一种改进的开关箝位式非隔离型逆变.docx

1、电力电子技术Vol.52,No.62018年6月PowerElectronicsJune2018一种改进的开关箝位式非隔离型逆变范瑞祥I,李伦全2,孟艳颍3,刘斌3（1.国网江西省电力公司电力科学研究院，江西南昌330096；2.深圳市保益新能电气有限公司，广东深圳518101；3.南昌航空大学，信息工程学院，江西南昌330063）摘要：此处提出了一种基于开关管箝位的非隔离型光伏逆变拓扑，与传统的H6相比，在电感续流阶段将中点电压箝位，可更好地抑制对地漏电流。由于功率开关管奇生电容的存在使电路漏电流无法得到很好的消除，针对这一问题，提出了有源箱位电路，在电感续流阶段通过箝位开关管将中点电压箝位

2、到直流母线电压的一半，保证系统在各种情况下都共有续流通道，且消除了对地漏电流。通过仿真验证了拓扑的可行性和正确性，证明了新拓扑可将共模电压箝位从而更好地抑制对地漏电流，提高了系统的安全裕度。关键词：逆变器；漏电流；非隔离型；有源箝位中图分类号:TM464文献标识码：A文章编号：1000-100X（2018）06-0081-03ResearchonanImprovedSwitch-clampedNon-isolatedInverterFANRui-xiang1,LILun-quan2,MENGYan-ying3,LIUBin3(.StaleGridJiangxiElectricPouterCom

3、panyElectricPowtrResearchInstitute,Nonehang330096,China)Abstract:Anewkindofnon-isolatedphotovoltaicinvertertopologyisproposedbasedonactiveclamped,comparedwiththetraditionalH6topology,themidpointvoltagecanbeclampedandtheleakagecurrentcanalsobeinhibitedduringtheinductancepostproductionphase.Duetotheex

4、istenceoftheparasiticcapacitanceinthepowerswitch,itmakestheleakagecurrentcouldnotbewelleliminatedinthecircuit,inordertosolvethisproblem,theactiveclampcircuithasbeenputforward,notonlycanthemidpointvoltagebeclampedtothehalfofthedirectcurrentpowerthroughactiveclampingswitchduringtheinductivepostproduct

5、ionphase,butalsocanbeensuredcontinuecirculationwayinthecaseofapowerfactorislessthanone,hencethenewtopologycouldbettereliminatedtheleakagecurrent.Theaccuracyofnewtopologyhasbeenverifiedthroughthesimulation,notonlycanthemidpointvoltagebeclamped,butalsoitcouldinhibittheleakagecurrent,ultimately,itimpro

6、vesthesafetymarginofthesystem.Keywords:inverter；leakagecurrent；non-isolated；activeclampFoundationProject:SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61463037)1引言光伏发电领域中，结构简单、效率高、体积小、重量轻及成本低的非隔离型光伏并网逆变器有着明显优势，在一定程度上促进了光伏发电推广。此处为解决非隔离型逆变器的续流通道及漏电流问题，提出了一种开关管箝位的无变压器型光伏逆变器拓扑，通过在电路中添加开关管形成有源箝位单

7、元叫在适当的开关时序控制下，当电路处于零电平输出阶段逆变侧电路会形成续流回路，将逆变电流和光伏侧的直流电流解耦，且保证系统在任何状态下都有续流通道，从根本上实现电流的续流及对地漏电流的问题。在逆变输出基金项目：国家自然科学基金（61463037）定稿日期：2017-08-31作者简介：范瑞禅（1977-）,男，湖南湘潭人，博士，高级工程师，研究方向为电能质量技制。零电位时刻将共模电压箝位在母线电容的中点电位，从而解决共模电压在零电平输出时的电压悬浮问题，提高了系统的工作效率和非隔离型光伏并网逆变器系统运行的安全裕度。2新拓扑的结构与原理分析2.1拓扑的分析常规的H6拓扑如图1所示，由开关管V,

