共地型倍壓三電平單相非隔離光伏逆變器

摘 要：為了消除非隔離型單相光伏逆變器系統的對地漏電流的問題，采用一種新型的單相共地型的逆變拓撲結構。該共地型的逆變拓撲由光伏電池、倍壓電路、三電平電路、輸出濾波電路和單相負載組成，其中的倍壓電路由2個開關管、一個快恢復二極管和一個飛跨電容組成；三電平電路由4個開關管、1個快恢復二極管和1個飛跨電容組成。該拓撲的優點是將直流側與交流側共地連接，可以完全消除漏電流，同時倍壓拓撲和三電平拓撲還可以將直流側電壓以倍壓的形式輸出三電平波形，提升了直流側電壓的利用率。針對這種新型的拓撲結構，利用載波層疊調制原理和開關管的邏輯關系，構造出該逆變器的邏輯控制策略。設計一臺輸出功率為100 W的原理樣機，通過仿真和實驗驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：共地型；漏電流；飛跨電容；倍壓；三電平；載波層疊調制

DOI：10.15938/j.emc.2024.11.014

中圖分類號：TM46

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）11-0151-09

Common-ground-type double voltage three-level single-phase transformerless photovoltaic inverter

MA Haixiao， WU Liming

（School of Automation， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

Abstract：In order to eliminate the problem of ground drain current in non-isolated single-phase photovoltaic inverter system， a new single-phase common ground inverter topology was proposed. The common ground inverter topology is composed of photovoltaic cell， voltage doubling circuit， three-level circuit， output filter circuit and single-phase load， in which the double voltage route is composed of two switching tubes， a fast recovery diode and a flying span capacitor. The three-level circuit consists of four switching tubes， a quick recovery diode and a flying span capacitor. The advantage of this topology is that DC side and AC side are jointly connected， which can completely eliminate leakage current. Meanwhile， voltage doubling topology and three-level topology can also output three-level waveform of DC side voltage in the form of voltage doubling， which improves the utilization rate of DC side voltage. Aiming at the new topology structure， the logic control strategy of the inverter was constructed by using the principle of carrier cascade modulation and the logic relation of switching tube. A prototype with output power of 100 W was designed. Correctness of the theoretical analysis was verified by simulation and experiment.

Keywords：common ground type; leakage current; flying span capacitance; double pressure; three level; carrier cascade modulation

0 引 言

隨著光伏發電技術及光伏發電裝機容量的不斷增加，對于逆變器的安全性和可靠性要求越來越高^[1-]。單相逆變器拓撲通常分為隔離型和非隔離型^[4-6]。隔離型逆變器中增加了變壓器，這大大增加了逆變器的體積、重量和成本，同時其轉換效率和功率密度也會降低^[7-8］。非隔離型逆變器則具有體積小、重量輕、成本低、效率高的優點，因此大量科研工作者對非隔離型逆變器投入研究^［9-12]。但是，非隔離型逆變器的光伏電池板與地之間存在寄生電容，這會產生漏電流，增加并網電流諧波、系統損耗，同時還會引起人員和設備的安全問題^[13-15]。因此，非隔離型逆變器的應用必須要符合安全標準，即符合德國DIN VDE-0126-1-1標準規定，漏電流幅值不能超過300 mA^[16-17］。

目前抑制非隔離型單相逆變器漏電流的技術一般分為三大類：第一種是使共模阻抗保持高阻態，主要是通過直流側或交流側旁路的方式來抑制漏電流，其中運用最為廣泛的是H5拓撲和Heric拓撲，但是由于功率器件本身的結電容的存在，使得光伏電池板與主電路并不能完全脫離，只能在一定程度上抑制漏電流，而不能完全消除漏電流；第二種是使共模電壓保持恒定，全橋類的拓撲通過中點箝位的方式使共模電壓保持恒定，如箝位型的H5拓撲和箝位型的Heric拓撲，但是該方法需要功率器件的參數完全對稱，也不能完全消除漏電流，還會帶來逆變器的損耗與成本的增加；第三種是共地型拓撲，共地型拓撲結構的原理是將直流側與交流側共地，則光伏電池板的寄生電容相當于短路，從而達到完全消除漏電流的目的。該類拓撲是本文的研究重點。

