1、無(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究摘 要：本文首先通過(guò)單相無(wú)變壓器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，對(duì)無(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的共模電流的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。然后用不同的控制方法分析了單相無(wú)變壓器型全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共模電流，并對(duì)一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和仿真研究；接著介紹了幾種不同的三相無(wú)變壓器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并做了簡(jiǎn)單的分析和仿真；最后對(duì)單相和三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行了分析比較。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嗪腿酂o(wú)變壓器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；光伏并網(wǎng)逆變器；共模電流No transformer-type photovoltaic inverter topologyAbstract: Firstly, no single-phase

2、 transformer type of topology, on the non-transformer type photovoltaic system common-mode currents generated a detailed analysis of the mechanism. Then use different methods of single-phase full-bridge non-transformer type topology of the common mode current, and a new topology is analyzed and simu

3、lation studies; then introduced a number of different three phase transformer topology structure, and do a simple analysis and simulation.Finally, single-phase and three phase topologies are analyzed and compared the difference.Key words: Single-phase and three phase transformer topology; PV Inverte

4、r; Common mode current1引言 在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中一般會(huì)采用帶變壓器型的光伏并網(wǎng)逆變器。由于工頻變壓器的體積大、重量重且價(jià)格貴，而帶高頻變壓器型光伏并網(wǎng)逆變器的功率變換電路控制復(fù)雜，系統(tǒng)效率低。為了解決這些問(wèn)題，國(guó)外一些學(xué)者提出了無(wú)變壓器型的光伏并網(wǎng)逆變器。這種無(wú)變壓器型的拓?fù)洳坏?jié)約成本，而且能提高系統(tǒng)的效率。圖1為無(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可知，在無(wú)變壓器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，由于沒(méi)有變壓器的隔離作用，電網(wǎng)與光伏陣列存在直接的電氣連接，而光伏陣列和地之間存在虛擬的寄生電容，因而就形成了由寄生電容、濾波元件和電網(wǎng)阻抗組成的共模諧振回路。寄生電容上變化的共模電壓在這個(gè)

5、共模諧振回路中就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的共模電流。圖1無(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Figure 1 Transformerless PV system block diagram2. 無(wú)變壓器型單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的共模分析2.1 單相全橋逆變器的共模分析圖2為無(wú)變壓器型單相全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)1對(duì)共模電流的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。具體過(guò)程如下：定義為等效光伏陣列的直流電壓，、分別為全橋逆變器交流輸出點(diǎn)、對(duì)直流母線點(diǎn)的電壓，為濾波電感上的壓降，為寄生電容上產(chǎn)生的共模電壓，為共模電流，為電網(wǎng)電壓。以電網(wǎng)電流的正半周為例，在開關(guān)管S2、和構(gòu)成的回路以及由開關(guān)管S4、和構(gòu)成的回路中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可列

6、出共模諧振回路的電壓方程： (1) (2) 由于共模電流很小，因此可忽略它在濾波電感上產(chǎn)生的壓降，即，又因?yàn)楣ゎl電網(wǎng)電壓，所以在寄生電容上產(chǎn)生的共模電流一般也可忽略，而、為PWM控制的高頻脈沖電壓，共模電流主要由此激勵(lì)產(chǎn)生。所以由式（1）、（2）相加可得寄生電容上的共模電壓為： （3）而流過(guò)寄生電容的共模電流為： （4）圖2 單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 2 Single-phase full-bridge topology由（3）、（4）式可知，要想抑制共模電流，就必須使得的變化率保持恒定，使為一定值，也即使得、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電壓之和滿足： （5）2.2 單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所

7、示。文獻(xiàn)2分別采用單極性PWM調(diào)制法和雙極性PWM調(diào)制法對(duì)單相全橋拓?fù)溥M(jìn)行了仿真研究。但這兩種不同的控制策略對(duì)共模電流的抑制效果相差很大。以下分別進(jìn)行討論。2.2.1 單極性PWM調(diào)制對(duì)圖2所示的單相全橋拓?fù)洳捎脝螛O性PWM調(diào)制法控制時(shí)，在電網(wǎng)電流正半周內(nèi)：當(dāng)S1、S4導(dǎo)通，而S2、S3關(guān)斷時(shí)： （6）當(dāng)S1、S3關(guān)斷，而S2、S4導(dǎo)通時(shí)： （7）負(fù)半周開關(guān)管控制順序與正半周相似。由（6）、（7）式可知，在開關(guān)過(guò)程中，共模電壓的幅值是變化的。因此，其共模電流很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。圖3為其仿真波形，從上到下依次為逆變器輸出電壓、共模電壓和共模電流的波形。由圖3可知，在開關(guān)過(guò)程中共模電壓的幅值是

