基于TAC-Heric的光伏并網逆變器拓撲控制研究

古純松，陳 眾，謝 輝，馬希永

(長沙理工大學智能電網運行與控制重點實驗室，湖南長沙 410114)

隨著我國新能源發電系統的發展，對于光伏發電的需求日益增長，導致光伏發電系統中的并網逆變器市場份額增長迅速[1]。光伏并網逆變器通常分為兩種結構[2]：一種是隔離型，其利用變壓器實現直流、交流側的電氣隔離，從而避免共模電流的產生，但缺點是體積大、成本高、結構復雜、效率低[3-4]；另一種為非隔離型，體積相對小、質量相對較輕、結構簡單、成本低以及效率高等優點[5-6]。但由于無電氣隔離，逆變器開關管的高頻動作會導致共模電壓，其在由寄生電容[7]、逆變器和電網交流側組成的回路中向光伏發電系統注入漏電流[8]，并造成并網電流畸變、EMI、危及人身安全等各種問題[9-10]。

目前，對于非隔離型光伏并網逆變器的研究，已有諸多學者進行了深入探索。文獻[11-12]基于H5、H6 拓撲、Heric以及HB-ZVR 拓撲，分析了其在不同情況下(續流階段、導通階段、關閉階段等)的漏電流抑制情況。文獻[13]采用中點箝位法，通過在橋臂中點之間接入有源、無源通路，實現對中點電壓的有效箝位，研究分析表明該控制策略可對漏電流進行有效抑制。文獻[14]基于一種新型的單相無變壓器型并網逆變器拓撲結構，在續流階段，將共模電壓箝位至母線電容中點處，從而實現共模電壓的有效抑制，采用該拓撲結構可有效抑制漏電流。值得注意的是，以上文獻均沒有考慮到對中點箝位型逆變器的控制策略，存在電流諧波畸變率高、系統抗干擾能力弱的問題。

因此，針對非隔離型光伏并網逆變器的漏電流抑制以及控制策略優化的問題，本文首先基于傳統Heric 拓撲技術，在其拓撲分壓電容中點與續流橋臂中點之間添加T 型通路，以此來對中點電壓進行有效箝位，并在單極性SPWM 調制方式下，分析了漏電流的形成機理以及TAC-Heric 拓撲的工作過程，以維持共模電壓恒定為控制目標，從而實現漏電流的有效抑制。其次，對TAC-Heric 拓撲的控制策略問題進行優化，對PI、PR 以及QPR 控制器的控制特性進行分析，在此基礎上，采用PI+QPR 綜合控制策略，有效降低了電流諧波畸變率，提高了系統的電能質量。最后基于Simulink 仿真平臺，理論和仿真分析驗證了TAC-Heric 能更好地抑制漏電流以及所提控制策略的可行性。

1 傳統光伏并網逆變器漏電流產生機理

光伏并網系統的拓撲結構如圖1 所示，UPV為光伏并網系統的直流側電壓，C為直流側電容，CPV為光伏陣列對地電容，Ucm為CPV上產生的共模電壓，Icm為漏電流，UAN和UBN表示橋臂中點到直流母線N 點的電壓，UL為電感L1、L2上產生的壓降，Ug為電網電壓，接地阻抗較小,可以忽略不計。

在圖1 中，以電網電流正半周期為例，根據KVL 列寫回路電壓方程：

圖1 單相無變壓器型全橋式拓撲結構

由于漏電流Icm很小，因此可以忽略Icm在L1和L2上的壓降，在電感L1、L2參數對稱(L1=L2)的情況下，可得UL1=UL2，工頻電網電壓Ug作用在CPV上產生的漏電流也可忽略不計。根據式(1)和式(2)可得：

