六开关非隔离型双降压光伏并网逆变器共模漏电流抑制研究.docx

1、六开关非隔离型双降压光伏并网逆变器共模漏电流抑制研究潘力李红伟，代云中'，杜程茂2(1.西南石油大学电气信息学院，四川成都610500；2.重庆大学电气工程学院，重庆400044)摘要：共模漏电流的抑制是非隔离型光伏并网逆变器需要解决的关键问题。双降压逆变器克服了传统桥式逆变器上下桥臀的直通问题，能够避免驱动信号死区引入的低次谐波。提出一种六开关非隔离型双降压并网逆变器拓扑，分析了其电路工作原理，并给出了其相应的半周W腔制策略，使共模电压保持恒定，有效抑了系统共模漏电流。最后通过仿真驹正了所提逆变器电路结构和对共模漏电流分析的正确性。关键词:光伏并网逆变器：非隔离型双降压：无桥臂直通问

2、题：共模电压:共模漏电流中图分类号:TM464文献标志码:A文章编号:2096-4145(2019)02-0043-04ResearchonCommon-modeLeakageCurrentSuppressionforNon-isolatedDual-buckPhotovoltaicGrid-connectedInverterwithSixPower-switchPANLi1,LIHongwei1,DAIYunzhong',DUChengmao2(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformalion,SoulhwesiPetroleumUniver

3、sityChengdu610500,China：2.SchoolofElectricalEngineering,ChongqingUniversity»Chongqing400044,China)Abstract:Common-modeleakagecurrentneedstobesuppressedinnon-isolatedphotovoltaicgrid-connectedinverter.Thedualbuckfull-bridgeinverterhasnoproblemwithshoot-through,thusavoidinglow-orderharmonicinthed

4、eadtime.Thepaperproposesanovelnon-isolateddualbuckgrid-connectedinvertertopology,analyzestheprincipleofthecircuitworking,andproposesthesemi-periodiccontrolstrategythatkeepsthecommon-modevoltageconstant,effectivelysuppressingthecommon-modeleakagecunentofthegrid-connectedinverter.Atlast,thecorrectness

5、ofthenewinvertertopologyandthetheoreticalanalysisonthecommon-modeleakagecur-rentisverifiedbysimulationresults.Keywords:photovoltaicgrid-connectedinverter；non-isolateddual-buck；noshoot-throughproblemininverter：common-inodevokage；common-modeleakagecurrcni(973Program)(20I3CB228203)隔离型光伏并网逆变器(Non-isolat

6、edPhotovol-taicGrid-ConnectedInverter,NPGCI)具有体积小、成本低和效率高等优点时。但由于NPGCI没有隔离变压器来实现电气隔离，光伏电池板与电网间存在回路，当共模电压变化时，会产生较大的共模漏基金项日：国家重点块础研究发展计划(973计划)资助项日(2OI3CB2282O3)ProjectSupportedbyNationalKevBasicResearchProgramofChina电流。德国VDE-0126-1-1标准规定光伏系统漏电流有效值必须小于300mA%因此共模漏电流抑制是NPGCI必须解决的关键技术之一。同时，为了使光伏发电系统能经济、稳

7、定运行，要求并网逆变器(Grid-ConnectedInverter,GCI)具有较高的可靠性、效率和电能质量。典型的单相拓扑包括H尹和H伊,这2类桥式GCI同桥臂的开关管存在直通问题，须设置死区时间，而死区的存在会引入低次谐波，降低进网电流的电能质量若功率管采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor,MOSFET),续流电流流过MOSFET的体二极管，该二极管反向恢复特性很差，(1)点为网侧接地点，N点为直流电压负端。图1NDPGCI-6拓扑Fig.1NDPGCI-6topology从图2中可以看出，共模漏电流W

8、表示为：'g-5山结合式(1)和式(2)式可知，若/如,在整个工频周期内保持恒定，即农“为常数，则能有效抑制共模漏电流。(3)2调制策略与共模漏电流的抑制为减小器件的开关损耗和导通损耗，提高逆变器效率，NDPGCI-6工作于半周期运行模式，使Si、降低了逆变器的效率叫。双降压半桥逆变器(DualBuckHalf-BridgeInverter,DBHBI)'山具有无桥臀直通问题、开关管无需设置死区的优点，但DBHBI输入直流电压利用率只有传统全桥逆变器的一半。文献1【提出一种双降压全桥并网逆变器(DualBuckFull-BridgeGrid-ConnectedInverter,