8、在0與/2之間變化的。因此共模電流的值達(dá)到了數(shù)安倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。圖3單極性調(diào)制的全橋拓?fù)浞抡娌ㄐ?Figure 3 Unipolar modulation full-bridge topology simulation2.2.2 雙極性PWM調(diào)制 對(duì)圖2所示的單相全橋拓?fù)洳捎秒p極性PWM調(diào)制法控制時(shí)，在電網(wǎng)電流正半周內(nèi)：當(dāng)S1、S4導(dǎo)通，而S2、S3關(guān)斷時(shí)： （8）當(dāng)S1、S4關(guān)斷，而S2、S3導(dǎo)通時(shí)： （9）負(fù)半周開關(guān)管控制順序與正半周相似。由（8）、（9）式可知，在開關(guān)過(guò)程中，所以近似為定值，共模電流也近似為零?？梢?jiàn)，采用雙極性PWM調(diào)制法來(lái)控制單相全橋逆變器能夠有效地抑制共模電流。

9、其仿真波形如圖4所示。從上到下依次為逆變器輸出電壓、共模電壓和共模電流的波形。由圖4可知，因共模電壓基本為一定值，所以共模電流為毫安級(jí)。因此單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙極性調(diào)制法可有效地抑制共模電流。然而，從圖中可以看出，在整個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)4個(gè)開關(guān)管都以開關(guān)頻率工作，這就會(huì)產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗，從而限制了系統(tǒng)的效率。目前，雙極性調(diào)制的單相全橋拓?fù)涞淖罡咝试?5%左右。圖4 雙極性調(diào)制的全橋拓?fù)浞抡娌ㄐ?Figure 4 Bipolar modulation full-bridge topology simulation由圖3與圖4比較可知，采用單極性PWM調(diào)制方法的優(yōu)點(diǎn)是輸出濾波電感的損耗較低，缺點(diǎn)是共

10、模電流不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；而采用雙極性PWM調(diào)制方法的優(yōu)點(diǎn)是共模電流為毫安級(jí)且很小，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，缺點(diǎn)是輸出濾波電感損耗較高。因此為了既要使共模電流符合標(biāo)準(zhǔn)要求，又能降低輸出濾波電感的損耗，就要研究新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)滿足以上要求。本文基于以上思路，提出一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能滿足以上要求。3. 新型單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共模分析 3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生共模電流的理論分析 該拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。從圖中可看出，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在直流輸入端接兩個(gè)開關(guān)管S1和S2,其中S1為主開關(guān)管，而S2為續(xù)流開關(guān)管。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用單極性PWM調(diào)制方法進(jìn)行控制。由于在直流輸入端接了兩個(gè)開關(guān)管，所

11、以與單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，當(dāng)采用單極性PWM控制方法時(shí)，共模電壓的幅值不會(huì)發(fā)生變化。其共模分析的過(guò)程如下：開關(guān)管S1在整個(gè)開關(guān)過(guò)程中以開關(guān)頻率調(diào)制，而S2的控制信號(hào)序列與S1相反；S3在正半周內(nèi)始終導(dǎo)通，負(fù)半周內(nèi)以開關(guān)頻率調(diào)制且與S2的控制信號(hào)相同，而S4的控制信號(hào)序列與S3相反；S5在正半周內(nèi)以開關(guān)頻率導(dǎo)通，且與S2的控制信號(hào)相同，負(fù)半周內(nèi)始終導(dǎo)通，而S6的控制信號(hào)序列與S5相反。在電網(wǎng)電流正半周內(nèi)，當(dāng)開關(guān)管S1、S3、S6導(dǎo)通時(shí)，共模電壓，而交流輸出電壓；當(dāng)開關(guān)管S2、S3、S5導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)S3、S5、濾波器和電網(wǎng)回路續(xù)流，而。在負(fù)半周內(nèi)，當(dāng)開關(guān)管S1、S4、S5導(dǎo)通時(shí)，而；當(dāng)開關(guān)管S2

