电力基础电路 8

现代电力电子电路·ModernPowerElectronicsCircuit第2章单相非隔离型光伏并网逆变器目录2.1光伏并网逆变器的漏电流分析2.2全桥非隔离型光伏并网逆变器2.3半桥非隔离型光伏并网逆变器漏电流分析产生原理：光伏电池和接地外壳之间存在对地寄生电容，一般在50~150nF/kW寄生电容-逆变器-电网三者间通过大地形成回路时，由逆变器高频开关动作引起的共模电压将在寄生电容上产生共模电流在非隔离光伏并网系统中，共模电压将在寄生电容上形成较大的共模电流，即漏电流光伏电池对地寄生电容示意图漏电流分析取滤波电感值L1=L2=L/2。定义共模电压(CMV)如下：在全桥电路中，电压uAN和uBN由四个开关器件控制。当S1、S3导通时，电压等于直流母线电压，而S2、S4导通时，电压为零(PWM电压源)流过寄生电容上的共模电流为对地寄生电容产生漏电流示意图简化共模漏电流模型示意图漏电流分析根据叠加定理，寄生电容上总的共模电压upv_cm可分为三部分，分别由ug、uAN和uBN产生，即：当交流电网电压ug单独作用时（此时电压源uAN和uBN短路），由ug产生的共模电压upv_cm1为：ug产生的共模电压回路简化回路漏电流分析当uAN和uBN分别单独作用时（此时ug短路），其产生的共模电压upv_cm2和upv_cm3回路相似由uAN和uBN产生的共模电压upv_cm2和upv_cm3分别可表示为：uAN产生的共模电压回路简化回路漏电流分析与逆变器开关频率相比，电网频率50/60Hz较低，因此upv_cm1引起的漏电流一般可以忽略在忽略upv_cm1的情况下，总的漏电压为：如果共模电压uCMV在所有模态下保持不变，即共模电压为定值，由共模电压引起的漏电流可以被限制到几乎为零（忽略电网引起的漏电流）目录2.2全桥非隔离型光伏并网逆变器

2.2.1基本全桥逆变电路

2.2.2HERIC逆变器2.2.3H5逆变器2.2.4仿真分析

基本全桥逆变电路电路结构：电压源型逆变器中应用最为广泛的拓扑结构包括逆变全桥和滤波电路两个部分性能评价指标是入网电流的总谐波失真（THD）控制中常以交流侧电流作为控制对象

基本全桥逆变电路控制策略：单相全桥逆变电路基本控制策略用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波SPWM波形—脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可SPWM调制信号等效生成矩形脉冲：等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化基本全桥逆变电路正弦脉宽调制：双极性SPWM调制双极性SPWM驱动信号时序调制波的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，一周期内，输出PWM波有±Upv两种电平调制信号和载波信号的交点控制器件通断正负半周，对各开关器件的控制规律相同双极性SPWM调制——模态分析双极性SPWM驱动信号时序当u调制波>u载波时，给S1和S4导通信号，给S2和S3关断信号当u调制波<u载波时，给S2和S3导通信号，给S1和S4关断信号正向电流时，模态1下S1、S4导通；模态2下D2、D3续流导通（注：Dx分别为Sx的反并二极管，以下类同）模态1、2电网电压处于正半周模态1等效电路

模态2等效电路双极性SPWM调制——模态分析当u调制波>u载波时，给S1和S4导通信号，给S2和S3关断信号当u调制波<u载波时，给S2和S3导通信号，给S1和S4关断信号反向电流时，模态3下S2、S3导通；模态4下D1、D4续流导通模态3、4电网电压处于负半周模态3等效电路

模态4等效电路双极性SPWM驱动信号时序双极性SPWM调制——漏电流分析下表给出了双极性SPWM下各模态的共模电压uCMV共模电压能在整个电网周期内保持为恒定的Upv/2。因此，能很好地抑制漏电流单相全桥逆变器双极性SPWM下的共模电压单极性SPWM调制单极性和双极性，两者区别在于三角载波的不同采用单极性三角载波，输出具有单极性特征，存在正、负、零三种电平S1、S2进行工频开关S3、S4进行高频调制单极性SPWM驱动信号时序单极性SPWM调制——模态分析单极性SPWM驱动信号时序在调制波正半周，S1导通，S2关断当u调制波>u载波时，S4导通；u调制波<u载波时，S4关断正向电流时，模态1下S1、S4导通，输出端uAB产生正电平；模态2下S1、D3续流导通，uAB为零电平模态1等效电路

模态2等效电路单极性SPWM调制——模态分析在调制波负半周，S2导通，S1关断当u调制波<u载波时，S3导通；u调制波>u载波时，S3关断反向电流时，模态3下S2、S3导通，输出端uAB产生负电平；模态4下S2、D4续流导通，uAB为零电平模态3等效电路

