非隔離型六開關光伏并網逆變器*

李研達

(安陽師范學院 物理與電氣工程學院， 河南 安陽 455000)

近年來，非隔離無變壓器光伏并網逆變器因其具有成本低、體積小以及效率高等優勢而被廣泛應用于單相光伏并網系統[1-3].然而，非隔離無變壓器光伏并網系統由于逆變器和電網之間不存在電氣隔離，并網系統會產生較大的漏電流，此漏電流在光伏陣列的寄生電容和電網之間流動，帶來較大的電磁干擾問題，并且影響光伏并網系統的安全穩定運行[4-6].因此，亟需有效抑制非隔離無變壓器光伏并網逆變器的漏電流，進而來提升并網系統安全穩定性.

在抑制漏電流方面，基于半橋拓撲的逆變器雖然能取得一定的效果，但是其具有較低的直流電壓利用率.為有效解決漏電流問題，許多專家學者在全橋拓撲逆變器結構方面進行了大量的研究，如五開關(H5)拓撲的光伏并網逆變器[7-8]和HERIC拓撲的光伏并網逆變器[9-10]，其中H5拓撲能夠抑制漏電流，但是容易發生器件損壞和電磁干擾問題，降低了H5拓撲光伏并網逆變器的使用效率.除此之外，上述提及的全橋拓撲結構光伏并網逆變器均未具備無功輸出能力.

本文提出了一種新型非隔離型六開關拓撲光伏并網逆變器，該拓撲逆變器能夠有效降低系統的漏電流至安全水平且輸出電流諧波小，同時具有較高的運行效率.對該光伏并網逆變器一個周期內不同階段的運行模式進行了詳細地分析，并且通過仿真和實驗驗證了所提拓撲結構的可行性和有效性.

1 新型六開關拓撲光伏并網逆變器

傳統的非隔離H6型光伏并網逆變器在負功率區域存在變化的共模電壓，且具有較大的共模電流，不利于光伏并網逆變器的安全穩定運行.為此，提出了一種新型非隔離H6型光伏并網逆變器拓撲結構，如圖1所示.S1～S6為功率開關管，UP為光伏陣列的直流側電壓，Cd為直流側的濾波電容，L1和L2分別為交流側濾波電感，C0為交流側濾波電容，Ug為電網電壓.和傳統的H6拓撲結構相比，新型H6拓撲在兩橋壁之間增加了一條連接線，且刪除了兩個連接二極管，有效解決了傳統H6拓撲存在的問題.

圖1 新型H6逆變器拓撲Fig.1 Novel H6 inverter topology

1.1 運行模式

所提H6拓撲的控制信號圖和運行模式圖分別如圖2和圖3所示，該并網逆變器在一個電網周期內運行在4個階段和6種工作模式.圖2中，T1-T5分別是不同運行狀態切換的對應時刻.圖3中，灰色的表示開關管和線路是截止狀態，黑色的則表示是導通狀態.Uan為a點的對地電壓，Ubn為b點的對地電壓，Udm和Ucm分別是共模電壓和差模電壓.

圖2 新型H6逆變器拓撲的控制信號Fig.2 Control signal of novel H6 inverter topology

運行過程中各個階段的描述如下：

1) 階段1(T1-T2).該階段是正功率區域，電網電壓和輸出電流均處于正半周期，開關管S6一直處于導通狀態，開關管S1和S4均根據開關頻率進行同步導通和關斷，且與S5的驅動信號相反.該階段的并網逆變器一共有兩種運行模式：

運行模式1：該模式是有功運行模式，開關S1和S4導通，電感電流逐漸增加，此模式下的共模電壓和差模電壓分別為

(1)

Udm=Uan-Ubn=UP-0=UP

(2)

運行模式2：該階段是負功率區域，模式是續流運行模式，開關S1和S4關閉，電感電流通過S6和S5的反并聯二極管逐漸減小，此模式下共模電壓和差模電壓分別為

(3)

(4)

2) 階段2(T2-T3).該階段是負功率區域，輸出電流處于正半周，電網電壓處于負半周，該階段的并網逆變器只含有一種運行模式.

運行模式3：該模式下S2、S3以及S5是導通的，濾波電感開始放電，由于逆變器輸出電壓是負的，輸出電流是正的，電感電流通過S2、S3以及S5的反并聯二極管進行續流.此模式下的共模電壓和差模電壓分別為

(5)

Udm=Uan-Ubn=0-UP=-UP

(6)

圖3 新型H6逆變器拓撲的運行模式Fig.3 Operation modes of novel H6 inverter topology

3) 階段3(T3-T4).該階段是正功率區域，電網電壓和輸出電流處于負半周期，S5一直處于導通狀態，S2和S3具有相同的驅動信號且與S6的驅動信號相反，根據開關頻率信號進行導通和關斷.該階段的并網逆變器含有兩種運行模式：

運行模式4：當S2和S3導通時，電感電流逐漸增大，此模式下的共模電壓和差模電壓分別為

(7)

Udm=Uan-Ubn=0-UP=-UP

(8)

運行模式5：該模式是續流模式，當S2和S3關閉時，電感電流通過S5以及S6的反并聯二極管進行續流，此模式下的共模電壓和差模電壓分別為

(9)

(10)

4) 階段4(T4-T5).該階段是負功率區域，輸出電流處于負半周，電網電壓處于正半周.該階段的并網逆變器只含有一種運行模式.