12、、S3、S5導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)S3、S5、濾波器和電網(wǎng)回路續(xù)流，而。圖5 新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖Figure 5 Block diagram of the new topology綜合以上的理論分析可以得如下結(jié)論：由于采用單極性調(diào)制法，降低了系統(tǒng)的損耗；共模電壓的幅值基本是一定值，所以其共模電流的值很小，為毫安級(jí)。因此，本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)既可以減少系統(tǒng)的損耗，又可以使共模電流的值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真研究本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真是在MATLAB Simulink的環(huán)境下完成的。仿真參數(shù)設(shè)置如下：為了方便系統(tǒng)仿真，將PV陣列用直流電壓源代替并且；直流輸入電容；濾波電感；電網(wǎng)電壓（rms），頻

13、率；開關(guān)管；虛擬寄生電容。圖6為仿真結(jié)果。從上到下依次為逆變器輸出電壓、共模電壓和共模電流的波形。由圖6可知，輸出電壓的波形與采用單極性調(diào)制的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，二者在半周內(nèi)都是在0與之間變化，所以產(chǎn)生的電流紋波較小，也就減小了系統(tǒng)的損耗；共模電流的值最大不超過(guò)20mA，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在采用單極性調(diào)制法的基礎(chǔ)上，可有效地抑制共模電流，使其符合標(biāo)準(zhǔn)要求。圖6 仿真結(jié)果Figure 6 Simulation results4三相無(wú)變壓器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于大部分的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)一般只適用于5-6kWp，而且輸出的交流功率不穩(wěn)定，因此需要大的直流電容，這樣就降低了系統(tǒng)的使用壽命和可

14、靠性。而三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，輸出的交流功率穩(wěn)定，因此不需要大的直流電容，這樣不僅減少系統(tǒng)的成本，而且還提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。因此三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可用于更高的功率等級(jí)的系統(tǒng)中。而不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的共模電流是不同的，下面分別介紹幾種常用的三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3FB）、帶分裂電容的三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(3FB-SC)和三相NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(3xNPC)。為了方便系統(tǒng)仿真，將PV陣列用直流電壓源代替并且；輸入直流端的電容設(shè)置為：（3FB、3FB-SC），在3xNPC中。開關(guān)管采用=10kHZ的IGBT。輸出濾波器采用LCL的三角形接法（3FB、3FB-SC），在3xNPC中采用星形接法。

15、（濾波電感、濾波電容）。電網(wǎng)的頻率，電壓（rms）。仿真波形均為共模電壓和共模電流的波形。4.1 三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3FB）這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且被廣泛用于一般的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中。圖2為其結(jié)構(gòu)框圖。圖7 三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 7 Three-phase full-bridge topology該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用SPWM控制方法來(lái)控制開關(guān)管，即用一個(gè)三角載波和三個(gè)與三相電網(wǎng)同步的正弦波比較得到開關(guān)管控制信號(hào)。圖3為仿真結(jié)果。從上到下依次為共模電壓、共模電流的波形。由圖可知，因?yàn)楣材ｋ妷旱牟▌?dòng)很大，導(dǎo)致共模電流的值超過(guò)了規(guī)定的最大值300mA，所以3FB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適合用于三

16、相無(wú)變壓器型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中。圖8 3FB仿真結(jié)果Figure 8 3FB simulation results4.2帶分裂電容的三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3FB-SC）該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。由圖可知，它與3FB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本相似，不同點(diǎn)在于，輸入端有兩個(gè)分裂的PV陣列和電容，且它們的中點(diǎn)與地的中性點(diǎn)相連。開關(guān)管的控制方法與3FB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣。圖5為仿真結(jié)果。從上到下依次為共模電壓、共模電流的波形。由圖5可知，共模電壓的波動(dòng)非常小，因此共模電流也很小，最大值不到20 mA，符合規(guī)定的要求。圖9 帶分裂電容的三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 9 With a split capacitor top