近年有很多研究共地型拓撲的文獻，其中，文獻[17]提出一種基于虛擬直流母線的共地型拓撲，其拓撲開關管數量少，控制策略簡單，但是該拓撲的飛跨電容充放電狀態不均衡，在負半周期的飛跨電容一直處于放電狀態，因此負半周期的電平也會隨著飛跨電容的放電一直下降，導致濾波后的輸出電壓波形畸變；文獻[19]提出一種五電平的共地型拓撲，該拓撲將飛跨電容的充放電狀態保持均衡，穩定了飛跨電容電壓，同時五電平可以減小濾波器的體積和質量，提升輸出波形的質量，但是該拓撲有7種工作模態，需要在±UPV/2時根據飛跨電容電壓來選擇以哪種模態輸出±UPV/2，其控制方法較為復雜；文獻[20]提出一種五開關的共地型的拓撲，該拓撲的飛跨電容充放電狀態均衡，且采用單極性正弦脈寬調制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）策略，控制策略簡單，但是該拓撲中的一個開關管要承受雙向電流，反向電流從寄生體二極管流通，體二極管性能較差，因此該開關管的損耗增加；文獻[21]提出一種雙飛跨電容的共地型拓撲，該拓撲的雙飛跨電容的充放電狀態均衡，開關管數量較少，但是其2個飛跨電容的利用率低，且拓撲構成的器件種類較多，器件成本增加；文獻[22]提出一種可升壓的共地型的拓撲，提升了直流側電壓的利用率，但是其增加了一個電感元件為電路提供升壓，其對應的控制策略中除了采用了正弦波調制波，還采用了直流調制，調制策略較為復雜，且器件成本增加。

針對以上不足，本文在分析單相逆變器的漏電流抑制機理的基礎上提出一種新型的共地型單相非隔離型光伏逆變器拓撲，并針對該拓撲提出一種基于載波層疊調制的SPWM控制策略，使得該逆變器具有飛跨電容充放電狀態均衡，開關管數量較少，器件成本較低，控制策略簡單，直流側電壓利用率高的優點。

1 單相逆變器漏電流抑制原理

橋式單相光伏逆變器的模型如圖1所示，其中：PV為光伏電池板；Cdc為直流電容；Lf1、Lf2為濾波電感；Cf為濾波電容；Ro為負載。光伏電池板和地之間的寄生電容與逆變器、濾波器、負載之間形成回路，因此產生了漏電流。

文獻[2]對非隔離型單相光伏逆變器的共模電壓的數學模型進行了分析，得出總共模電壓數學表達式為

utcm=uAN+uBN2+（uAN－uBN）Lf2－Lf12（Lf1+Lf2）。（1）

而單相共地型光伏逆變器和單相橋式光伏逆變器相比，其特征是光伏板的負極與地相連，且濾波器采用非對稱的LC型，因此其等效電路如圖2所示。

可見光伏板的負極與地相連，因此uBN=0；省去了濾波電感Lf2，因此Lf2=0，此時式（1）可變為

utcm=uAN+uBN2+（uAN－uBN）（0－Lf1）2（Lf1+0）=uBN=0。（2）

于是總共模電壓恒等于0，漏電流可以完全消除，其表達式為

icm=Cdutcmdt=0。（3）

2 共地型倍壓三電平拓撲

本文提出的共地型倍壓三電平逆變器拓撲包括光伏電池、倍壓電路、三電平電路、輸出濾波電路及單相負載，如圖3所示，其中：PV為光伏電池；倍壓電路包括開關管S1、開關管S2、二極管D1和飛跨電容C1；三電平電路包括開關管S3～S6、二極管D2和飛跨電容C2；輸出濾波電路及單相負載包括濾波電感Lf、濾波電容Cf和輸出負載Ro。

該拓撲有4種工作模態，即M1、M2、M3、M4，拓撲的工作模態與開關管導通狀態及輸出SPWM電平之間的對應關系如表1所示。圖4為共地型倍壓三電平單相光伏逆變器工作模態，各模態工作原理分析如下：

