新型單相T型五電平非隔離光伏逆變器

黃春平

（中山職業技術學院信息工程學院，廣東 中山 528404）

相比于帶有隔離變壓器的傳統逆變器而言，單相非隔離光伏并網逆變器具有體積小、重量輕、成本低、效率高的優點，這使得它們成為光伏并網系統中的首選解決方案。圖1給出了單相非隔離光伏并網逆變器的基本拓撲結構，由于沒有隔離變壓器的存在，在光伏電池和電網之間存在一個電氣連接，會產生一個流過大地與光伏電池寄生電容的電流，稱之為漏電流icm，如圖1所示。漏電流產生的主要原因是光伏電池對地寄生電容的存在，它們是光伏電池的金屬框架與大地之間形成的等效電容，以nF為單位。漏電流的存在可能影響系統的效率和可靠性，并可能引起電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）問題。更重要的是，它會對設備和工作人員的安全產生威脅。因此，德國并網逆變器標準DINVDE0126—1—1規定，當泄漏電流超過300 mA時，光伏系統必須在0.3 s內斷開。

圖1 單相非隔離光伏并網逆變器模型Fig.1 Single phase transformerless PV grid-connected inverter model

文獻[1-2]指出，光伏系統中的漏電流的大小和頻率主要取決于逆變器的拓撲結構和調制策略。文獻[3-5]對不同的非隔離光伏并網逆變器拓撲進行了綜述，采用雙極性PWM調制方式的單相H橋拓撲和中性點鉗位（neutral point clamped，NPC）拓撲是本質上具有漏電流抑制能力的拓撲結構。但雙極性調制方式的單相H橋拓撲的輸出電壓為兩電平，諧波含量較大；而NPC拓撲的直流側電壓利用率較低，都不是非隔離光伏并網逆變器的最優選擇。

文獻[6-12]提出了不同的非隔離全橋拓撲及其處理減小漏電流的調制方案。文獻[6]提出了一種H5逆變器拓撲，通過在直流側增加解耦開關來將光伏電池和電網斷開，可以減小泄漏電流。文獻[7]提出了一種H6逆變器拓撲，通過增加兩個直流側解耦開關交替工作來減少H5拓撲的開關管損耗分布不均問題。文獻[8]提出一種改進的H6來減少開關管導通損耗。文獻[9]提出了一種交流測解耦的全橋拓撲結構，包括一個H橋、兩個額外的開關管和二極管，該拓撲在交流側增加兩個解耦開關，能夠使用單極性SPWM調制方式來抑制漏電流。文獻[10-12]分別在這些拓撲上改進，得到一系列改進拓撲。但所有上述拓撲的輸出電壓都只有三電平，諧波含量較大。

多電平逆變器可以降低功率開關管的電壓應力和輸出濾波器的體積，這意味著系統成本的降低，同時多電平逆變器還可以增加拓撲的利用率。基于這些優點，多電平拓撲在光伏系統中的應用也是近年來的研究熱點。

文獻[13]提出了一種基于光伏系統H橋逆變器的多電平單相逆變拓撲結構，它使用一種雙向開關結構來創建輸出電壓中的五個電平。雙向開關由四個二極管和一個開關管組成，但過多的二極管會降低效率。文獻[14]提出了一種多電平逆變器分析，分析了效率、可靠性、電能質量和配電功率損耗，但沒有任何關于共模性能的分析。文獻[15]提出了多級的逆變器結構，可以得到多電平的輸出電壓，但該拓撲的多級結構使得其損耗較大，效率較低，同時使用的開關管數量很多，成本較大。

