三相非隔離型Heric光伏逆變器漏電流抑制研究

張純江　賁　冰　李　建　郭小強

(燕山大學電力電子節能與傳動控制河北省重點實驗室　秦皇島　066004)

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三相非隔離型Heric光伏逆變器漏電流抑制研究

張純江賁冰李建郭小強

(燕山大學電力電子節能與傳動控制河北省重點實驗室秦皇島066004)

近年來，非隔離型光伏逆變器以其重量輕、體積小、效率高的特點得到了學術界與工業界的廣泛關注。其中漏電流是亟待解決的關鍵問題之一。在單相Heric電路基礎上，提出三相Heric拓撲解決漏電流問題。分析了電路工作原理，建立了系統共模模型，探討了不同調制策略對系統共模電壓的影響，并提出基于布爾邏輯運算的調制策略解決共模波動問題，實現了系統共模電壓恒定，從而使漏電流得到有效抑制。利用Matlab對提出方案進行了仿真研究，并在實驗樣機上進行了驗證，實驗結果證明了提出方案的有效性。

非隔離型光伏逆變器三相Heric拓撲共模電壓漏電流

0　引言

并網逆變器在光伏系統中得到廣泛應用[1-4]。傳統光伏并網逆變器中帶有工頻或高頻變壓器，用于電壓調整和電氣隔離。然而，工頻變壓器存在體積大、成本高等缺點[5]。高頻變壓器雖然減小了體積和重量，但電路結構比較復雜，同時影響系統整機效率。因此，無變壓器非隔離型光伏系統成為當前的研究熱點[6-9]。由于缺少變壓器電氣隔離，系統共模電壓作用在光伏電池與大地間形成的寄生電容上，產生漏電流[10]。漏電流會帶來電磁干擾、并網電流畸變及功率損耗增加等問題，還會危及設備與人員安全[11]。德國VDE-0126-1-1標準要求光伏逆變器必須滿足漏電流幅值小于300 mA，有效值小于30 mA。

針對非隔離型光伏逆變器漏電流問題，國內外學術界和工業界開展了廣泛研究。典型的單相拓撲包括H5[12]、Heric[13]、H6[14]等，此類電路在單相全橋拓撲基礎上增加開關[15,16]，以滿足系統輸出三電平波形，同時實現共模電壓恒定，從而達到抑制漏電流的目的。文獻[17]提出新型單相軟開關拓撲用于非隔離型光伏系統，進一步提高了系統效率。針對三相光伏系統，文獻[18]提出改進的調制方法，對三相兩電平光伏逆變器漏電流抑制問題進行了研究，由于共模電壓無法恒定，因此系統漏電流較高。為了實現共模電壓恒定，文獻[19]提出新空間矢量調制方法解決漏電流問題，但該方法直流電壓利用較低。文獻[20]研究了三相中點鉗位型拓撲漏電流抑制問題，實現共模電壓恒定的同時，解決了三相兩電平拓撲直流電壓利用率較低的問題，但該空間矢量調制方案需要扇區判斷、矢量作用時間計算和矢量序列分布等運算[21]，實現較為復雜。適用于非隔離三相光伏系統漏電流抑制的新型拓撲和調制策略有待進一步研究。

本文在單相Heric拓撲基礎上，推導出三相Heric拓撲解決三相系統漏電流問題。分析了三相Heric拓撲工作原理，建立了系統共模模型，并提出基于布爾邏輯運算的調制策略解決共模波動問題，保證系統漏電流得到有效抑制。最后通過實驗驗證了提出方案的有效性。

1　三相Heric拓撲工作原理

圖1為單相Heric拓撲原理，在傳統單相全橋電路基礎上，交流側輸出端增加兩個開關，通過適當控制實現漏電流有效抑制。將上述思想延伸到三相系統，可以推導出三相Heric拓撲，如圖2所示。

