓扑 而 言 , 当 采用 单 电 感 滤波时 , 不 论 调 制 策 略 是单 极性 或 双极性调 制 都 无 法 使得共模 电压保 持恒 定 ,从而 无 法 抑制共模 电流。 因 此 ,为 抑制共模 电流 全桥拓扑应 采用 双 电 感 滤波 。2.2 半桥 逆变器的 共模 分 析图 5所示 的 是半桥拓扑结构 。从 图 中 可 以 看 出 , 半桥拓扑 中 寄生 电 容上 的 共模 电压 与

14、开 关 频率 无 关 ,为 半桥 均 压电 容上 的电压 b0v 。若电 容 C1、 C2相 等 且 容 量 足够 大, 则 b0v 的 幅 值 为 0.5V PV 且 在 功率器 件 开 关 过 程中 基 本不 变。 图 5 半桥 逆变器当 半桥拓扑 采用 双 电 感 滤波时 ,其 共模 电压分 析 如下 :a0L1g cm 0v v v v += (13b0L2cm 0v v v += (14忽略 g v 对共模 电流的 影响 及 L1v 、 L2v 之间的 差 异 , 则寄生 电 容上 的 共模 电压 可 表示 为:cm a0b0a0PV 0.5( 0.5(0.5V v v v v =+

15、=+ (15 由 式 (15可 以 看 出 , 双 电 感 滤波 的 半桥拓扑无 法 使得共模 电压保 持恒 定 , 因 而 无 法 抑制共模 电流。单 电 感 滤波 的 半桥拓扑 基 本不产生共模 电流。 但 对于半桥拓扑 , 由于 电压 利 用率 低 , 直 流 侧 需 要 的 输 入 电压 较 高, 前 级 可 能需 要 boost dc/dc变换器,从而 影响 了系统的 效 率。 半桥 逆变器的 最 高 效 率为 92%7, 因 此 , 一般 实际 中 不 常采用。从 半桥 和 全桥 逆变器的 共模 电压分 析 中 可 看 出 , 拓扑结构以及 调 制 方法 的 不同所产生 的 共模

16、电压 存在 差异 。 因 此 , 在 考虑 电路 效 率 条 件 下 , 可 以 改 变 调 制 策 略 或 拓扑结构 来 抑制共模 电流。 以 下 分 析 几种 能够 抑制共模 电流的 实 用 拓扑结构 。3 抑制共模电流的实用电路拓扑3.1 带 交 流 旁 路的 全桥 逆变器 7由于 双极性调 制 的 全桥拓扑 开 关 损耗 大, 文 献 7提 到 图 6所示 的带 交 流 旁 路的 全桥拓扑 。 该 拓扑是对 双极性调 制 的 全桥拓扑 的 改 进 , 即 在全桥拓扑 的 交 流 侧 增加一 个由 2个 IGBT 组 成的 双向续 流 支 路, 使得 续 流 回 路 与 直 流 侧断开

17、,从而 使 该 拓扑不 仅 抑制 了 共 模 电流而且 还使交 流 侧 的 输出 电压和 单 极性调 制相 同 , 因 此 提高了逆变器的 效 率。 以 电网电流 正半周期 为 例 , 对共 摸 电压 进行 分 析 。在 电网电流 正半周期 , S5始终导通 而 S6始终 关 断 。 当 S1、 S4导通 时cm a0b0PV PV 0.5( 0.5(V0 0.5V v v v =+=+= (16当 S1、 S4关 断 时 ,电流 经 S5 、 S6的 反 并 联二极管续 流, 此 时cm a0b0PV PV PV 0.5( 图 6 带 交 流 旁 路的 全桥拓扑和采用 双极性调 制 的 单相

18、全桥拓扑相比 , 该 拓扑 中 H 桥上 流 过 电流的 调 制 开 关 的 正 向 电压 由 V PV 降低 为 0.5V PV ,从而 降低 了 开 关 损耗 。 另 一方面 , 由于 增加 了 一 个 新 的 续 流 通 路, 该 拓扑 的 交 流 侧 输出 电压和 单 极 性调 制 的 输出 电压 相同 ,从而有 效 地 降低 了 输出 电流 的 纹 波 , 减小 了 滤波 电 感 上 的 损耗 。 该 拓扑 的 最 高 效 率 达到 96.3%7。3.2 带 直 流 旁 路的 全桥 逆变器 5图 6所示拓扑是在单相全桥拓扑 的 交 流 侧 增加 功 率 开 关 器 件 , 构 成 续