TNPC半橋拓撲在普通半橋拓撲的基礎上增加了T型中點鉗位結構，將兩電平的輸出電壓變為三電平。本文將TNPC拓撲與單相H橋拓撲相結合，提出了一種T型五電平逆變器拓撲及其正弦PWM調制策略，應用于單相非隔離光伏逆變器，該拓撲主要分為兩個結構：T型中點鉗位結構和單相H橋。其中點鉗位結構使得其具有NPC拓撲的漏電流抑制能力，H橋結構又使得其不需要很大的輸入電壓，T型五電平逆變器拓撲如圖2所示。此外，該拓撲在單相H橋拓撲的基礎上將輸出電壓電平由三電平增加為五電平，總的諧波失真（total harmonic distortion，THD）保持相對較小的值，這有助于減小輸出濾波器的尺寸。

圖2 T型五電平逆變器拓撲Fig.2 T type five level inverter topology

1 拓撲工作模態分析

表1為所提出的T型五電平逆變器的六種工作模態開關狀態表。圖3為所提出的T型五電平拓撲的六種工作模態，它在單相H橋的基礎上引入雙向開關管將直流母線的中點連接到由S1和S2形成橋臂的中點，從而產生正負兩個Udc/2的電平，構造出五電平。

表1 工作模態開關狀態表Tab.1 Operating mode switch state table

圖3 T型五電平逆變器拓撲工作模態Fig.3 Working modes of T type five level inverter

下面詳細分析逆變器的工作模態。

首先，在電網電壓正半周期期間：

工作模態1：開關管S1，S4開通，其他開關管關斷，此時輸出電壓UAB=Udc，光伏電池給電感充電同時向電網傳輸功率，并網電流通過S1流向電網，并通過S4返回。

工作模態2：開關管S4，S5和S6開通，其他開關管關斷，此時輸出電壓UAB=Udc/2，電容C2給電感充電同時向電網傳輸功率，并網電流通過S5和S6流向電網，并通過S4返回。

工作模態3：開關管S2和S4開通，其他開關管關斷，此時輸出電壓UAB=0 V，電感供電，并網電流通過電感和開關管S2和S4續流。

其次，在電網電壓負半周期期間：

工作模態4：開關管S2，S3開通，其他開關管關斷，此時輸出電壓UAB=-Udc，光伏電池給電感充電同時向電網傳輸功率，并網電流通過S3流向電網，并通過S2返回。

工作模態5：開關管S3，S5和S6開通，其他開關管關斷，此時輸出電壓UAB=-Udc/2，電容C2給電感充電同時向電網傳輸功率，并網電流通過S3流向電網，并通過S5和S6返回。

工作模態6：開關管S1和S3開通，其他開關管關斷，此時輸出電壓UAB=0 V，電感供電，并網電流通過電感和開關管S1和S3續流。

綜上所述，所提出的新型拓撲共有六種工作模態，可產生五種電平（其中0電平有兩種模態）的輸出電壓，可以降低輸出電壓的諧波，從而減小濾波器的體積和成本。

2 共模特性與電壓應力分析

文獻[16]給出了單相非隔離光伏并網逆變器共模等效電路圖以及共模漏電流的抑制準則，最簡等效電路如圖4所示，所提出的五電平T型逆變器拓撲的共模模型可以根據該準則得到。

圖4 共模等效電路Fig.4 Common-mode equivalent circuit

定義共模電壓和差模電壓為

式中：UAN，UBN為橋臂中點對地電壓。

最終將共模等效電路化簡為如圖5所示的最簡等效電路，此處不再贅述，可得總的共模電壓為

由圖5可知，漏電流icm可看作電壓源UCM與UDMC共同作用在光伏電池的寄生電容上產生的電流，只要總的共模電壓UTCM保持不變，則共模漏電流的值為0。

圖5 最簡等效電路Fig.5 Minimum equivalent circuit

根據圖3所示的新型拓撲工作模態，可以列出如表2所示的工作模態對應電壓表。其中，UAN，UBN分別為兩個橋臂對光伏電池負端的電壓；UAB為逆變器的輸出電壓，可以看出，逆變器的輸出電壓為五電平；UCM為共模電壓；UTCM為總的共模電壓，可以看出，在電網電壓正半周期，UTCM始終為0，在電網電壓負半周期，UTCM始終為Udc，總的共模電壓均保持不變，僅在周期轉換時發生變化，即UTCM在基波頻率處動作。因此icm在大多數情況下保持接近零的值，除了在周期變換的瞬間，由于在周期轉換時的dV/dT較高，會出現較大的電流尖峰。