圖1　單相Heric拓撲Fig.1　Single-phase Heric topology

圖2　三相Heric拓撲Fig.2　Three-phase Heric topology

圖2中CPV為光伏板與大地之間的寄生電容，主要取決于光伏板構造及其所處環境因素，一般取值為50～150 nF/kW。和傳統三相橋式拓撲不同，三相Heric拓撲中存在Sa3與Sa4、Sb3與Sb4、Sc3與Sc4三個可控雙向通路，分別將A相輸出端、B相輸出端和C相輸出端通過開關與直流母線中點M相連，通過適當控制可以獲得三電平輸出波形。

圖2中，定義三相Heric拓撲各相工作狀態為2、1、0狀態，各相輸出電壓UxN如式(1)所示，其中x=a，b，c。

(1)

三相Heric拓撲簡化模型如圖3所示。

圖3　三相Heric拓撲簡化模型Fig.3　Simplified diagram of three-phase Heric topology

其中三相系統共模電壓定義為

(2)

將圖3進一步簡化可得圖4共模模型。其中電網電壓為低頻分量，電網畸變時主要以低次諧波為主，對高頻漏電流的影響很小，為了便于分析，忽略電網電壓的影響。

圖4　三相Heric拓撲共模模型Fig.4　Model of three-phase Heric topology

由于寄生電容的存在，系統中構成共模回路，且等效電感與寄生電容發生諧振，諧振頻率為

(3)

假設寄生電容兩端電壓UON與共模電壓UCM傳遞函數為

UON=G(s)UCM

(4)

式中

(5)

以L=5 mH，CPV=300 nF為例，G(s)伯德圖如圖5所示，可知G(s)截止頻率約為10.1 kHz。從圖中可看出，G(s)可近似為低通濾波器。若共模電壓UCM中含有高頻含量，經過諧振電路作用，寄生電容兩端電壓UON中將包含10 kHz及以下分量。若共模電壓UCM保持恒定，則G(s)=1，寄生電容兩端電壓UON等于UCM， 保持恒定。

圖5　G(s)伯德圖Fig.5　Bode diagram of G(s)

由式(1)、式(2)可知，系統共模電壓UCM主要與開關狀態相關，而開關狀態主要取決于系統調制策略。下面分析不同調制策略對于系統共模電壓的影響。首先對三相Heric拓撲正向載波層疊調制策略進行分析。以A相為例，正向載波層疊調制如圖6所示。

圖6　正向層疊載波調制Fig.6　In-phase disposition (IPD) carrier modulation

在A相調制波ma正半周期，下載波始終小于ma，Sa2始終關斷；調制波上載波與ma比較，上載波小于ma時Sa1導通，Sa3、Sa4關斷；上載波大于調制波ma時Sa1關斷，Sa3、Sa4導通。A相調制波ma負半周期，上載波始終大于ma，Sa1始終關斷；調制波下載波與ma比較，當下載波大于調制波ma時Sa2導通，Sa3、Sa4關斷；下載波小于ma時Sa2關斷，Sa3、Sa4導通。當載波頻率較高時，在一個載波周期較短時間內調制波近似保持不變。此時各相輸出電壓及共模電壓波形如圖7所示。可以看出，正向層疊載波調制策略下，系統共模電壓在Ud/3～5Ud/6之間呈高頻變化，峰峰值為2Ud/3。

圖7　IPD開關周期內相電壓及對應的共模電壓Fig.7　Phase voltage and common mode voltages with IPD

三相Heric拓撲反向層疊載波調制策略如圖8所示，對應各相輸出電壓及共模電壓波形如圖9所示。可以看出，反向層疊載波調制策略下，系統共模電壓在Ud/3～2Ud/3之間呈高頻變化，峰峰值為Ud/3，波動范圍減小。

圖8　反向層疊載波調制Fig.8　Opposite-phase disposition (OPD) carrier modulation

圖9　OPD開關周期內相電壓及對應的共模電壓Fig.9　Phase voltage and common mode voltages with OPD

由上述分析可知，三相Heric拓撲采用傳統載波層疊調制時共模電壓高頻變化，引起寄生電容兩端電壓高頻變化，因此無法有效抑制漏電流。根據上文分析可知，漏電流有效抑制的前提是系統共模電壓恒定。下面探討如何采用適當的調制策略實現系統恒定共模電壓。

