三相非隔离式并网逆变器漏电流抑制技术

刘建科， 解 晨， 陈大明

(1.陕西科技大学 理学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021； 3.国家天文台 北京 100012)

0 引言

近年来，中国光伏产业的发展十分迅速，光伏发电系统容量也逐年递增.为了实现光伏系统并网运行，逆变器成为不可缺少的转换装置.通过对逆变器的合理控制，不仅可以保证光伏并网系统向电网输送高质量的电能，还可以在电网发生故障时实现孤岛保护[1].

为了节省发电成本，光伏系统效率的提高显得越来越重要.但目前光伏阵列的能量转换效率较低，因此，在光伏电池组件输出功率确定的条件下，高效的逆变器结构设计具有非常重要的意义.

传统的光伏并网装置均包含工频隔离变压器，用以消除漏电流，同时用来保障人身安全和确保设备的正常使用.但是工频隔离变压器的使用增加了系统的级数，降低了系统整体的转换效率.然而系统中去除工频隔离变压器又使得光伏阵列和电网侧有了电气连接[2].同时由于光伏电池和大地之间存在分布电容(在潮湿环境下该电容值可能达到100 nF，甚至更高)，当光伏阵列与电网侧通过并网装置和大地形成共模回路时，会产生很高的共模漏电流[3].漏电流的本质是共模电流，共模漏电流不仅会造成安全隐患，还会影响设备的正常使用，加速设备老化[4].因此若要实现非隔离结构，首先就要解决漏电流的抑制问题.

无变压器非隔离型光伏并网系统中存在的漏电流会引起并网电流畸变、电磁干扰等问题，德国VDE0126-1-1标准规定，漏电流高于300 mA时光伏并网系统必须在0.3 s内从电网中切除[1].

1 漏电流产生原因

典型的三相非隔离式光伏并网逆变器原理如图1所示，其中：Ea、Eb、Ec和La、Lb、Lc分别为三相电网电压和并网处电感；C为三相桥式逆变电路输出端和大地之间的寄生电容；Lg为逆变器和电网之间的接地电感；CPY为光伏电池阵列和大地之间的寄生电容，其值与外部环境条件、光伏电池板尺寸结构等因素有关，一般为50～150 nF/kW左右[5-8].

图1 三相非隔离型光伏并网逆变器

为分析漏电流产生的原因，首先建立并网系统的共模电压模型[9]，如图2所示.其中UAB、UBC和UCA分别为各相支路电压，而每相支路电压由其共模电压与差模电压构成.

图2 系统共模电压等效模型

其中每相的共模电压和差模电压的分析过程相似，以A-B相为例进行分析，选取n点为参考点，可知共模电压与差模电压为：

(1)

(2)

同理可得B-C相及C-A相的共模电压与差模电压，因此系统总共模电压为：

(3)

当A、B支路参数不同(即LA≠LB)时，A、B点对地电压不同；而当支路参数相同(LA=LB)时，A、B点对地电压的大小相同，方向相反，由此可以看出，将减小差模电压给对地电压造成的影响[10,11].因此在选取线路参数时，尽量使其平衡.

由以上分析可知，当并网处电感取值相同时，可化简得系统总共模电压为：

(4)

2 漏电流抑制策略

根据逆变器桥臂上下功率开关管的状态，三相桥式电压型逆变器有8种工作状态, 可用矢量表示这8种空间状态，同时，可得八个基本空间矢量，其中六个有效工作矢量为u1～u6，零矢量为u0,u7[12].

以下各表为逆变器开关状态与系统共模电压的关系.

表1 共模电压为0和μdc时逆变器开关状态

表2 共模电压与逆变器开关状态关系

采取空间矢量控制策略，如图3所示，在开关状态选择时忽略零状态，充分利用其6个有效开关状态.如果合理安排开关切换顺序，有效的运用6种开关状态进行组合，则可以将开关损耗及开关频率限制在最低，从而减小共模电压的变化频率.

图3 电压空间矢量

图4 非零矢u1-u3-u5合成参考矢量

目前常用的三相桥式逆变电路多采用三相电流瞬时值反馈控制策略[13,14]，由于控制带宽和增益的限制，使得输出电流存在较大误差.

图5为系统整体控制模型.为了提高系统性能，采取统一的控制策略，在系统控制部分将三相坐标轴系通过3/2变换及2s/2r变换等效为两相dq旋转坐标轴系，并且在SVPWM控制模块中将其通过2/3变换，得到三相电流期望值，从而通过SVPWM控制逆变器的输出三相电压.其中CPV为逆变器、大地与电网之间的寄生电容，3/2变换子模块通过变换前后磁链相等的原理将三相电压等效为两相αβ坐标系下的电压，将其做为输入电压输入SVPWM模块中，对其进行计算，得到适当的脉冲信号，对逆变器进行开关控制，从而达到减小漏电流的目的.

图5 系统控制仿真模型

图6为系统模型中SVPWM子模块的仿真模型.该子模块包括2s/2r等效变换、输入电压扇区判断、开关状态选择和逆变系统等功能模块.通过对输入电压相位角的计算，并将计算所得角度与60 °角的倍数进行比较，从而判断该输入电压所在扇区，并且通过选择得到使共模电压与输入电压所在扇区相同的开关状态，使用选择得到的开关状态，对逆变桥进行控制.其中Subsystem6为2s/2r等效变换及输入电压相位角计算及比较模块；Subsystem8为触发脉冲发生器模块，经过SVPWM算法对基本有效矢量的选择，在相应时刻对逆变器产触发发脉冲[15]；Subsystem9为逆变系统.

图6 SVPWM封装子模块

3 实验验证

为验证控制策略的有效性，我们在MATLAB/Simulink下进行了仿真研究，观察共模漏电流的波形.仿真参数为：直流侧输入电压280 V，电感L1=L2=L3=10 mH，电容C1=C2=C3=47μF，CPV=100 nF.

由于漏电流在一定程度上被抑制，从图7可看到AB线电压为正弦波，其幅值为110 V左右，图8为A相漏电流，其值为30 mA左右，符合VDE-0126-1-1标准规定(漏电流应低于300 mA).

图7 输出AB线电压

图8 A相漏电流

4 结论

漏电流产生的主要原因在于无变压器非隔离型光伏并网系统和大地之间的寄生电容两端总共模电压是变化的，根据电容特性，其上所加电压变化频率越大，漏电流越大.为了有效抑制漏电流，则要减小寄生电容总共模电压变化的频率.因此，降低开关变换频率将是有效抑制漏电流的解决方案之一.

通过上述三相非隔离型光伏并网逆变器共模电压模型的建立和分析，得到了在三相非隔离型光伏并网逆变器结构中，应使3个支路参数尽量平衡，从而可减小对地共模电压的值；应用SVPWM控制方式，通过实验验证，该控制策略减小了三相非隔离型光伏并网逆变器共模电压的变化频率，是抑制漏电流的有效途径.

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