8、-V6组成全桥逆变、二极管VD,和VD2构成续流通道。其工作原理为：当逆变电压,为正时，开关管VV2和V3导通，此时电流流经VLmL,开关管v2,v3；当滤波电感续流时，V2导通，电感电流流经LHug,L2,V2,续流二极管VD”，只有在系统功率因数为1的情况下，系统才有此续流通道。在功率因数小于1时，由于此时电流流经到达VDn时，由于二极管的单向导通特性，这个续流通道不存在；当虬为负时，V】，Vs和V6导通；此时电流流经知知VV6;当滤波电感续流时，V5第52卷第6期2018年6月导通，电感电流流经如知乙工、续流二极管VD”；只有在系统的功率因数为I的情况下，系统才有此续流通道。在功率因数小

9、于I时，由于此时电流流经如峋,匕2,到达VD”时，由于二极管的单向导通特性，这个续流通道不存在。因此，常规的H6拓扑续流通道存在问题。乜刀pJ，、PowerElectronics针对以上问题，此处提出了一种开关管箝位式的非隔离型光伏逆变器拓扑，如图2所示，该拓扑是在常规H6拓扑基础上经过优化，由两个等容等压的滤波电容G,G代替原来光伏侧的单个滤波电容;V,V6为功率开关管，构成全桥逆变拓扑；V7,V.为两个反向串联的箝位开关管，在电感续流阶段将共模电压箝位在直流母线电压的一半；V9,V2为续流开关管，在电感续流阶段提供续流通道jVD.-VD.o为功率开关管对应的反并联体二极管为并网滤波电感。勺

10、Qvmvd4图IH6拓扑Fig.IH6topology2.2原理分析为更好地理解新拓扑，下面将完整地介绍拓扑的工作模态，该拓扑采用单极性正弦波脉宽调制(SPWM)方式，其驭动波形如图3所示，逆变输出为，电感电流4的参考方向如图2所示。当为正时,V2tV3高频动作，V4一直开通，V,V.和V9与V2,V3动作信号相反；当屿为负时，V,V6高频动作，一直开通,V7tV8和V】。与V,V6动作信Fig.2Theproposednewtopology工作模态l岭为正,v2,v3,v4导通，其余的开关管关断。并网电流依次流过V3,Va,L,电网，心和V2。此时共模电压表示为：图3电路的驱动波形Fig.3

11、Circuitdrivewaveforms图3电路的驱动波形Fig.3Circuitdrivewaveforms叱)m=(如v+uv)/2=(pv+)/2=pv/2(I)工作模态2滤波电感续流，V,及V7,V8导通，其余的开关管关断。根据逆变桥臂“mm与直流母线电压一半的关系来选择开关管的导通。当岫，岫的电压大于直流母线电压的一半时，V8导通，V7关断；当5瞄小于直流母线电压的一半时，V7导通，V8关断。由于上一个工作模态的逆变输出电压为正，当功率因数等于I,即续流的电流也为正时，电流的方向由4到8,因此V9关断，续流通道为电网,l2,vd9,v4；当功率因数小于I,即续流的电流为负，电流的方

12、向由8到彳，因此V9导通，续流通道为匕2,电网,l,vd4,v9o此时的共模电压表示为：叱)=(阳v+u&v)/2=(pv/2+t/pv/2)/2=t/pv/2(2)工作模态3逆变电压为负,VltV3,V6导通，其余的开关管关断。并网电流依次流过V】，滤波电感心，电网，滤波电感L和开关管V5,V6O此时的共模电压表示为：UcoM=(UA.v+uav)/2=(0+”pv)/2=L/pv/2(3)工作模态4滤波电感续流，Vs以及V7,V8导通，其余的开关管关断。根据逆变桥臂“AN,U&N与直流母线电压一半的关系来选择开关管的导通。当四g大于直流母线电压的一半时，览导通，V,关断；当3,皿小于直流母