根據圖2和式(1)可知，三相Heric拓撲有27種狀態，對應的輸出電壓及共模電壓見表1。

表1　三相Heric拓撲系統共模電壓Tab.1　Common mode voltage of three-phase Heric topology

根據表1可知，通過合理選擇工作狀態可以保證系統共模電壓恒定，對應的工作狀態見表2第11列，對應的開關狀態見表2第2～10列，其中開關狀態定義見式(1)，例如工作狀態“210”對應A相狀態“2”：Sa1開通“1”，Sa2、Sa3和Sa4關斷“0”。B相狀態“1”：Sb3和Sb4開通“1”，Sb1和Sb2關斷“0”。C相狀態“0”：Sc2開通“1”，Sc1、Sc3和Sc4關斷“0”。由表2可以看出，開關狀態具有一定邏輯關系，如第2行和第3行均為“1”狀態，而第4～9行分別為“2”狀態、“1”狀態、“0”狀態在三相間均勻分布，具有較規則的邏輯關系。因此，本文從邏輯分析角度入手實現表2中的開關狀態，提出基于布爾邏輯運算的載波調制方案，布爾邏輯運算如式(6)所示，載波調制方案如圖10所示。由圖10b和圖10c可知，系統輸出等效開關頻率增加1倍，功率器件開關頻率增加1倍，系統共模電壓維持恒定。

表2　開關邏輯狀態Tab.2　Switching logic states

(6)

圖10　提出的調制方案Fig.10　Proposed modulation scheme

根據圖10和式(6)，并結合表2對提出方案進行分析。圖10中三相調制波和載波進行比較后生成基本邏輯信號X、Y、Z，共計8種邏輯狀態，如表2第1列所示。基本邏輯信號X、Y、Z經過式(6)布爾邏輯運算后產生12路開關邏輯。

下面以表2第2行為例進行分析。當X=0，Y=0，Z=0時，經過式(6)布爾邏輯運算后得到12路開關邏輯，如式(7)所示，對應表2第2行。

(7)

同理，當X=0，Y=1，Z=1時，經過式(6)布爾邏輯運算后得到12路開關邏輯，如式(8)和表2最后1行所示。

(8)

2　仿真和實驗結果

為了驗證本文提出方案的可行性和有效性，利用Matlab/Simulink對提出方案進行仿真研究。系統參數為：直流母線電壓700 V，直流母線電容470 μF，開關頻率10 kHz，輸出濾波電感5 mH，寄生電容300 nF，電網電壓380 V/50 Hz，并網功率5 kW，仿真結果如圖11～圖13所示。

圖11　仿真結果Fig.11　Simulation results

圖11為電網電壓無諧波情況下的仿真結果。其中圖11a為三相Heric拓撲正向載波層疊調制情況下的仿真結果，寄生電容兩端電壓高頻波動，漏電流幅值高達2 A。圖11b為反向載波層疊調制情況下的仿真結果，寄生電容兩端電壓波動范圍減小，但存在高頻波動，導致系統漏電流不滿足VDE標準要求。圖11c為提出調制策略情況下的仿真結果，寄生電容兩端電壓基本恒定，漏電流幅值低于300 mA，滿足VDE-0126-1-1標準要求。

為了進一步驗證電網諧波對系統漏電流的影響，按照IEEE Std 519-1992標準規定允許的最大電壓諧波畸變率進行了設置，其中總諧波畸變率THD為5%，五次諧波為4%，七次諧波為3%，仿真結果如圖12所示。

