改進型并聯H5 拓撲調制方式分析與仿真

蘇 娜 梅 盼 陳 躍 蔡文靜

（臺州學院 電子與信息工程學院，浙江 臺州318000）

出于安全考慮，大多數光伏并網逆變系統都帶有變壓器作為光伏發電系統和和電網之間的電氣隔離。變壓器增加了系統重量、體積和成本，降低了整體效率。非隔離系統不存在上述問題，但是沒有變壓器作為電氣隔離，光伏陣列與接地框架間的寄生電容，和逆變器、濾波器、電網及大地形成共模回路。如果系統共模電壓隨功率器件開關產生高頻變化，共模回路中就會存在地電流環流。地電流會造成電網電流畸變，電磁干擾，系統的額外損失及安全隱患[1]。因此，地電流幅值需要有所限制，德國VDE-0126-1-1 標準規定，地電流有效值高于30mA 時光伏并網系統必須在0.3s 內從電網中切除[2]。

采用雙極性調制的橋式非隔離逆變器，理想情況下共模電壓保持不變，可以有效抑制地電流的產生，但是功率器件工作在高頻開關狀態，系統效率較低。因此，為了抑制地電流和提高系統效率，基于橋式逆變器提出了很多新型拓撲，例如直流側解耦的H5 拓撲或交流側解耦的HERIC 拓撲[3-4]，增加額外功率器件，使得共模電壓在高頻開關過程中基本保持不變，有效地抑制地電流，但未關注無功功率的控制問題。

本文將單相非隔離光伏逆變器進行并聯，推導了共模電壓的表達式，可以使共模電壓在理想情況下基本保持不變，能有效地抑制地電流環流，最后給出了仿真結果予以驗證。

1 工作原理

1.1 拓撲的構成

圖1 改進型H5 逆變拓撲

圖1 為本文提出的單相非隔離光伏并網逆變拓撲結構示意圖。圖中，Cpv1和Cpv2表示光伏陣列對地寄生電容，iN為系統地電流。開關管S1～S5和開關管S'1～S'5分別構成兩個H5 全橋逆變結構，兩模塊結構對稱，交流測通過相間電感Lip并聯，用于抑制并聯逆變器相間環流電流；總輸出通過逆變器輸出濾波電感L1、L2與電網連接。在輸出零電平階段，開關管S1和S3為模塊1提供電感電流回路，開關管S'2和S'4為模塊2 提供電感電流回路，開關管的雙向導通特性也為無功電流提供了通路；開關管S5和S'5斷開，實現直流側解耦，切斷共模電流通路；二極管D1和D'1可以在零電平階段將橋臂中點電壓鉗位到直流母線電壓的一半，有利于抑制共模電壓震蕩，同時減小了兩模塊之間的差模電壓，有利于抑制相間環流，另一方面，各橋臂器件的開關電壓也被鉗位到直流母線電壓的一半，大大降低了器件的開關損耗。

1.2 工作過程分析

下面介紹一個完整工作周期改進型H5 拓撲的工作過程，圖2 為該拓撲的驅動信號示意圖，圖中um為調制波，調制波和載波比較得到各橋臂的開關信號，同一橋臂的上下管互補工作。

圖2 調制示意圖

當調制波為正半周時，S1一直導通，S'3一直關斷，S3和S'1由調制波和載波比較得出。當um＞uc時，S3關斷，S'1導通，S5、S'5的驅動信號和S'1的驅動信號相同，導通。如電感電流為正，iA流過S5、S1和S4，iA'流過S'1、S'4和S'5；如電感電流為負，iA流過S5、S1和S4的反并二極管D5、D1和D4續流，iA'流過D'1、D'4和D'5續流。共模電壓ucm表示為

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（Udc+0+Udc+0）=0.5Udc

反之，當um＜uc時，S3導通，S'1關斷，S5、S'5關斷。如電感電流為正，iA流過S1、D3，iA' 流過D'2、S'4；如電感電流為負，iA流過D1和S3，iA'流過S'2、D'4。共模電壓ucm表示為

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc）=0.5Udc

當調制波為負半周時，S3一直導通，S'1一直關斷，S1和S'3由調制波和載波比較得出。當um＞uc時，S1導通，S'3關斷，S5、S'5關斷。如電感電流為正，iA流過S1、D3，iA' 流過D'2、S'4；如電感電流為負，iA流過D1和S3，iA'流過S'2、D'4。共模電壓ucm表示為

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc+0.5Udc）=0.5Udc

反之，當um＜uc時，S1關斷，S'3導通，S5、S'5導通。如電感電流為正，iA流過S5、S3和S2，iA'流過S'3、S'2和S'5；如電感電流為負，iA流過S5、S3和S2的反并二極管D5、D3和D2續流，iA' 流過D'5、D'3和D'2續流。共模電壓ucm表示為

ucm=0.25（uAN+uBN+uA'N+uB'N）

=0.25（0+Udc+0+Udc）=0.5Udc

逆變器只有3 種工作狀態，四個橋臂的電壓之和在任意瞬間保持不變，忽略電網影響，共模電壓ucm理想情況下保持為upv/2 不變，能有效的抑制地電流。需要注意的是，抑制共模地電流的同時，也需要抑制差模相間環流，因為S1～S4和S'1～S'4的驅動信號固定不變，同相的兩個橋臂之間，即橋臂A 和橋臂A' 之間，或橋臂B 和橋臂B' 之間，在輸出零電位時，與續流二極管D6、D'6構成差模回路，需要增加相間電感Lip來抑制系統相間環流。

2 仿真驗證

在MatlabSimulink 中搭建仿真模型進行驗證，參數設置如下：系統額定的輸出功率為P=3.6kW，直流母線電壓Upv=360V，功率器件開關頻率為fs=20 kHz，輸出濾波電感L1=L2=L=0.86mH，Lip=10mH，寄生電容Cpv1=Cpv2=0.3μF，電網頻率fg=50 Hz，相電壓220 Vrms，電網接地阻抗為Zg=0.5Ω，頻率調制比mf為400，幅度調制比ma為0.87。

圖3 不同功率因數下的仿真結果

圖3 為不同功率因數下的仿真結果，單臺單相逆變器工作于傳統混合調制方式下，并網電壓ug、并網電流ig、地電流iN和A 相網電流波形iA的仿真波形。如圖可見，在不同功率因數下，地電流都得到很好的抑制。

3 結論

本文提出了一種并聯型的H5 拓撲。分析了該電路調制方式，共模電壓在開關過程中基本保持不變，可以有效抑制光伏地電流的產生。并通過matlab/simulink 仿真驗證了在不同功率因數下該拓撲對地電流都具有良好的抑制效果。