17、ology of three-phase full-bridge圖10 3FB-SC仿真結(jié)果Figure 10 3FB-SC simulation results4.3 三相NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3xNPC）圖6為三相NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖。由圖可知，3xNPC拓?fù)渑c其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1） 因?yàn)槊恳幌嗟陌霕虮鄱即?lián)了兩個(gè)開關(guān)管，這就分擔(dān)了一半的電壓應(yīng)力，因此，開關(guān)管上承受的電壓為其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一半；（2） 由于輸出的相電壓為三電平，因此，電壓諧波比3FB結(jié)構(gòu)更小。而且，電壓諧波小也導(dǎo)致輸出濾波器也更??；（3） 因?yàn)槊總€(gè)開關(guān)管上的電壓小，開關(guān)損耗也就更小，所以系統(tǒng)的效率也就更高。圖11 三

18、相NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Figure 11 Three-phase NPC topology map在單相的PV系統(tǒng)中，單相NPC拓?fù)湟呀?jīng)被證實(shí)共模電壓沒(méi)有波動(dòng)，而且共模電流的值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此將文獻(xiàn)5提出的單相NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法引用到三相NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一相橋臂的控制與單相NPC拓?fù)湎嗤皇敲恳幌嗟恼{(diào)制波相位互差120。圖7為仿真結(jié)果。從上到下依次為共模電壓、共模電流的波形。由圖可知，因?yàn)楣材ｋ妷罕３忠欢ㄖ?，所以共模電流非常的小，這說(shuō)明3xNPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可有效地抑制共模電流，因此被廣泛應(yīng)用于三相無(wú)變壓器型PV并網(wǎng)系統(tǒng)中。圖12 3xNPC仿真結(jié)果Figure 12 3xNPC sim

19、ulation results5 比較從仿真結(jié)果來(lái)看，所有單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均只能用于低功率等級(jí)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，而三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于更高的功率等級(jí)的系統(tǒng)中。因?yàn)閱蜗嗤負(fù)涞闹绷鬏斎腚妷褐挥?00V,而三相到達(dá)700V。不同的單相和三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較如表1所示。單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只有采用雙極性PWM控制時(shí)，才適用于無(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，因?yàn)楫?dāng)采用單極性PWM控制時(shí)，由于光伏陣列和寄生電容所產(chǎn)生的共模電壓不是定值，所以會(huì)產(chǎn)生較大的共模電流。而在單相全橋拓?fù)涞幕A(chǔ)上，提出的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上，輸入直流端接了兩個(gè)開關(guān)管S1和S2，控制采用單極性PWM控制。從仿真結(jié)果來(lái)看，它綜合了單極性全橋拓?fù)浜碗p極性全

20、橋拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)：輸出的電壓只在0與之間變化，這就減少了系統(tǒng)的損耗；而共模電流也到達(dá)了標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，該拓?fù)渚哂袑?shí)用價(jià)值。在三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由仿真結(jié)果可知，普通的三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適合無(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)逆變器，因?yàn)楦哳l的共模電壓產(chǎn)生了很大的共模電流。而3FB-SC和3xNPC拓?fù)洌a(chǎn)生的共模電流很小，并且符合標(biāo)準(zhǔn)要求，所以這兩種拓?fù)淇蛇m用于無(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中。表1 無(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)涞谋容^拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)管數(shù)量輸入電容數(shù)量開關(guān)管承受的電壓共模電流單極性控制全橋拓?fù)?1>>30mA雙極性控制全橋拓?fù)?1<30mA新型拓?fù)?1<30mA3FB拓?fù)?1>>

21、30mA3FB-SC拓?fù)?2<30mA3xNPC拓?fù)?22<30mA6. 結(jié)論 從理論分析和仿真結(jié)果可知，采用雙極性PWM控制的單相全橋拓?fù)淇捎糜跓o(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，因?yàn)樗a(chǎn)生的共模電流比單極性單相全橋拓?fù)湟〉枚?。而在此基礎(chǔ)上提出的新的拓?fù)?，在采用單極性PWM控制時(shí)，可以使共模電流滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可用于無(wú)變壓器型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。三相全橋拓?fù)湟蚱涓哳l的共模電壓產(chǎn)生的大的共模電流，所以不適合無(wú)變壓器型逆變器。而對(duì)于3FB-SC和3xNPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從仿真結(jié)果可以看出，兩者所產(chǎn)生的共模電流均小于30mA，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。參考文獻(xiàn)1 孫林龍，張興，許頗，趙為，曹仁賢. 單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中共模電流的研究C.中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，中國(guó) 杭州， 2008，11.2 Roberto Gonzales, Jesus Lopez, Pablo Sanchis and Luis Marroyo, Transformerless I