共模電壓Ucm和漏電流Icm之間的關系可以表示為：

由式(3)和式(4)可知，要想對漏電流進行有效抑制，就必須維持共模電壓Ucm為一恒定數值。

通過采用單極性SPWM 調制，可以實現單相全橋逆變功率開關管的導通與關斷，逆變器工作在正半周期時，開關管S1、S4處于導通狀態，相應的共模電壓為：

逆變器工作在負半周期時，開關管S2、S3處于導通狀態，相應的共模電壓為：

在正半周期續流階段，電流經S2與S4的反并聯二極管導通。在負半周期續流階段，電流經S1與S3的反并聯二極管導通，其共模電壓均為：

因此，在一個周期內，由式(5)～(7)可知，共模電壓在0.5UPV、-0.5UPV和0 之間變化，由式(4)可知系統此時會產生較大的漏電流。

2 新型TAC-Heric拓撲分析

2.1 新型TAC-Heric 拓撲的工作原理及漏電流分析

Heric 拓撲在實際運行中，無法保證交流橋臂中點電壓的穩定性，使得其共模電壓呈現懸浮狀態。為了解決中點電壓懸浮問題，本文在Heric 拓撲的基礎上進行了相應改進，即在Heric 拓撲的分壓電容C1與C2的中點和續流橋臂中點之間引入一條T 型通路，如圖2 所示，其中交流橋臂的中點設為N，分容電壓的中點設為M。

圖2 新型TAC-Heric拓撲

為進一步分析本文所提出TAC-Heric 控制具備更加優秀的箝位性能，以正半周期為例，其工作過程如圖3 與圖4 所示。

圖3 正半周期工作原理

圖4 正向續流工作原理

圖3 中，S1、S4在信號正半周期經高頻信號，開關處于打開狀態，此時S2、S3處于關斷狀態。相應的輸出電壓UAN=UPV，UBN=0，共模電壓為：

圖4 中，在正向續流階段，當UN＞UM時，開關S7處于關斷狀態，二極管D1正向導通，將N 點電位箝位至UM，使其等于UPV/2；當UN＜UM時，開關S7處于閉合狀態，二極管D1關斷，進而使得續流橋臂中點電壓處于穩定狀態。因此可得2UAN=UPV，2UBN=UPV，相應的共模電壓為：

類似地，可以根據負半周期工作原理與反向續流時的工作原理得到相應的共模電壓為：

由上述分析可見，本文所提出的拓撲結構總能使共模電壓恒為一個穩定不變的數值，使其幅值為光伏電源電壓UPV的二分之一。因此，該TAC-Heric 控制可對漏電流進行有效抑制。

2.2 TAC-Heric拓撲仿真驗證

在Matlab/Simulink 仿真平臺中，根據圖2 搭建新型TACHeric 拓撲仿真模型，通過單極性SPWM 信號驅動，對提出的新型TAC-Heric 拓撲進行仿真，仿真模型可以得到相應的逆變輸出電壓、共模電壓，具體仿真參數如表1 所示。

表1 TAC-Heric 拓撲逆變仿真參數

圖5 為TAC-Heric 拓撲的電壓輸出波形，通過對中點電壓的有效箝位，TAC-Heric 拓撲結構的逆變電壓趨于穩定，相應的輸出電壓均為標準方波。圖6 為基于TAC-Heric 拓撲的共模電壓輸出波形，共模電壓保持在180 V 左右，結合式(4)，可以看出TAC-Heric 拓撲可對漏電流進行有效抑制。

圖5 TAC-Heric拓撲的電壓輸出波形

圖6 TAC-Heric拓撲的共模電壓輸出波形

3 基于TAC-Heric 拓撲的控制分析

3.1 單相逆變器并網控制框圖

光伏并網系統利用單極性SPWM 控制，對光伏陣列(PV)側的直流輸入進行調制，通過低通濾波器對逆變器所產生的電流進行濾波處理，以提供高質量的電網正弦電流波形，單相光伏逆變器拓撲控制圖如圖7 所示。

圖7 單相光伏逆變器拓撲控制圖

3.2 并網控制技術

在電流內環控制器中，對于傳統的PI、PR 以及QPR 控制器，它們各有其特點。PI 控制具有較快的響應速度，但對高次諧波的抑制能力較差。基于PI 控制器的電流閉環傳遞函數為：