1）模態I：如圖4（a）所示，此時開關管導通狀態為[1，0，1，1，0，0]，開關管S1、S3和S4導通，電流由光伏電池PV的正極流出，經由S1-C1-S3-S4，流過濾波電路和單相負載；同時，電流還流經C2-D2，最后流回光伏電池PV的負極。此時，輸出電壓為光伏電池PV和飛跨電容C1提供，飛跨電容C1處于放電狀態，飛跨電容C2處于充電狀態，uspwm為2UPV。

2）模態II：如圖4（b）所示，此時開關管導通狀態為[0，1，0，1，1，0]，開關管S2、S4和S5導通，飛跨電容C1處于充電狀態，而飛跨電容C2處于懸空狀態。由于開關管S4和S5導通，此時uspwm為0，該模態為正半周期的零狀態。

3）模態III：如圖4（c）所示，此時開關管導通狀態為[1，0，1，0，0，1]，開關管S1、S3和S6導通。飛跨電容C2的電壓由光伏電池PV和飛跨電容C1提供，飛跨電容C2處于充電狀態，飛跨電容C1處于放電狀態。由于開關管S6和二極管D2的導通，此時uspwm為0，該模態為負半周期的零狀態。

4）模態IV：如圖4（d）所示，此時開關管導通狀態為[0，1，0，0，1，1]，開關管S2、S5和S6導通。飛跨電容C2輸出2UPV，此時，uspwm為-2UPV。飛跨電容C1處于充電狀態，飛跨電容C2處于放電狀態。

3 調制策略

由表1中各模態的開關管的狀態和輸出SPWM電平之間的關系，提出一種適合該拓撲的調制策略。如圖5所示，將正弦調制波ur分別與三角層疊載波uC1、uC2和地信號交截，當正弦調制波大于三角載波或地信號時輸出為1，反之輸出為0，比較后得到三路預處理信號A、B、C，再經由數字邏輯運算后得到6路開關管的控制信號S1～S6，其中邏輯運算的表達式為：

S1=S3=A+BC；S4=C；S2=S5=S1=S3；S6=S4。（4）

4 飛跨電容選取

本文提出的共地型倍壓三電平單相光伏逆變器的負電平主要由飛跨電容C2向負載提供能量，因此在負半周期，由圖4（d）可知，飛跨電容C2的放電能量近似等于負載吸收的能量，當模態4開始時飛跨電容C2的電壓為uC2（t1），模態4結束時飛跨電容C2的電壓為uC2（t2），根據能量守恒原則，可以得出

12C2uC2（t1）2－uC2（t2）2=∫^t2t1uoiodt。（5）

式中：

uC2（t1）2－uC2（t2）2=ΔuC22uC2（t1）－ΔuC2；

uo=Uosin（ωt）；

io=Iosin（ωt）。（6）

經過化簡可得飛跨電容C2為

C2=UoIoΔt－12ω［sin（2ωt2）－sin（2ωt1）］ΔuC2［2uC2（t1）－ΔuC2］。（7）

其中：Δt為t2和t1的差；ΔuC2為飛跨電容C2的電壓紋波，當io和uo達到最大值時，飛跨電容C2的電壓紋波達到最大。飛跨電容的選取容值越大，電壓紋波越小，但是成本也會越高。

5 仿 真

對共地型倍壓三電平單相逆變器進行Simulink仿真，仿真參數如表2所示。并在最接近的參數條件下與非隔離型的單相oH5（optimized H5）逆變器和文獻[20]的共地型五開關單相逆變器進行對比仿真。圖6為負載輸出電壓uo及輸出電流io仿真波形比較，圖7為輸出SPWM電平uspwm仿真波形比較，圖8為共模電壓ucm仿真波形比較，圖9為漏電流icm仿真波形比較。

