新型單相半橋光伏逆變器漏電流及直流分量抑制

禹 健，劉靖亮，馬宇輝

（山西大學(xué) 自動化系，太原030013）

針對這些問題，各國專家與學(xué)者對光伏并網(wǎng)逆變器展開了大量研究。在單相光伏系統(tǒng)中，大多是基于全橋拓撲結(jié)構(gòu)，提出并發(fā)展了各種新穎的單相非隔離并網(wǎng)逆變器改進拓撲結(jié)構(gòu)[4]和控制方法[5]。這些方法雖然有效地抑制了漏電流，但增加的輔助回路加大了電路結(jié)構(gòu)或控制方法的復(fù)雜程度。要抑制入網(wǎng)側(cè)的直流分量還需要額外的輔助裝置，這也增加了設(shè)備的體積和成本。

而在三相光伏系統(tǒng)中，半橋逆變器拓撲結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用[6]，因為半橋并網(wǎng)逆變器自身同時具有彌補由無隔離變壓器帶來的漏電流和入網(wǎng)直流分量的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。在現(xiàn)有研究中，很少有研究者將半橋結(jié)構(gòu)應(yīng)用到單相光伏系統(tǒng)中，因為半橋結(jié)構(gòu)在單相系統(tǒng)中會出現(xiàn)直流母線分壓電容電壓不平衡問題。在此提出一種新型光伏逆變器，創(chuàng)新性地將三電平半橋拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用到單相光伏系統(tǒng)中，從結(jié)構(gòu)上保證了不產(chǎn)生共模電流，并不對電網(wǎng)產(chǎn)生直流分量。

1 直流分量和共模電流分析

1.1 入網(wǎng)側(cè)直流分量問題

傳統(tǒng)的單相光伏逆變多采用全橋拓撲結(jié)構(gòu)，而全橋結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)嚴重的直流分量問題。典型的全橋拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。當開關(guān)狀態(tài)由S1、S4導(dǎo)通切換到S2、S3導(dǎo)通的過程中會有一段死區(qū)時間，在這段死區(qū)時間內(nèi)電流會通過S1和S3的體二極管導(dǎo)通續(xù)流，這就產(chǎn)生了直流分量。

圖1 全橋拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Full-bridge topology

圖2 半橋逆變器Fig.2 Half-bridge inverter

半橋結(jié)構(gòu)本身就是一種可以直接屏蔽直流分量的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的半橋逆變器如圖2所示。其基本組成包括2 個開關(guān)管S1和S2，1 個濾波電感L1，在直流側(cè)接有2 個串聯(lián)電容，其連接點為逆變器直流輸入的中點，并與電網(wǎng)的中性點連接。

半橋逆變器的工作過程如圖3所示。由圖可見，在半橋逆變器的任何開關(guān)狀態(tài)中，電流回路中總存在一個電容，該電容阻斷了輸出電流的直流分量，所以輸出電壓中的直流分量會被自動平衡。把半橋逆變器應(yīng)用到光伏逆變器中，無需額外的增加消除直流分量的裝置，就可有效地抑制直流分量。

圖3 半橋逆變器的工作過程Fig.3 Working process of half bridge inverter

1.2 共模電流問題

其中，節(jié)點1 為開關(guān)管S1和S2串聯(lián)連接的中點；節(jié)點2 為分壓電容C1和C2串聯(lián)連接的中點；節(jié)點N 為公共參考點。

其工作原理是開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通 （如圖3所示）。當S1 開通時，v1N=vin，v2N=vin/2，由式（1）和式（2）可得

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因L2=0，由式（3）可得

當S2開通時，v1N=0，v2N=vin/2

由此可見，當直流側(cè)2 個分壓電容電壓在逆變器工作過程中始終保持不變，均等于母線電壓的1/2 時，半橋逆變器總的共模電壓為一常數(shù)，其共模電流為0。