式中：Kp與Ki分別為PI 控制器的比例系數與積分系數。

PR 控制實現了對交流正弦信號的無靜差跟蹤調節，能對特定的諧波信號進行針對性的跟蹤控制。基于PR 控制器的電流閉環傳遞函數為：

式中：Kp與Kr分別為PR 控制器的比例系數和諧振系數；n為諧波次數；ωf為基波角頻率。

PR 控制的帶寬較小，其對電網參數的變化十分敏感，而在電網實際運行中，電網頻率可以在規定范圍內進行波動，這將影響PR 控制對交流信號的跟蹤控制。而QPR 控制相較于PR 控制而言，其拓展了帶寬，在電網頻率發生波動時，具有更好的穩定性，能更好地實現對交流信號的跟蹤，基于QPR 控制器的傳遞函數如下：

式中：ω1為諧振頻率，其值與QPR 控制的帶寬有關。

根據PR 以及QPR 控制的特性以及傳遞函數，控制器選擇合適的參數為Kp=3，Kr=10，n=3，ω1=10 rad/s，可以得出其相應的Bode 圖，見圖8、圖9。

圖8 PR 控制器的Bode圖

圖9 QPR控制器的Bode圖

從圖8 可以看出，PR 控制在3 倍基波頻率處表現為無窮增益，而在其他頻率處的增益并不明顯，因此，可以得出PR控制可以對某一些特定頻率的信號進行精確跟蹤。此外，PR控制的帶寬非常小，在電網頻率波動時，會使其對特定信號的跟蹤效果變差，具有較弱的適應性，此時系統的抗干擾能力較差。從圖9 可以看出，采用QPR 控制時，在3 倍基波頻率處的增益雖不及PR 控制，但仍有較大增益，而且其帶寬明顯增加，提高了系統的穩定性。

由上述分析可知，QPR 控制對于電網參數波動具有較強的適應性，同時，為了降低電流諧波畸變率，根據QPR 控制的優勢，即對特定頻率的信號進行精確跟蹤控制，且具有較強的抗干擾性，同時考慮PI 控制特性，即對低頻分量也具有較高的增益，PI+QPR 的綜合控制結構框圖如圖10 所示。圖10中，GQPR(s)為QPR 控制的傳遞函數，GPI(s)為PI 控制的傳遞函數，Gp(s)為逆變器的傳遞函數，Gd(s)為濾波器的傳遞函數，ic(s)為特定的諧波電流信號，icref(s)為特定的諧波電流信號參考值，ig(s)為低頻直流分量，igref(s)為低頻直流分量參考值。

圖10 PI+QPR的綜合控制結構框圖

3.3 TAC-Heric 逆變控制仿真分析

為驗證本文所提綜合控制策略的可行性與有效性，根據圖7所示的單相光伏逆變器拓撲控制，利用Matlab/Simulink仿真平臺建立相應的系統模型，對系統并網輸出結果進行對比、分析。直流側電壓為360 V，電感L為20 mH，直流電容為1 100 μF，綜合控制策略參數如下：Kp=3，Kr=10，ωf=314 rad/s，Ki=240，ω1=10 rad/s。該參數下運行Simulink 仿真模型，得到并網電壓與并網電流，如圖11、圖12所示。

圖11 PI+QPR控制下的并網電壓

圖12 PI+QPR控制下的并網電流

從圖11 與圖12 中可以看出，新型TAC-Heric 逆變拓撲在PI+QPR 的綜合控制策略下輸出的電壓、電流波形質量較高，二者的幅值與相位保持一致，波動較小。

為了進一步描述綜合控制策略對電流諧波抑制的能力，對PI、PR 與PI+QPR 控制下的并網電流FFT 進行分析，不同控制下的并網電流總諧波畸變率(total harmonic distortion，THD)如表2 所示。從表2 中可以看出，相較于PI、PR 控制，PI+QPR 控制的并網電流諧波畸變率更低，相應的電流輸出質量更高。

表2 不同控制方式下的THD

4 結論

在對單相并網逆變器中存在的漏電流問題進行分析的基礎上，得出一種能穩定共模電壓的TAC-Heric 拓撲結構，采用單極性SPWM 調制，在續流階段對共模電壓進行有效箝位，從而有效地抑制了漏電流。同時，針對TAC-Heric 的并網控制技術，在電流內環控制中，提出了一種PI+QPR 綜合控制策略，使得單相并網逆變器系統具有較強的抗干擾能力，同時降低了并網電流的總諧波畸變率，提高了系統的電能質量。