19、 流 支 路,然而 也 可 以在直 流 母线 上 增加 功率 开 关 器 件 , 以使 续 流 回 路 与 直 流 侧断开 , 其 拓扑 如 图 7所示 。 该 拓扑由 6个 功率 开 关 器 件 和 2个 二极管 组 成。其中, S1S4工 作 在 电网频率, 可忽 略 其 开 关 损耗 ,而 S5、 S6以 开 关 频率工 作 。在 电网电流 正半周期时 , S1、 S4保 持导通 , S5、 S6以 开 关 频率 调 制 。 当 S1、 S4、 S5、 S6导通 时 , 共 模 电压为: cm a0b0PV PV 0.5( 0.5(V0 0.5V v v v =+= + = (18当 (

20、19图 7 带 直 流 旁 路的 全桥拓扑负 半周期 的换流 过 程 及共模 电压分 析 与 正半周期类 似 。 显 然 在 开 关过 程中,若 V PV 保 持 不 变 则共模 电压 恒 定 , 调 制 开 关 S5、 S6的 正 向 电压为 0.5V PV , 因 而 开 关 损耗得 到 降低 ,且 交 流 侧 输出 电压 与 单 极性调 制 的 全桥拓扑相同 , 因 而电流 纹 波 小 , 降低 了 输出 滤波 电 感 上 的 损耗 , 最 高 效 率 达到 97.4%5。3.3 H5拓扑 8-9在图 7所示 的带 直 流 旁 路的 全桥拓扑 中, S4、 S2在 电网电流的 正 负 半

21、周 分 别始终导通 , 而 S6始终 以 开 关 频率 调 制 。若将 S4、 S2和 S6合并 即 S4、 S2在 电网 电流的 正 负 半周 分 别 以 开 关 频率 进行 调 制 ,从而 省 略 S6得 到 图 8所示 的 H5拓扑 8。 该 拓扑是由 德 国 SMA 有 限公司提 出 且 已 在 中 国 申请 了 技术 专利 。 SMA 公司的 Sunny Mini Central 系 列 并网逆变器采用 该 拓扑结构 , 其 最 高 效 率 达到 98.1%, 欧洲 效 率 达到 97.7%8。该 拓扑 中, S1、 S3在 电网电流的 正 负 半周 各自 导 通 , S4、 S5在

22、 电网 正半周期以 开 关 频率 调 制 ,而 S2、 S5在 电网 负 半周期以 开 关 频率 调 制 9。 现 以 电网 正半 周期 为 例对 其 共模 电压 进行 分 析 。 图 8 H5拓扑在 电网电流 正半周期 S1始终导通 , 当 正 弦 调 制波 大 于 三角载 波时 , S5、 S4导通 , 共模 电压 cm v 为cm a0b0PV PV 0.5( 0.5(V0 0.5V v v v =+=+= (20当 正 弦 调 制波 小 于 三角载 波时 S5、 S4关 断 ,电流 经 S3的 反 并 联二极管 、 S1续 流上述 几种 拓扑 都 能够抑制共模 电流 , 但 H5拓扑所

23、 需 的功率器 件最 少 , 从而 最 大限 度 地 降低 了成 本 。4 各种拓扑结构损耗的比较对于上述 的逆变器而 言 ,其功率 损耗 主要 有 三 个方面 :1 辅助 控制 电路的 损耗 。 对于不同 的 拓扑 , 该 部 分的 损耗 恒 定 且 相 等 。2 滤波 电 感 上 的 损耗 。 电 感 上 的 损耗 和电流 (电 阻 损耗 及 其 纹 波 (磁 损耗 有 关 。 若功率 相同 , 则所 有 拓 扑结构上 电 感 电流 都一 样, 但 是 电流 纹 波因拓扑结构 的 不同 而 存在 差异 。采用 双极性调 制 的 全桥拓扑上 的 电流 纹 波是 其 他 拓扑 的 2倍 5。

24、因 此 ,和其 他 拓扑结 构相比 ,其电 感 上 的 损耗较 大。3 功率器 件上 的 损耗 。功率器 件上 的 损耗 包括 通 态 和 开 关 损耗 , 两 者 都 和电流、电压 以及 器 件本 身的 特 性 有 关 。通态 损耗 和 通态 时 导通 的功率器 件 的数 目 以及 功 率器 件 的 额 定 电压有 关 。 额 定 电压 越 高的功率器 件 其 通态 损耗 越 大。 开 关 损耗是损耗 中的 主要 部 分。 一 个 电网 周期 中 开 关 次 数 越 多 , 开 关 损耗 越 大; 此 外 , 开 关 损耗还 与调 制 器 件 的 额 定 电压有 关 , 额 定 电压 越 大

25、, 开 关 损耗 越 大。下面 在直 流 侧 最 高 输 入 电压为 800V , 开 关 频率为 10kHz 的 相同 条 件 下 比较上述不同拓扑结构 的功率 损 耗 。对于 双极性调 制 的 全桥拓扑 , 4个 IGBT 都 工 作 在 开 关 频率, 在 一 个 电网 周期 中 IGBT 总 的 开 关 次 数为 40k 。 IGBT 的 开 关 电压为 Vin , Vin 表示直 流 侧 输 入 电 压。 考虑 裕 量 所 选 用 IGBT 的 额 定 电压 应 为 1200V 。对于 H5拓扑 , S1、 S3阻 塞 电压为 Vin , 应 选 用 额 定 电压为 1200V 的