在三相系統(tǒng)中，當三相電壓輸出對稱的情況下，電網(wǎng)中線無電流流過，直流側(cè)2 個分壓電容的電壓值不變，不會產(chǎn)生共模電流。而在單相系統(tǒng)中，由于直流側(cè)總電壓加在2 個串聯(lián)電容的兩端，當其中一個電容放電電壓減小時，另一個電容的電壓就會增大。在逆變器的工作過程中2 個電容電壓會發(fā)生變化，這就會產(chǎn)生共模電流。因此，要實現(xiàn)對共模電流和直流分量的抑制，就要解決單相半橋逆變器的直流側(cè)分壓電容不平衡問題。

2 新型ANPC 三電平光伏逆變器

所提出的新型單相光伏并網(wǎng)逆變器，采用有源中點箝位型ANPC 三電平半橋結(jié)構(gòu)，在低成本、低損耗、開關(guān)管低耐壓的優(yōu)勢下完成逆變功能的同時，兼顧平衡直流母線分壓電容電壓，解決了共模電流和入網(wǎng)側(cè)直流分量問題。

2.1 新型光伏逆變器結(jié)構(gòu)

新型ANPC 三電平光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，由一個傳統(tǒng)的三電平ANPC 電路、2 個輔助電容和4 個二極管組成。

圖4 ANPC 三電平光伏并網(wǎng)逆變器Fig.4 ANPC three-level photovoltaic grid-connected inverter

新型逆變器的關(guān)鍵點在于，當分壓電容C1的兩端電壓發(fā)生變化時，輔助電容Cb1通過相應(yīng)的輔助回路對C1的電壓起電荷補充和平衡作用，當分壓電容C2的兩端電壓發(fā)生變化時，輔助電容Cb2通過相應(yīng)的輔助回路對C2的電壓起電荷補充和平衡作用，從而實現(xiàn)直流側(cè)2 個分壓電容的均壓，而且2 個輔助電容電壓也能實現(xiàn)平衡。

ANPC 三電平光伏逆變器拓撲功率開關(guān)管S1，S2，S4，S5的驅(qū)動波形如圖5所示。圖中，Ug，s1與Ug，s2互補，處于高頻工作狀態(tài)；Ug，s4和Ug，s5互補，也處于高頻工作狀態(tài)。

圖5 功率開關(guān)管的驅(qū)動波形Fig.5 Driving waveform diagram of power switch

2.2 新型光伏逆變器工作原理

一個完整的工作周期分為2 個階段，一個是電流流出逆變器情況下的工作模態(tài)，另一個是電流流入逆變器情況下的工作模態(tài)。

1）當負載電流流出逆變器時，上橋臂作為主電路，下橋臂作為輔助電路。

主電路工作過程1上橋臂的開關(guān)管S1、S3導(dǎo)通，電路處于逆變狀態(tài)，電容C1向電網(wǎng)端供電。如圖6a 所示；

主電路工作過程2上橋臂的開關(guān)管S2、S3導(dǎo)通，電路處于續(xù)流狀態(tài)，如圖6b 所示。

輔助電路的工作過程如下：

在C2兩端電壓低于初始電壓Vdc的情況下，a.當上橋臂開關(guān)管S2導(dǎo)通續(xù)流時，由于C2的負極電位高于Cb2的負極電位，二極管VDd導(dǎo)通，Cb2與S2、C2、VDd組 成 回路 向C2充 電，Cb2兩端電壓下降，C2兩端電壓上升，上升至初始電壓Vdc后基本維持穩(wěn)定，如圖6b 所示。b.當上橋臂的開關(guān)管S1導(dǎo)通時，由于Cb2兩端電壓低于電源電壓Vdc，二極管VDc導(dǎo)通，Vdc與VDc、Cb2、S1組成回路向Cb2充電，Cb2兩端電壓上升，上升至初始電壓Vdc后基本維持穩(wěn)定，如圖6a 所示。

