一種新型HERIC光伏逆變器漏電流抑制技術研究

袁 穎，馬海嘯

(南京郵電大學 自動化學院,江蘇 南京 210046)

一種新型HERIC光伏逆變器漏電流抑制技術研究

袁 穎，馬海嘯

(南京郵電大學 自動化學院,江蘇 南京 210046)

針對已有的無變壓器光伏逆變器存在共模電壓威脅人身安全的問題，在非隔離光伏逆變器(Highly Efficient Reliable Inverter Concept，HERIC)拓撲的基礎上，提出了一種新型的箝位型HERIC拓撲。箝位型HERIC拓撲是在逆變器直流輸入電容的中點加入了另一個開關管，使整個工作過程中共模電壓保持不變。通過仿真發現這一理論是可行的。然后分別搭建HERIC逆變電路和箝位型HERIC逆變電路，通過對比實驗和數據分析驗證了仿真結果，證明了箝位型HERIC拓撲的有效性和低漏電流特性。

光伏逆變器；非隔離；拓撲；共模電壓；箝位

0 引言

圖1 HERIC拓撲結構

隨著新能源的興起，太陽能已經得到了廣泛應用，這其中包括光伏發電。傳統的光伏并網逆變器都是采用變壓器來進行電隔離的，以此保障人身安全。但是，這也存在變壓器的使用大大降低了系統效率的缺點。近幾年來人們提出了多種無變壓器光伏逆變器拓撲，這其中包括 HERIC拓撲(如圖1)，該拓撲是在H橋的橋臂兩端加上兩個反向的開關管進行續流，以達到續流階段電網與光伏電池隔離的目的，這一創新具有極大的意義[1-4]。雖然較之前的變壓器其效率有很大提升，但該拓撲的共模電壓還是存在的，對人身安全還是有很大威脅。因此本文在HERIC拓撲上進行改進，在其續流通道的中點接一開關管在直流輸入電容的中點，以達到箝位的目的，使得整個工作過程中共模電壓保持不變。

1 新型HERIC拓撲原理介紹

1.1 控制方法

新型HERIC拓撲如圖2所示。

圖2 新型Heric拓撲結構

開關管驅動信號時序圖如圖3所示。ugs1～ugs7分別對應S1～S7開關管的控制信號。其采用PWM控制方法[5-8]。三角波進行上下平移。上三角載波vc1與調制波vr(正弦波)交截產生控制波形ugs1和ugs4，下三角載波vc2與調制波vr交截產生控制波形ugs2和ugs4。ugs1和ugs2取或非得到ugs5、ugs6、ugs7。

圖3 驅動信號時序圖

1.2 工作原理

該拓撲的工作過程有4個模態[9]，如圖4所示。

圖4 各模態等效電路圖

(1)模態1，正半周期，如圖4(a)所示，開關管S1、S4導通， 其余關斷。電流從正極出發，經過S1、Lf1、R、Lf2、S4，最后流回電源負極。該過程中uAN=VPV，uBN= 0，故共模電壓ucm=(uAN+uBN)/2=0.5 VPV。

(2)模態2，正半周續流階段，如圖4(b)所示， S5、S6和S7導通，其余關斷。由于電感存在電流續流，依次流經Lf1、R、Lf2、S6、S5，該過程中太陽能電池與電網隔離。當Q點電位高于輸入電容中點電位時，二極管D1承受正向電壓導通，Q點電位被箝位至輸入電壓的一半。當Q點電位低于輸入電容中點電位時，開關管S7的導通使Q點電位被箝位至輸入電壓的一半。整個續流階段，uAN=0.5 VPV，uBN=0.5 VPV，故共模電壓ucm=0.5 VPV。

(3)模態3，負半周期，如圖4(c)所示，開關管S2、S3導通，其余關斷。電流從正端流出經過S3、Lf2、R、Lf1、S2。該過程中uAN=0，uBN=VPV，故共模電壓ucm=0.5 VPV。

(4)模態4，負半周續流階段，如圖4(d)所示，開關管S5、S6和S7導通，其余關斷。電流經過Lf2、R、Lf1、S5和S6。原理同模態2。整個階段uAN=0.5 VPV，uBN=0.5 VPV，故共模電壓ucm=0.5 VPV。

經過分析可知，整個工作過程中共模電壓保持不變，故不會產生共模漏電流。

2 仿真結果

通過saber仿真軟件仿真的S1～S7開關管的控制信號波形如圖5所示。其中ugs1,4是S1和S4兩個開關管的的控制信號，ugs2,3是S2和S3的控制信號，ugs5,6,7是S5、S6、S7的控制信號。仿真輸出的電壓波形如圖6所示，為幅值在220 V左右的正弦波。

圖5 控制信號

圖6 輸出電壓波形

圖7為共模電壓分析圖，uAN、uBN是橋臂中點A、B對負端N的電壓，共模電壓ucm=(uAN+uBN)/2，uo為逆變器輸出電壓，通過計算得知共模電壓ucm維持在180 V左右。

圖7 共模電壓波形

從saber仿真軟件得到的仿真波形來看，實驗設想是可行的，通過波形數值分析可知，是能夠保證整個工作過程中共模電壓保持不變的。

3 實驗結果

為了驗證實驗的正確性，現分別搭建HERIC逆變電路和箝位型Heric逆變電路，并在相同功率下比較實驗結果。實驗樣機參數如表1所示[10-11]。

表1 實驗樣機參數

圖8 HERIC拓撲共模電壓及漏電流

圖9 箝位型HERIC拓撲共模電壓及漏電流

圖8、圖9分別是HERIC逆變電路和箝位型HERIC逆變電路的實驗波形。Icm為漏電流，通過示波器對漏電流Icm進行頻譜分析(FFT)。

通過比較圖8(a)和圖9(a)的波形可知，箝位型HERIC逆變器拓撲的共模電壓較HERIC逆變器拓撲得到很好控制，波形更加平穩，共模電壓始終維持在直流輸入電壓的1/2左右。比較圖8(b)和圖9(b)， FFT分析結果顯示，HERIC拓撲的漏電流大小為7 mA，而箝位型HERIC拓撲只有3.5 mA。

4 結論

本文提出的新型箝位型HERIC逆變器拓撲在整個周期可產生恒定的共模電壓，且比HERIC拓撲具有更好的共模電壓抑制作用，降低了漏電流。

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A new HERIC PV inverter for restraining the leakage current

Yuan Ying，Ma Haixiao

(School of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210046，China)

The existing photovoltaic inverters without transformer still have common mode voltage ,which is the threat to life. In order to solve this problem, a novel non-isolated photovoltaic inverter called clamped-HERIC topology is proposed, which is based on HERIC topology. This photovoltaic inverter has added a power switch at the point of the DC input capacitance to make the voltage unchanged throughout the course of the work. This theory is feasible by simulation. Then we respectively set up HERIC inverter circuit and the clamped-HERIC inverter circuit. The simulation results are validated by experiments and data analysis. The experiment verifies the validity and low leakage current of the clamped-HERIC topology.

PV inverter; non-isolated; topology; common mode voltage; neutral point clamped

TM464

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.011

袁穎，馬海嘯.一種新型Heric光伏逆變器漏電流抑制技術研究[J].微型機與應用，2017,36(1)：35-37,43.

2016-09-05)

袁穎(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：智能檢測與控制。

馬海嘯(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動。