模态4等效电路单极性SPWM驱动信号时序单极性SPWM调制——漏电流分析下表给出了单极性SPWM下各模态的共模电压uCMV共模电压不是恒定的，存在开关频率的波动分量，会引起较大的漏电流单相全桥逆变器单极性SPWM下的共模电压目录2.2全桥非隔离型光伏并网逆变器

2.2.1基本全桥逆变电路

2.2.2HERIC逆变器2.2.3H5逆变器2.2.4仿真分析

HERIC逆变器电路结构：HERIC逆变器全称“HighlyEfficientandReliableInverterConcept”逆变器在普通全桥逆变电路基础上在输出端口并联了一条由两个反向串联的开关管组成的支路S5、S6进行工频开关，S1/S4和S2/S3分别在电网电压正半周期和负半周期进行调制且在另外半周期保持低电平HERIC逆变器HERIC逆变器——模态分析在调制波正半周，S5导通，S2、S3和S6关断当u调制波>u载波时，S1、S4导通；u调制波<u载波时，S1、S4关断正向电流时，模态1下S1、S4、S5导通，输出端uAB产生正电平；模态2下S5、D6续流导通，uAB为零电平模态1等效电路

模态2等效电路HERIC逆变器开关时序HERIC逆变器——模态分析在调制波负半周，S6导通，S1、S4和S5关断当u调制波<u载波时，S2、S3导通；u调制波>u载波时，S2、S3关断反向电流时，模态3下S2、S3、S6导通，输出端uAB产生负电平；模态4下S6、D5续流导通，uAB为零电平模态3等效电路

模态4等效电路HERIC逆变器开关时序HERIC逆变器——漏电流分析下表给出了HERIC逆变器各模态下的共模电压uCMV在续流模态下通过开关管S5和S6续流实现了直流侧与交流侧的电气隔离，从而有效阻断了共模回路，抑制了漏电流HERIC逆变器各模态下的共模电压注意：对于模态2和模态4，此时S1~S4都关断，理想情况下的uAN和uBN都为Upv/2，但在实际电路中，由于开关管寄生电容的影响，高频开关下会引起开关管上的电压振荡，可能导致状态“不定”，这在一定程度上影响了其漏电流性能。目录2.2全桥非隔离型光伏并网逆变器

2.2.1基本全桥逆变电路

2.2.2HERIC逆变器

2.2.3H5逆变器2.2.4仿真分析

H5逆变器电路结构：在普通全桥逆变电路的基础上在输入端口串联了一个额外的开关管由德国SMA公司提出且已在中国申请了技术专利，其最高效率达98.1%，欧洲效率达97.7%S1、S3进行工频开关，S2、S4分别在电网电压负半周期和正半周期进行调制且在另外半周期保持低电平，S5在整个周期进行调制H5逆变器H5逆变器——模态分析在调制波正半周，S1导通，S2、S3关断当u调制波>u载波时，S4、S5导通；u调制波<u载波时，S4、S5关断正向电流时，模态1下S1、S4、S5导通，输出端uAB产生正电平；模态2下S1、D3续流导通，uAB为零电平模态1等效电路

模态2等效电路H5逆变器开关时序H5逆变器——模态分析在调制波负半周，S3导通，S1、S4关断当u调制波<u载波时，S2、S5导通；u调制波>u载波时，S2、S5关断反向电流时，模态3下S2、S3、S5导通，输出端uAB产生负电平；模态4下S3、D1续流导通，uAB为零电平模态3等效电路

模态4等效电路H5逆变器开关时序H5逆变器——漏电流分析下表给出了H5逆变器各模态下的共模电压uCMV在续流模态下通过关断S5使得直流侧与交流侧实现了电气隔离，从而有效阻断了共模回路，抑制了漏电流H5逆变器各模态下的共模电压注意：对于模态2和模态4，此时S2、S4、S5都关断，理想情况下的uAN和uBN都为Upv/2，但在实际电路中，由于开关管寄生电容的影响，高频开关下会引起开关管上的电压振荡，可能导致状态“不定”，这在一定程度上影响了其漏电流性能。目录2.2全桥非隔离型光伏并网逆变器

2.2.1基本全桥逆变电路

2.2.2HERIC逆变器2.2.3H5逆变器

2.2.4仿真分析

仿真分析——基本全桥逆变电路仿真参数数值仿真参数数值光伏电压Upv400V开关频率fs40kHz网侧电压ug有效值220V滤波电感L1、L24mH网侧电流ig有效值14A寄生电容Cpv100nF仿真参数：单极性SPWM仿真波形双极性SPWM仿真波形仿真分析——HERIC逆变器和H5逆变器HERIC逆变器仿真波形H5逆变器仿真波形两者的共模电压均在Upv/2处波动，高频开关下会引起开关管上电压振荡，导致可能状态“不定”。可以通过波形看出，这种电压的波动也影响了漏电流目录2.3半桥非隔离型光伏并网逆变器