在C2兩端電壓高于初始電壓Vdc的情況下，開關(guān)管S4、S5交替導(dǎo)通。a.當開關(guān)管S5導(dǎo)通時，由于Cb1的負極電位高于C2的負極電位，二極管VDb導(dǎo)通，C2與VDb、Cb1、S5組成回路向Cb1充電，Cb1兩端電壓升高，C2兩端電壓下降，下降至初始電壓Vdc后基本維持穩(wěn)定，如圖6c 所示。b.當開關(guān)管S4導(dǎo)通時，由于Cb1兩端電壓高于電源電壓，二極管VDa導(dǎo)通，Cb1與VDa、Vdc、S4組成回路向電源端放電，Cb1兩端電壓下降，下降至初始電壓Vdc后基本維持穩(wěn)定，如圖6d所示。

圖6 電流流出逆變器情況下的工作過程Fig.6 Working process diagram when current flows out of the inverter

2）當負載電流流入逆變器時，上橋臂作為輔助電路，下橋臂作為主電路。其工作過程與負載電流流入逆變器的工作過程類似，不再詳述。

通過以上分析可得，雖然2 個分壓電容在放電過程中電壓減小，但由于輔助電路的存在，輔助電容通過輔助電路分別向2 個分壓電容補充電荷，維持2 個分壓電容的電壓平衡，進而實現(xiàn)2 個分壓電容的均壓，有效抑制光伏系統(tǒng)的共模電流。2 個輔助電容通過在逆變器續(xù)流階段的電荷補充，也能保持電壓基本不變。此外主回路與輔助回路的控制解耦極大地降低了控制難度。

3 仿真分析與結(jié)果

為驗證新型ANPC 三電平逆變器2 個分壓電容的均壓能力，在仿真平臺上搭建逆變器仿真模型。電源電壓Vdc=800 V，直流母線電容C1=C2=100 nF，濾波電感L=1 mH，輔助電容Cb1=Cb2=100 μF，開關(guān)管S1、S2、S4、S5的開關(guān)頻率f=20 kHz，S1、S4的占空比為20%，S2、S5的 占空 比 為80%，C1、C2、Cb1、Cb2的 初始電壓均為400 V。

逆變器在電網(wǎng)電壓正半周期時，未加入和加入輔助電路情況下的2 個分壓電容電壓的變化波形如圖7所示。由圖7a 可見，未加入平衡電路時，在電網(wǎng)電壓處于正半周期時，C1由于放電兩端電壓一直下降，C2兩端的電壓一直上升，2 個電容的總電壓始終等于直流母線電壓；而圖7b 在加入電壓控制電路的情況下，2 個分壓電容電壓基本保持在初始電壓400 V 左右，實現(xiàn)了2 個分壓電容的均壓。

圖7 未加入和加入平衡電路的C2 電壓仿真波形Fig.7 C2 voltage simulation waveform without adding to the balance circuit

2 個輔助電容Cb1、Cb2電壓的波形如圖8所示。由圖可見，雖然輔助電容在逆變器階段向分壓電容補充電荷使其兩端電壓下降，但續(xù)流階段另一個分壓電容會向輔助電容補充電荷，使其保持電壓基本不變。

通過以上仿真可見，所設(shè)計的電路和控制策略達到了預(yù)期的目標，實現(xiàn)了2 個分壓電容的均壓。

4 結(jié)語

圖8 輔助電容的電壓波形Fig.8 Voltage waveform of auxiliary capacitor

所提出的新型ANPC 三電平半橋單相光伏并網(wǎng)逆變器，不產(chǎn)生共模電流，其拓撲確保對電網(wǎng)不產(chǎn)生直流分量。同時，該拓撲具有諸多優(yōu)點：將ANPC 逆變器應(yīng)用到光伏逆變系統(tǒng)中，使得逆變器的開關(guān)器件應(yīng)力小、損耗分布平衡，因而而已選擇較低額定電壓等級的開關(guān)管，其飽和導(dǎo)通電壓相應(yīng)降低，開關(guān)管成本降低；采用ANPC 三電平半橋結(jié)構(gòu)，無需額外的增加輔助設(shè)備，解決了入網(wǎng)側(cè)的直流分量問題，減小了系統(tǒng)的體積和成本；解耦控制的控制策略極大地降低了控制難度，增加了可實施性。