圖12　電網畸變情況下的仿真結果Fig.12　Simulation results under distorted grid voltage

圖12為電網電壓畸變情況下的仿真結果，對比圖11可以看出，系統高頻漏電流受電網畸變影響很小。

為了進一步驗證提出方案的有效性，搭建了三相Heric拓撲系統硬件平臺，控制電路由DSP(TI公司TMS320F28335)與FPGA(Xilinx公司Spartan3系列XC3S400)組成，其中圖10數字邏輯函數由FPGA實現。系統主電路參數為：直流母線電壓250 V，直流側電容470 μF，功率器件采用Infineon公司IKW40T120 IGBT，開關頻率10 kHz，交流側濾波電感5 mH，寄生電容300 nF。

圖13為不同調制策略情況下三相Heric拓撲輸出線電壓波形和輸出電流實驗波形。由圖可以看出三種調制策略輸出線電壓均為五電平，雖然線電壓波形略有不同，但經過輸出濾波器后，三相輸出電壓均為正弦波。

圖13　輸出電壓和電流實驗結果Fig.13　Experimental results of output voltage and current

圖14為不同調制策略情況下系統寄生電容電壓與漏電流實驗波形。由圖14a可以看出，正向載波層疊調制時寄生電容兩端電壓高頻波動幅度較大，漏電流有效值為1.16 A。圖14b中反向載波層疊調制時寄生電容兩端電壓高頻波動，幅值有所減小，此時漏電流有效值為407 mA。如圖14c所示，本文提出的調制策略下寄生電容兩端電壓基本恒定，漏電流有效值小于30 mA，滿足VDE-0126-1-1標準，驗證了方案的有效性。

圖14　寄生電容兩端電壓和漏電流實驗結果Fig.14　Experimental results of UON and leakage current

3　結論

本文在單相Heric拓撲基礎上，推導出三相Heric拓撲解決三相非隔離型光伏系統漏電流問題，通過理論分析和實驗研究得出以下結論：

1)與傳統三相兩電平橋式拓撲特性不同，三相Heric拓撲具有單相Heric拓撲特點，輸出相電壓為三電平，而線電壓為五電平。

2)三相Heric拓撲采用傳統調制方法時系統共模電壓無法恒定，造成寄生電容電壓高頻波動，導致漏電流較大。

3)三相Heric拓撲采用本文提出的基于布爾邏輯運算調制策略時系統寄生電容電壓恒定，漏電流有效值小于30mA，滿足VDE-0126-1-1標準。此外，本文提出的方案結構簡單、易于實現，具有一定的應用前景。

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Leakage Current Suppression for Three-Phase Transformerless Heric Photovoltaic Inverter

Zhang ChunjiangBen BingLi JianGuo Xiaoqiang

(Key Lab of Power Electronics for Energy Conservation and Motor Drive of Hebei Province Yanshan UniversityQinhuangdao066004China)

In recent years，the transformerless photovoltaic inverter has attracted more and more attentions in academic and industry for its light weight，small size，and high efficiency.But its leakage current is one of the most important issues.A new three-phase HERIC topology is proposed based on the single-phase one in this paper to solve the problem.The operation principle and the common mode model is presented.The effect of the modulation strategies on the common mode voltage (CMV) is discussed.A new modulation scheme based on Boolean logic operation is proposed to solve the problems of common mode voltage fluctuation.Consequently，the leakage current is significantly reduced.The simulation of the proposed solution is carried out in Matlab，and the experimental tests are implemented on a down-scaled hardware prototype.The results verify the effectiveness of the proposed solution.

Transformerless PV inverter，three-phase Heric topology，common mode voltage，leakage current

2015-05-29改稿日期2015-09-29

TM46

張純江男，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為可再生能源分布式發電及控制、逆變電源及并聯并網技術、微電網功率流控制及儲能等。

E-mail：zhangcj@ysu.edu.cn

郭小強男，1979年生，博士，副教授，IEEE Senior Member，研究方向為多電平變換器、光伏發電和微電網技術。

E-mail：gxq@ysu.edu.cn(通信作者)

國家自然科學基金(51477148)、中國博士后科學基金(2015T80230)和河北省自然科學基金 (E2015203283)資助項目。