2.3.1基本半桥逆变电路

2.3.2NPC型半桥逆变电路2.3.3ANPC型半桥逆变电路2.3.4T型半桥逆变电路2.3.5仿真分析

基本半桥逆变电路电路结构：半桥拓扑中寄生电容上的共模电压与开关频率无关，为半桥分压电容上的电压uON，若两个分压电容Cdc1、Cdc2相等且容量足够大，则uON的幅值为0.5Upv，且在开关过程中基本不变upv_cm自然保持不变，自带抑制漏电流功能滤波电路不能采用分裂滤波电感形式结构简单、器件数量少，但直流电压利用率低含对地寄生电容的基本半桥逆变电路基本半桥逆变电路——模态分析当u调制波>u载波时，S1导通，S2关断当u调制波<u载波时，S2导通，S1关断正向电流时，模态1下S1导通；模态2下D2续流导通模态1、2电网电压处于正半周半桥逆变电路驱动信号时序模态1等效电路

模态2等效电路基本半桥逆变电路——模态分析当u调制波>u载波时，S1导通，S2关断当u调制波<u载波时，S2导通，S1关断反向电流时，模态3下S2导通；模态4下D1续流导通模态3、4电网电压处于负半周模态3等效电路

模态4等效电路半桥逆变电路驱动信号时序目录2.3半桥非隔离型光伏并网逆变器

2.3.1基本半桥逆变电路

2.3.2NPC型半桥逆变电路2.3.3ANPC型半桥逆变电路2.3.4T型半桥逆变电路2.3.5仿真分析

NPC型半桥逆变电路电路结构：中点钳位NPC型半桥逆变电路在基本半桥逆变电路的基础上增加了S2和S3以及钳位二极管D1和D2二极管分别连接到分压电容中点以构成钳位结构，保证开关管关断时仅承受0.5UpvS2、S3根据电网电压极性进行工频开关，S1、S4分别在电网电压正半周期和负半周期进行调制且在另外半周期保持低电平NPC型半桥逆变电路NPC型半桥逆变电路——模态分析在调制波正半周，S2导通，S3、S4关断当u调制波>u载波时，S1导通；u调制波<u载波时，S1关断正向电流时，模态1下S1、S2导通，输出端uAO产生正电平；模态2下S2、D1续流导通，uAO为零电平NPC型半桥逆变电路驱动信号时序模态1等效电路

模态2等效电路NPC型半桥逆变电路——模态分析在调制波负半周，S3导通，S1、S2关断当u调制波<u载波时，S4导通；u调制波>u载波时，S4关断反向电流时，模态3下S3、S4导通，输出端uAO产生负电平；模态4下S3、D2续流导通，uAO为零电平模态3等效电路

模态4等效电路NPC型半桥逆变电路驱动信号时序目录2.3半桥非隔离型光伏并网逆变器2.3.1基本半桥逆变电路

2.3.2NPC型半桥逆变电路

2.3.3ANPC型半桥逆变电路2.3.4T型半桥逆变电路2.3.5仿真分析

ANPC型半桥逆变电路电路结构：有源中点钳位ANPC型半桥逆变电路将NPC型半桥逆变电路原二极管的位置替换为开关管S5和S6，上下两个钳位支路为开关管间损耗分布更均匀提供了可能性S1、S4、S5、S6进行工频开关，其中S1和S6在电网正半周导通，S4和S5在电网负半周导通，S2、S3进行高频调制有源钳位NPC型半桥逆变电路ANPC型半桥逆变电路——模态分析在调制波正半周，S1、S6导通，S4、S5关断当u调制波>u载波时，S2导通，S3关断；u调制波<u载波时，S3导通，S2关断正向电流时，模态1下S1、S2、S6导通，输出端uAO产生正电平；模态2下S6、D3续流导通，uAO为零电平ANPC型半桥逆变电路驱动信号时序模态1等效电路

模态2等效电路ANPC型半桥逆变电路——模态分析在调制波负半周，S4、S5导通，S1、S6关断当u调制波>u载波时，S2导通，S3关断；u调制波<u载波时，S3导通，S2关断反向电流时，模态3下S3、S4、S5导通，输出端uAO产生负电平；模态4下S5、D2续流导通，uAO为零电平模态3等效电路

模态4等效电路ANPC型半桥逆变电路驱动信号时序目录2.3半桥非隔离型光伏并网逆变器

2.3.1基本半桥逆变电路

2.3.2NPC型半桥逆变电路2.3.3ANPC型半桥逆变电路

2.3.4T型半桥逆变电路2.3.5仿真分析

T型半桥逆变电路电路结构：T型半桥逆变电路中分压电容与开关管桥臂通过一对反向串联的开关管连接。相比于NPC型逆变电路，省去了两个钳位二极管S1、S2分别在电网电压正半和负半周期进行调制且在另外半周期保持低电平，在正半周期S1、S4互补导通，在负半周期S2、S3互补导通。且在正半周期内S3保持常通，在负半周期内S4保持常通T型半桥逆变电路T型半桥逆