新型無漏電流單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器

摘 要：針對非隔離光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中存在的漏電流問題，提出了一種新型兩級并網(wǎng)逆變器。該單相無變壓器逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)由一種新型前級交錯升降壓變換器和半橋逆變器組成。新的兩級緊湊型逆變器結(jié)構(gòu)，在第一級采用高增益交錯升壓轉(zhuǎn)換器的設計，可提高直流輸入電壓；在第二級采用半橋逆變器來實現(xiàn)共地技術(shù)，消除漏電流，并將系統(tǒng)的DC/AC集成提供給電網(wǎng)。文中還搭建了基于MATLAB/SimuLink軟件的仿真模型，仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)相比，所提出的逆變器不僅具備緊湊且集成度高的單級設計，還通過兩級操作模式，實現(xiàn)了漏電流的有效消除，同時獲得了更高的升壓增益。

關(guān)鍵詞：單相非隔離；漏電流；共地型逆變器；共模電壓；并網(wǎng)；MATLAB/SimuLink

中圖分類號：TP39；TM464 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-0-03

0 引 言

在過去數(shù)年間，鑒于對氣候變化加劇，油價上漲以及使用化石燃料（如煤炭、天然氣和石油）等由不可再生能源所引發(fā)的全球變暖問題的擔憂，替代能源技術(shù)的發(fā)展速度顯著加快。在眾多可再生能源中，太陽能光伏（PV）系統(tǒng)是最環(huán)保、最容易搭建且最常用的技術(shù)之一。得益于材料工藝和制造工藝的不斷進步，光伏系統(tǒng)的成本不斷降低，已經(jīng)成為廣泛部署的首選能源方案[1]。

逆變器作為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心組件，對整個系統(tǒng)的成本效益、使用壽命以及效率表現(xiàn)起著決定性作用。隔離型逆變器通過在直流側(cè)和交流側(cè)之間引入變壓器實現(xiàn)了電氣隔離。變壓器的引入雖然提供了較高的安全性能，但同時增加了設備的體積和成本，已經(jīng)無法滿足市場對高效率和低成本技術(shù)的需求。相比之下，非隔離型逆變器憑借其高效率、小體積和輕重量的優(yōu)勢，逐漸受到新能源市場的青睞。在非隔離型逆變器中，由于去除了變壓器，光伏發(fā)電系統(tǒng)可能面臨漏電流問題[2-3]。因此，研究如何抑制或消除漏電流成為非隔離型逆變器領域的研究重點之一。

目前被廣泛采用的拓撲結(jié)構(gòu)包括文獻[4]中提出的H5拓撲、文獻[5]中提出的HERIC拓撲及其改進HERIC拓撲結(jié)構(gòu)[6-7]。這些拓撲通過隔離直流側(cè)與交流測來消除漏電流，但受限于開關(guān)管的實際結(jié)構(gòu)，漏電流無法被完全消除。有學者提出采用中點鉗位結(jié)構(gòu)來消除漏電流，但此方法同樣無法實現(xiàn)漏電流的完全消除，還會因為器件的增多造成成本的提高和效率的降低。

共地型拓撲結(jié)構(gòu)是近年來提出的一種能夠徹底消除漏電流的拓撲結(jié)構(gòu)。文獻[8]所提出的逆變電路將Boost電路與開關(guān)電容結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具備升壓功能。然而，其缺陷在于僅支持雙極性調(diào)制，導致并網(wǎng)電流波形質(zhì)量較差，且大量無功交換降低了逆變電路的效率。文獻[9]提出了兩電平共地型拓撲，但存在輸出諧波含量較多的問題。

為解決上述問題，本文提出了一種單相無變壓器逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一種新型的前端交錯升降壓變換器和半橋逆變器組成。在并網(wǎng)過程中，該結(jié)構(gòu)將光伏電池負端直接連接到電網(wǎng)中性點，相當于將光伏電池的寄生電容短路，從而有效地解決漏電流問題。

1 逆變器拓撲結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析

1.1 逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

本文所提出的兩級逆變器拓撲的示意圖如圖1所示。其拓撲結(jié)構(gòu)由新型前級 DC-DC 電路和傳統(tǒng)半橋逆變器組成。其中新型前級結(jié)構(gòu)包含 1個開關(guān)管、2個二極管、2個電感和 3個電容。

1.2 模態(tài)分析

對本文所提出的逆變器前級的工作原理進行分析。逆變器前級運行模態(tài)如圖2所示。

模態(tài)一：如圖2（a）所示，在此模態(tài)下，開關(guān)管 S1接通，輸入電壓 Vin經(jīng)開關(guān)S1向電感L1上儲能，電感 L1的電流IL1上升。輸入電壓Vin和電容 C1共同經(jīng)電感 L2向負載供電。根據(jù)基爾霍夫定律，可得到該模態(tài)下的電壓、電流回路方程，見式（1）：