運行模式6：該模式下，S1和S4是導通的，輸出濾波電感像模式3一樣開始放電，由于逆變器輸出電壓是正的，輸出電流是負的，電感電流通過S1、S4以及S6的反并聯二極管進行續流.此模式下的共模電壓和差模電壓分別為

(11)

Udm=Uan-Ubn=UP-0=UP

(12)

根據上述分析可知，本文所提的新型H6光伏并網逆變器的共模電壓在不同的階段和運行模型下都是保持為恒定值，漏電流能夠得到有效抑制，且并網逆變器的輸出為三電平，具備無功調節能力.

1.2 控制策略

H6逆變器拓撲的控制模式如圖4所示，采用直接電流控制策略.對輸出電感電流ig采樣并與參考電流iref作差，該誤差信號通過PI控制器生成調制信號，調制信號再與三角載波比較得到開關管的驅動信號.

圖4 新型H6逆變器拓撲的控制策略Fig.4 Control strategy of novel H6 inverter topology

2 仿真研究

基于上述理論分析，在Matlab/simulink環境中建立所提拓撲的仿真模型.仿真參數如下：輸入電壓UP為400 V，電網電壓Ug和頻率fg分別為230 V和50 Hz，開關頻率fs為2 000 kHz，直流母線電容Cp為470 μF，濾波電容C0為2.2 μF，濾波電感L1和L2為3 mH.

圖5是所提逆變器拓撲a點和b點相對電壓Ua、Ub以及共模電壓Ucm的波形，由圖5可以看出，Ua和Ub存在一定的互補性，因此，共模電壓Ucm為保持恒定不變的200 V，有利于對系統的漏電流進行有效抑制.

圖5 電壓Uan、Ubn以及共模電壓Ucm仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of voltage Uan， Ubn and common-mode voltage Ucm

圖6是所提非隔離H6型光伏并網逆變器的輸出電流ig、逆變器輸出電壓Uab以及漏電流i1的波形.由圖6可以看出，逆變器輸出電流波形質量較好，無畸變現象發生；輸出電壓是三電平電壓，相對于兩電平的雙極調制而言，并網電流的紋波有效降低；逆變器輸出電流和電壓之間存在一定的相位偏差，表明該拓撲結構下的逆變器能夠為電網提供一定的無功支撐；逆變器并網系統的漏電流為零，表明提出的拓撲結構可有效抑制系統的漏電流.

圖6并網電流ig、逆變器輸出電壓Uab以及漏電流i1仿真波形

Fig.6Simulationwaveformsofgrid-connectedcurrentig，outputvoltageUabandleakagecurrentil

3 實驗驗證

為進一步驗證理論和仿真分析的正確性，搭建了實驗樣機，實驗樣機的拓撲和控制參數與仿真模型一致，采用的核心處理器為TI公司的TMS320F28335，獲得的電壓Uan、Ubn、共模電壓Ucm以及漏電流的實驗波形如圖7所示.從實驗結果可以看出，Uan和Ubn的相位相反，共模電壓Ucm也保持恒定，漏電流能夠得到有效地抑制.實驗結果和仿真結果保持了一致，進一步驗證了本文所提拓撲策略的有效性.功率因數為0.9時的并網輸出電壓、電流以及漏電流波形如圖8所示，從圖8中可以看出，所提的H6光伏并網逆變器能夠有效輸出無功功率，且能有效抑制系統的漏電流.

圖7電壓Uan、Ubn、共模電壓Ucm以及漏電流i1的實驗波形

Fig.7ExperimentwaveformsofvoltageUan，Ubn，common-modevoltageUcmandleakagecurrentil

圖8功率因數為0.9時輸出電壓Uan、電流ig以及漏電流il的實驗波形

Fig.8ExperimentwaveformofoutputvoltageUan、outputcurrentigandleakagecurrentilwhenthepowerfactoris0.9

4 結 論

本文提出了一種新型單相非隔離型六開關(H6)光伏并網逆變器，詳細介紹了其拓撲結構和工作運行模式，并通過仿真和實驗進行了驗證，得到結論如下：

1) 提出的H6拓撲光伏并網逆變器共模電壓保持為恒定，能夠有效對漏電流進行抑制；

2) 附加開關承載的電壓是直流側電壓值的一半，且電感電流在三個開關管之間續流，能夠降低開關損耗和電感損耗；

3) 在一個電網周期內，能夠向電網輸出或吸收無功功率.

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