表2 新型拓撲工作模態對應電壓Tab.2 New topological mode corresponding voltage

為得到所提出的工作模態，使用正弦位移PWM調制策略。可以將對應的工作模態變換分為以下四個區間。區間1：工作模態1與工作模態2相互轉換，輸出電壓從Udc/2變化到Udc，然后反之。區間2：工作模態2與工作模態3相互轉換，輸出電壓從0變化到Udc/2，然后反之。區間3：工作模態4與工作模態5相互轉換，輸出電壓從0變化到-Udc/2，然后反之。區間4：工作模態5與工作模態6相互轉換，輸出電壓從-Udc/2變化到-Udc，然后反之。

其中，開關管S3和S4在電網頻率上以互補的方式動作，開關管S5和S6在整個電網周期中以開關頻率動作。開關管S1和S5或S6以互補的方式在區間1和區間4運行，開關管S2和S5或S6以互補的方式在對應于區間2和區間3運行。

五電平拓撲在三電平拓撲的基礎上增加了兩個額外的工作模態：工作模態2和工作模態5，分別減小了開關管S4和開關管S3的電壓應力。

3 仿真與實驗驗證

在PSIM軟件中搭建了1 kW的新型逆變器拓撲和典型的H5拓撲的仿真模型進行驗證，仿真參數如下：輸出功率1 kW，開關頻率20 kHz，輸入電壓DC 400 V，寄生電容75 nF，電網電壓AC 220 V，輸入電容100μF，電網頻率50 Hz，輸出電感5 mH。驗證了所提出的五電平T型拓撲的并網效果以及漏電流抑制效果，仿真波形如圖6所示。

圖6 新型T型拓撲仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of the new T type topology

圖6a為H5拓撲輸出電壓仿真波形，為一個三電平的輸出電壓；圖6b為新型拓撲輸出電壓仿真波形，為一個五電平的輸出電壓；圖6c和圖6d分別為H5拓撲的電網電壓、并網電流的仿真波形和新型拓撲的電網電壓、并網電流的仿真波形，可以看出電網電壓和并網電流的相位一致，功率因數接近100%，但新型拓撲的并網電流THD遠遠小于H5拓撲，諧波含量很少。

使用相同的參數搭建了1 kW的實驗平臺，實驗波形圖如圖7所示。圖7a為漏電流實驗波形，可以看出，僅在正負周期變換時會出現比較大的漏電流，其幅值約為50 mA，滿足德國標準DINVDE0126—1—1的要求。在其他時刻，漏電流的值幾乎為0，圖7b為輸出電壓實驗波形，輸出電壓為較好的五電平波形，諧波較小，圖7c為電網電壓和并網電流波形圖，新型拓撲的并網效果良好。

圖7 新型T型拓撲實驗波形Fig.7 Experiment waveforms of the new T type topology

4 結論

提出了一種多電平T型非隔離拓撲及其調制技術。該拓撲在傳統的單相H橋逆變器基礎上增加了T型中點鉗位結構來構成五電平拓撲。五電平拓撲相對于三電平拓撲而言，可以降低諧波含量，減少開關管的電壓應力。同時，該新型T型五電平拓撲可以抑制漏電流，僅在正負半周交替時會產生共模漏電流，在其他時刻基本沒有漏電流的產生。分別分析了新型拓撲的六種工作模態，并對其進行共模特性分析。

通過PSIM仿真軟件搭建了1 kW的仿真模型，并搭建了1 kW的實驗樣機來驗證所提出拓撲的正確性，實驗結果表明新型T型五電平拓撲具有更好的漏電流抑制能力和更小的諧波。