（1）

式中：VL1、VL2和VC1分別表示電感 L1和L2以及電容 C1上的電壓；Vin為輸入電壓，VCo1為輸出電壓；IC1和IL2 分別是電容 C1和電感 L2的電流。

模態(tài)二：如圖2（b）所示，在此模態(tài)下，開關(guān)管 S1斷開，電感 L1經(jīng)二極管D1給電容 C1充電，同時，給負載CO2供電。電感L2經(jīng)二極管D1給負載CO1供電。可得到該模態(tài)下的電壓、電流回路方程，見式（2）：

（2）

式中：VCO2為輸出電壓；IL1是電感 L1的電流。

2 漏電流和輸出電壓特性

2.1 漏電流分析

在本文所提出的新型拓撲構(gòu)成的光伏系統(tǒng)中，逆變器的中性點將光伏陣列負極連接到電網(wǎng)接地，使用共地方法可以使電網(wǎng)接地和光伏陣列之間的漏電流沒有遷移路徑，因此泄漏電流被消除[10-11]。

共模電壓VCM和差模電壓VDM的計算公式見式（3）與式（4）：

（3）

（4）

總共模電壓的計算公式見式（5）：

（5）

式中：節(jié)點A是由開關(guān)管S2和S3串聯(lián)連接的中點；節(jié)點B則是由分壓電容CO1和CO2串聯(lián)連接的中點；N則是公共參考點。

當 S2導通時，VAN=Vz，VBN=0，此時：

（6）

當 S3導通時，VAN=0，VBN= Vn，此時：

（7）

由上述分析可知，新型拓撲與逆變器構(gòu)成的光伏系統(tǒng)在逆變器運行過程中，共模電壓始終為0，共模電流也為0。因此，本文所提出的新型拓撲構(gòu)成的逆變器系統(tǒng)能夠解決漏電流問題。

2.2 輸出電壓特性

由于開關(guān)頻率較高，兩個電容器的電壓紋波可以忽略不計。因此，假設電容器兩端的電壓是恒定的。由于理想電感器兩端的平均電壓為0，因此本文所提出的轉(zhuǎn)換器的電感器上的電源可以分為接通和斷開狀態(tài)，表達式見式（8）：

（8）

根據(jù)式（1）和式（2），通過對電感L1和L2應用伏秒平衡原理，可分別對輸出電壓VCO1和VCO2進行計算，計算公式見式（9）與式（10）：

（9）

（10）

所提出的新型變換器的輸出電壓增益的計算公式見式（11）：

（11）

式中：D表示開關(guān)管 S1的占空比，其取值范圍為 0 ≤ D lt; 1。

由式（11）可以得知，此時的電壓增益為輸入電壓的 2D/（1-D）倍，使系統(tǒng)在寬輸入電壓范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓的功能，能夠適應不同串并聯(lián)組合的光伏電池并網(wǎng)，從而提高了系統(tǒng)的靈活性。

3 仿真分析

為驗證拓撲的正確性，本文采用單極性調(diào)制對該拓撲進行相應的并網(wǎng)升降壓，電路參數(shù)見表1。

由圖4可發(fā)現(xiàn)，共模電壓的仿真結(jié)果同前文的相應分析結(jié)論一致，共模電壓為0，逆變器的漏電流為0，證明了本文所提出的拓撲結(jié)構(gòu)具備消除漏電流的能力。

利用MATLAB/SimuLink軟件對并網(wǎng)電流進行總諧波失真（THD）分析，分析結(jié)果如圖5所示，能夠滿足GB/T 30427—2013標準規(guī)定的并網(wǎng)電流總諧波小于5%的要求。

通過仿真實驗證明，并網(wǎng)電網(wǎng)電流能夠保持較高的電能質(zhì)量，實現(xiàn)有效的并網(wǎng)。

4 結(jié) 語

本文提出了一種用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型兩級單相無變壓器逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。分析了逆變器前級新型 DC/DC 變換器的工作原理和模態(tài)。研究了新型拓撲結(jié)構(gòu)的無漏電流內(nèi)在機理，分析了其輸出電壓特性。與傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)相比，本文所提出的新型拓撲結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：具有較高電壓增益；使用功率半導體器件的數(shù)量減少；光伏電池的負端直接連接到電網(wǎng)的中性點，可以徹底消除漏電流。

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