在相同的直流側輸入電壓100 V的情況下，非隔離型的單相oH5逆變器和共地型五開關單相逆變器的輸出電壓uo和輸出電流io如圖6（a）所示，輸出電壓uo有效值為55 V，輸出電流io有效值為0.458 A，而圖6（b）所示的共地型倍壓三電平單相逆變器的輸出電壓uo有效值為110 V，輸出電流io有效值為0.917 A；圖7（a）所示是非隔離型的單相oH5逆變器和共地型五開關單相逆變器的輸出SPWM電壓uspwm在1個周期內，電平在-100、0、100 V之間變化，而圖7（b）中的共地型倍壓三電平單相逆變器的輸出SPWM電壓uspwm同樣呈現出三電平的波形，其電平在-200、0、200 V之間變化。根據式（1）所示，非隔離型的單相oH5逆變器的共模電壓ucm箝位在50 V，如圖8（a）所示，其對應的漏電流icm如圖9（a）所示，其漏電流icm的波形在達到穩態后呈現約1 mA的工頻正弦波，而共地型五開關單相逆變器和共地型倍壓三電平單相逆變器的共模電壓ucm等于電壓uBN，由于B端與地相連，所以共模電壓ucm等于0，如圖8（b）所示，該共地型拓撲可以完全消除漏電流，如圖9（b）所示。

從仿真中可以看出非隔離型的單相oH5逆變器雖然可以通過箝位和直流側旁路的方式使共模電壓保持恒定，但是由于器件結電容和參數不對稱的因素，使得對漏電流的抑制不徹底，而共地型的拓撲可以將漏電流通過直流側與交流側共地連接的方式完全消除。但是非隔離型的單相oH5逆變器和共地型五開關單相逆變器的輸出電壓峰值不會超過直流側輸入電壓，而共地型倍壓三電平單相逆變器則能夠實現倍壓形式的波形輸出，可以提高直流側電壓利用率。

6 實驗結果

根據分析的拓撲結構及其對應的調制策略搭建了一臺實驗樣機，同時搭建文獻[20]的共地型五開關單相光伏逆變器與本實驗樣機做對比，樣機參數采用表2中的數據，實驗設備及實驗樣機如圖10所示。

實驗中共地型倍壓三電平單相光伏逆變器的開關管所承受的最大電壓為200 V，額定電流為0.909 A，假設濾波電感電流的最大紋波為額定電流的20%，計算可得出開關管的最大電流峰值約為2.314 A，一般考慮其兩倍裕量，因此開關管選取IPP60R125C6型號的功率MOS管。本實驗中還用到了二極管，由于二極管的工作頻率為開關管頻率，因此在二極管選擇上采用和功率MOS管一樣大小的快恢復二極管SF2040CT。

圖11和圖12為2個逆變器滿載時的主要實驗波形，其中包括：負載輸出電壓uo及輸出電流io；逆變器輸出SPWM電平uspwm；逆變器漏電流icm。由于共地型拓撲，2個電路在對消除漏電流上基本一致，如圖11（c）和圖12（c）所示，2個電路的漏電流icm基本保持為0，達到了消除漏電流的設計要求。在直流側輸入電壓不變的情況下，從圖11（a）和圖12（a）中可以看出在沒有倍壓的情況下，共地型五開關單相光伏逆變器不能達到設計要求，需要將直流側輸入電壓提高一倍，從圖11（b）中能看出其三電平最高等于直流側輸入電壓值100 V，而共地型倍壓三電平的輸出電壓和輸出電流滿足設計要求，圖12（b）中的三電平最高值等于200 V。

通過實驗驗證了共地型倍壓三電平單相光伏逆變器，不僅可以消除漏電流，相較于共地型五開關單相光伏逆變器，該拓撲輸出的SPWM電平是共地型五開關的一倍，實現了提高直流輸入電壓的利用率的目的，與理論分析和仿真結果基本一致。

7 結 論

本文提出了一種共地型的倍壓三電平單相逆變器拓撲結構及其調制策略。新拓撲共有6個開關管和一個快恢復二極管，器件數量較少，成本較低。該拓撲共有3個輸出電平，設計了4個工作模態，各個工作模態之間都能保證2個飛跨電容能夠保持充放電狀態均衡，因此逆變器的輸出波形質量高。根據各個工作模態之間的邏輯關系選擇使用雙層載波調制策略，該調制策略簡單易行，物理概念清晰，在硬件上也易于實現。通過理論分析、仿真和實驗驗證了新拓撲能夠完全消除漏電流，并且在同一直流輸入電壓的情況下，新拓撲能夠輸出倍壓的電壓波形，提升了直流側電壓的利用率。

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（編輯：劉琳琳）