9、DBFBG-Q)。DBFBGCI在同桥臂的两开美管间引入了滤波电感，由于电感电流不能突变，因此，同桥臂功率管无需设置死区时间；采用半周期调制方式减小了功率管的开关损耗及导通损耗；旦续流回路不经过体二极管，可提高逆变器的可靠性。但对其工作原理分析后表明，DBFBGCI共模电压不稳定，若将其用于光伏并网系统，会引发较大的共模漏电流。鉴于上述GCI电路拓扑的缺陷，本文提出一种六开关非隔离型双降压全桥并网逆变器(NonisolatedDual-buckPhotovoltaicGrid-ConnectedInverterwithSixPower-switches,NDPGCI-6)。经过对NDPGCI-

10、6的拓扑结构进行共模回路、调制策略、共模漏电流和工作模态的分析，得出该逆变器在半周期调制策略下，正、负半周期共模电压保持恒定，不产生共模漏电流：通过在Matlab/Simulink中进行仿真试验，验证了所提逆变器拓扑对共模漏电流抑制的正确性，并能获得较好的并网电流。1NDPGCI-6拓扑及其共模漏电流分析1.1NDPGCI-6电路拓扑本文基于DBFBGCI提出的NDPGCI-6电路如图1所示。图1中，为主功率开关管，知u为电网电压农为光伏电池直流输入电压，C”为光伏电池板对地寄生电容，乙为接地阻抗；L”LuL,为滤波电感；D”D：,D“D,为独立高性能二极管；分别为上下2个桥臂的中点，C点为L

11、左臂点，G与DBFBGCI相比较，NDPGCI-6在直流电压正、负两端各加了1个开关管S,和&，但减少了阻尼电阻R和滤波电容G,并不会增加成本；网侧采用LpUL,电感滤波可消除并网逆变器的差模电田叫1.2NDPGCI-6共模漏电流的分析为分析NDPGCI-6的共模漏电流，需建立其共模谐振等效电路。G、，具有隔离直流电源的作用，因此共模漏电流篇仅与交流电压源有关。当不考虑直流电源嫔对U的影响时，NDPGCI-6的共模谐振等效电路如图2所示。其中,岫岫岫，瞄分别为图1中A,B,C,G点处对直流电压负极N之间的图2共模谐振等效简化电路Fig.2Simplifiedequivalentmode

12、lofcommon-moderesonantcircuit为消除GCI的差模电压，令L2=L广L'7',由图2(a)可以看出，正半周期NDPGCI-6为对称滤波电感电路。此时，NDPGCI-6的共模漏电流3主要取决于高频交流激励电源，如和“础产生的等效共模电压“邱,的作用根据文献7|的对称滤波电感电路分析可得NDPGCI-6正半周期的略为：="an+"邮*Km2从图2(b)可以看出，负半周期NDPGCI-6为不对称滤波电感电路，根据文献7J对非对称滤波电感电路分析可得NDPGCI-6在负半周期的站加为：(2)&在正半周期工作，&、S.,在负半

13、周期工作。为使逆变器共模电压保持恒定，从而有效抑制共模漏电流，本文采用了单极性正弦波脉宽调制（Sine-wavePulseWidthModulation,SPWM）策略，单极性SPWM调制波的正（负）半周期仅有正（负）的电压脉冲，开关管SLSf.驱动波形和输出电压I队B（USN-Ubn）,Ucg的波形如图3所示。&的驱动信号在正半周期与S,相同，在负周期与&相同；为单极性三角载波，J为调制波。图3S,又驱动波形输出电压波形Fig.3IdealwaveformsofimprovedinverterwithunipolarSPWM为分别分析NDPGCI-6在正负半周期的工作情况，为

14、并网电流，设其从A点流向B点时为正。同时，并忽略电感压降的影响m。根据的方向和&项,的开关情况，NDPGCI-6在1个工频周期内可分为4种工作模态。工作模态等效电路如图4所示。2.1工作模态I当板00、&、&$6胸，S2、S,关断时,为工作模态I，其等效电路如图4（a）所示。此时临、Ss、S、和&构成正向充电闭合回路，正向增加。从图4（a）可以看出：%=+奴如.，="州=+血（5）“础=0（6）将式和式代入式可得工作模态I的共模电压瞄为:图4NDPGCI-6各工作模态等效电路Fig.4EquivalentcircuitofworkingmodesofN

15、DPGCI-62.2工作模态II当AX）,S,、S6导通，&、S3、&、Ss关断时，为工作模态II，其等效电路图如图4（b）所示。此时Si、D?、和D,构成正向放电续流回路，4湖正向减小。因此，实现了逆变器在正向续流阶段电网与直流电压的隔离。该续流通路不通过性能较差的体二极管，减小了反向恢复损耗，可提高逆变器效率和可靠性唯从图4(b)可以看出：M=0当&与&为相同类型的开关管时，&与&的电压应力相同"岫，即:vs,=vs<式中，和"分别为开关管£与&两端电压。根据图4(b),由基尔霍夫电压定律可得：%、