13、线电压的一半时，V,导通，V-关断。由于上一个工作模态的逆变输出电压为负，当功率因数等于1,即续流电流也为负时，电流的方向由8到4,因此V】。关断，续流通道为乙2,电网,V5,VDi0；当功率因数小于1,即续流电流为正，电流方向由4到B,因此Vq导通，续流通道为电网,L2,V10,VD5o此时的共模电压为：g=(%+%、)/2=(必/2+，/2)/2=/*2(4)由以上分析可得，通过V9,V10可保证无论功率因数的正负，滤波电感都有续流通道；通过在电路中增加两个反串联的箝位开关管，保证桥臂中点电压在电感续流阶段实现电压的箝位，很好地减少因开关管寄生电容引起的共模电压波动，保证了共模电压在整个工

14、作模式中都恒定在直流母线电压的一半，有效减少了漏电流，达到了对地漏电流的标准。无论输出功率因数的正负都可提供续流回路，更好地提高了系统的安全性能,优于常规的非隔离型光伏并网逆变拓扑。3仿真及实验分析仿真与参数为验证新拓扑的有效性，通过Simulink搭建2kW的仿真电路，且与常规H6拓扑在共模电压和漏电流性能方面进行对比，仿真参数为：电网频率后50Hz；开关频率兀=20kHz；额定功率P=2kW；输入电压(/i=500V；电网电压=220V；母线电容G=C2=4700|xF；Z/=Zr2=1.2mH；死区时间7j=1.5piso根据上述参数搭建仿真实验平台。3.1 仿真结果在Simulink仿

15、真中，将开关管的寄生参数、光伏板寄生电容及调制波形都设置为实际实验参数，对H6拓扑和新拓扑进行仿真，按照图1措建H6拓扑，得到逆变电压、电流和漏电流如图4a所示，可见，H6拓扑在功率因数为1时，具有续流通道；在功率因数小于1时，电路不存在续流通道，此时电流会发生突变直接为零，直到功率因数等于1时才有续流电流。新拓扑的逆变电压、电流和漏电流波形如图4b所示，可见，新拓扑不仅在功率因数为1时，具有续流通道；且在功率因数小于】时，也存在续流通道。A00W!ill匚一n=V:-一LJPk一(笔V0CM(5ms/格)/(5ms/格)(a)H6拓扑(b)新型拓扑图4H6拓扑与新拓扑的仿真波形Fig.4Si

16、mulationwaveformsofH6andthenewtypology3.3实验结果在实际搭建的2kW样机中，对所提新型拓扑在稳定共模电压、抑制漏电流效果及在不同功率因数情况下的续流通道进行了验证，在实际系统中测量逆变电压、电流和漏电流波形如图5所示。仿真和实验结果都说明，新型拓扑在任何功率因数下都有很良好的续流通道，减小了寄生参数的影响，有效抑制了系统的共模电压和漏电流，提高了非隔离型逆变系统的安全裕度与可彝性。/(IOms/f)5逆变电压、电流和漏电流Fig.5Theinvertervoltage9currentandleakagecurrent(垸、0OZ;垣4结论在实际电路中，开

17、关管中存在寄生电容，使得常规无变压器型解耦拓扑中仍存在谐振回路及续流通道的问题。所提拓扑通过引入箝位电路，在零电平输出阶段将桥臂的中点电压箝位到直流母线电压的一半，使得在整个开关周期内共模电压保持恒定；保证系统在任何工作情况下都具有续流通道，还能将逆变侧和直流侧的电流解耦，最终有效解决系统续流及对地漏电流；提高了系统的工作效率和无变压器型光伏并网逆变器系统运行的安全裕度。参考文献王丛，惠晶种新型单相非隔离光伏并网逆变器J.电力电子技术，2013,47(4)：61-63.1 SchmidtH,BurgerB,SiedleC.GefahrdungsPotentialTra-nsformatorloserWechselrichte:FaktenUndGemchteA.SymposiumPhotovoltaischeSoIareneriererC.2003:89-98.31张兴,孙龙林，许颇，等.单相非隔离型光伏并网