26、IGBT , 因以 工频工 作 可忽略 其 开 关 损耗 。 S4、 S2以 开 关 频率分 别 在 电网电流 正 负 半周 工 作 , 开 关 电压为 Vin/2, 但 阻 塞 电压为 Vin , 所 选 IGBT 的 额 定 电压 应 为 1200V 。 S5的 开 关 电压和 阻 塞 电压 都 为 Vin/2, 所以 其 额 定 电压为 600V 。其 他 拓扑结构 的 分 析 与 其 类 似 。表 1概括 了 不同拓扑 的 损耗 情况 。从 表 1中 可 看 出 , 双极性调 制 的 全桥拓扑因 开 关 次 数 最 多 、 调 制 器 件 的 开 关 电压为 Vin , 额 定 电压为

27、 1200V , 所以损耗最 大。 增加 交 流 旁 路 后 , 调 制 器 件 的 开 关 电压 由 Vin 降 为 Vin/2, 损耗得 到 降低 。带 直 流 旁 路的 全桥拓扑 通 态 损耗 和其 他 拓扑相比较 高, 但 其 调 制 器 件 的 额 定 电 压 都 为 600V , 损耗得 到 进 一 步 的 降低 。和带 交 流 旁 路 的 全桥拓扑相比 , 由于 减 少 1个 功率器 件 , 降低 了 H5拓 扑 的 通态 损耗 , 从而 使得效 率 得 到 进 一 步 提高。中 国 电工 技术 学 会 电 力 电 子 学 会第十一届 学 术年会表 1不同拓扑 的功率 损耗功率器

28、 件 一 个 开 关 周期 中的 损耗通态拓扑结构器 件 数 目额 定 电压 开 关 次 数 及 最 高 效 率 器 件 (数 目 /额 定 电压 时 间 调 制 器 件 (数 目 /额 定 电压 (开 关 电压 双极性调 制 的 全桥拓扑 4S1240K/95%2/S12 2/DS12 D T (1-DT 2/S12 (V in 带 交 流 旁 路 的 全桥拓扑 6S1220K/96.3%2/S12 1/S12,1/DS12 D T (1-DT 2/S12 (V in /2 带 直 流 旁 路 的 全桥拓扑4 2 2S12 D6 S6 20K/97.4%2/S6,2/S12 2/S12,2/

29、DS12D T (1-DT2/S6 (V in /2H5拓扑4 1S12 S620K/98.1%1/S6,2/S12 1/S12,1/DS12D T (1-DT1/S6,1/S12 (V in /2注 :S12、 S6分 别 表示 额 定 电压为 1200V 、 600V 的功率器 件 ; D12表示 额 定 电压为 1200V 的 二极管 ; DS 表示 IGBT 的 反 并 联二极管 ; Vin 表示直 流 侧 输 入 电压5 结论本文 分 析 了 单相非 隔离型光伏并网系统中 共模电流 产生 的 机 理 , 比较 了采用 不同 调 制 策 略 的 单相全 桥 逆变器 上共模 电流的 差异

30、 , 研究 了 几种 能够抑制共 模 电流的 拓扑 , 得 出 了 抑制共模 电流的 基 本 规律 。 在 此 基础 上 提 出一种 混 合 桥 臂 的 无 变压器 非 隔离型 单相 并 网 拓扑 , 通 过 仿真 分 析 验证 该 拓扑能够抑制共模 电流。 最后对 几种 拓扑结构 的 损耗进行 了 比较 。参考文献1 scar Lpez, Remus Teodorescu, Francisco Freijedo, et al.Leakagecurrentevaluationofasingle-phasetransformerless PV inverter connected to the

31、gridC. Applied Power Electronics Conference, APEC 2007 - Twenty Second Annual IEEE, Publication Date: Feb. 25 2007-March 1 2007: 907-912.2 scar L pez, Remus Teodorescu, Jes s Doval-Gandoy.Multilevel transformerless topologies for single-phase grid-connected convertersC. IEEE Industrial Electronics,

32、IECON 2006 - 32nd Annual Conference on, 2006, 11:5191-5196.3 吴 理 博 ,赵 争鸣 , 刘建政 , 等 . 单级 式 光伏并网逆变系统中的 最 大功率 点跟踪 算 法 稳 定 性 研究 J. 中 国 电 机 工 程学 报 , 2006, 26 (6:73-77.WU Li-bo, ZHAO Zheng-ming, LIU Jian-zheng, et al. Research on the Stability of MPPT Strategy Applied in Single-stage Grid-connected Photovoltaic System J. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(6:73-77(in Chinese.4 杨海柱 , 金 新 民 . 基