16、，=，"此，m«.v=VS4(10)"an=llBN联立式式(10)式可得：1(11)ANav2将心和"代入(1)式可得工作模态II的共模电压Mcvm：u=知+"明=如(12)<£(n222.3工作模态III当*<0、&3$、&导通，拓,关断时，为工作模态III，其等效电路图如图4(c)所示。此时"、&、&、5、L、L、Si和&构成反向充电闭合回路，让负向增加。从图4。可以看出：岫=一嫔(13)uCN=0(14)wC1V=-Ucg=+w<k(15)将式(14)和式(1

17、5)代入式可得到工作模态III的共模电压心=(16)2.4工作模态IV当、<0&&、&导通,S&S'关断时，为工作模态IV,其等效电路图如图4(d)所示。此时如讪、L,、L,、D、&和D,构成反向放电续流回路，曲负向减小，实现了逆变器在负向续流阶段电网与直流电压的隔离。对图4(d)分析可以得到：妃=()(17)从图4(d)可知，C点对N点电压知=+%G点对N点电压阮、=+妃。将如代入式(2)可得模态IV的为：瞄=瞄="&(18)2.5总结分析从2.12.4小节分析可得NDGCI-6的开关状态及”如表I所示。表1NDGCI-

18、6开关状态及模态电压Tab.1Switchingstatesandn«,ofNDGCI-6对NDPGCI-6的有效共模电压分析知：(1) 模态LII具有相同的MKm=奴/2。由于恒定，当不考虑开关管结电容对等效共模电压人m的影响时，根据式(3),NDPGCI-6在模态I.II的共模漏电流篇如式(19),其中，是小单位时刻，&心是/内心的变化量。(2) 模态IILIV具有相同的等效共模电压“顿=嫔。同理，根据式可知，NDPGCI-6在模态IILiv的y为:因此，NDPGCI-6可抑制正半周期和负半周期的共模漏电流。3Matlab/Simulink仿真验证为验证NDPGCI-6对

19、共模漏电流抑制的有效性在Matlab/Simulink环境卜搭建了并网逆变器仿真模型，系统示意图如图5所示。采用并网电流负反馈P【控制叩闱，对并网电流M，采样并与参考电流见作差，该误差信号通过PI模块生成调制信号，此调制信号与三角载波比较得到开关管的SPWM驱动信号。逆变器仿真模型主要参数电路参数如表2所示。图5NDPGCI-6并网控制示意图Fig.5NDPGCI-6gridconnectioncontroldiagram参数知/VUZVL9Li9Li/mH3!nF数值380220445表2仿真参数Tab.2Simulationparameters(c)虬.、.虬,、和，的仿N波形图6仿真波形

20、Fig.6Simulationwaveforms图6为NDPGCL6的试验波形。图6(a)中13通道依次为在1个周期内知的仿真试验波形，可以看出心V在正半周期内在380V与190V这2个值跳变，加在正半周期内为在0V与190V这2个值跳变，整个正半周期内瞄与河的和稳定在380V左右，代入式可知，整个正半周期内，等效共模电压如=约为190V；图6(b)为图6(a)中虚线框所示的放大波形；图6(c)中,“佃在负半周期内为38OV,代滩(2)可知，整个负半周期内，等效共模电压妃m约为380V,验证了前文对NDPGCI-6共模电压分析的正确性。图6(d)为入网电流L、电网电压Ug和共模漏电流心仿真试验

21、波形，可以看出，4与Ug保持同相位，幅值为5A；从共模漏电流的仿真试验波形可以看出，共模漏电流的值保持在-100mA-100mA之间，满足VDE-0126-1-1规定的标准。仿真试验验证了对NDPGCI-6等效共模电压和共模漏电流分析的正确性，解决了传统电路会产生较大的漏电流问题。(b)正半周局部放大波形4结论通过对本文提出的NDGCI-6的电路结构、共模漏电流研究得出以下结论：(1) SPMW调制策略使开关管处于半周期工作模式，降低了开关损耗；且续流回路电网电流不经过性能较差的开关管体二极管。因此与DFGI类似，NDGCI-6具有高效率和高可靠性的优点。(2) NDGCI-6在整个工频周期内

22、的模态I、模态II的瞄.为皿，模态III和模态IV的瞄为妃2,正、负半周期的共模电压均为恒值。因此，NDGCI-6可消除DFGI正半周期存在的共模漏电流。(3) 考虑开关管结电容时，共模漏电流的抑制情况将变得复杂。当NDGCI-6I作模态变化时，开关管结电容会引起如，如和J的波动,由此产生的影响将作为下一步的研究方向之一。参考文献IWUTF,MISRAM,UNLC,clal.AnimprovedresonantfrequencybasedsystematicLCLfilterdesignmethodforgrid-connectedinvertcr|J|.IEEETransactionsonI

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