单相非隔离型光伏并网逆变器的设计与研制

裴 乐，鞠文耀，苗 根2

（

1.中国电子科技集团公司第14研究所，江苏 南京210039；2.63612部队，甘肃 敦煌736200）

0 引 言

光伏并网系统漏电流（共模电流）指标是衡量光伏并网系统安全性的重要指标。目前IEC-62109、VDE-4105等标准均对漏电流指标有严格限制［1，2］。近年来，非隔离型光伏并网逆变器以其体积小、重量轻、效率高、成本低的诸多优点成为单相小功率光伏并网逆变器的主流，但该类型逆变器存在漏电流通路，不加抑制有可能产生超过安全标准的漏电流。因此低漏电流非隔离型光伏并网逆变器成为研究热点之一［3，4］。

基于此，本文以单相非隔离型光伏并网逆变器为研究对象，在深入研究系统漏电流抑制特性与并网逆变控制算法的基础上，研制一套基于双CPU构架的全数字控制光伏并网逆变器样机，实验结果证明了设计方案的可行性以及系统性能的优良。

1 电路拓扑

图1为非隔离型单相光伏并网逆变器的主电路拓扑。如图所示，逆变器主电路由Boost电路、6管H桥、并网滤波电路组成。

Boost电路完成对电池组件输出电压的升压，并稳定于380 VDC左右，同时实现最大功率跟踪（MPPT）功能。

图1 非隔离型单相光伏并网逆变器

逆变电路采取特殊的6管H桥结构，电路上增加两个开关管（V2、V5）与续流二极管（D1、D2），实现对电能变换的同时，抑制系统漏电流的产生。同时，为提高系统效率，根据其运行状态，开关管V1、V3、V4、V6采用 MOSFET，V2、V5采用IGBT。

滤波电路采用L-C-L结构，滤除逆变产生的开关谐波，将其变换为与电网电压同频、同相的正弦波电流注入交流电网。

2 系统漏电流分析

光电池组件在安装好后，其正负端对大地必然存在寄生电容（C1、C2），如图2所示。

由于交流电网远端接地，非隔离并网逆变器系统在开关器件工作时存在对地的漏电流通路。其理论值为：

图2 6管H桥拓扑漏电流分析

式中，Cpv为电池板等效寄生电容；Ucm为系统共模电压；UA、UB为图3中 A、B两点电压。

由式（1），在Ucm恒定的条件下系统漏电流为0。而Ucm取决于开关管的工作状态。6管H桥拓扑，V1、V3、V4、V6运行于高频状态，V2、V5运行于工频状态。该拓扑存在4种工作模式。

图3 6管H桥拓扑工作模式

（1）工作模式1：V5恒定导通，V1、V6处于高频调制状态且驱动信号相同，V2、V3、V4截止。V1、V6导通时，输入电压经V1、L1、交流电网、L2、V5、V6构成回路，如图3（a）所示。该模式下UA＝Udc，UB＝0，Ucm＝Udc／2。

（2）工作模式2：V1、V6关断时，由于电感电流不能突变，电网电流经V5、D1、L1、L2续流，如图3（b）所示。该模式下UA＝Udc／2，UB＝Udc／2，Ucm＝Udc／2。

（3）工作模式3：V2恒定导通，V3、V4处于高频调制状态且驱动信号相同，V1、V5、V6截止。当V3、V4导通时，输入电压经V4、L2、交流电网、L1、V2、V3构成回路，如图4（c）所示。该模式下：UA＝0，UB＝Udc，Ucm＝Udc／2。

（4）工作模式4：V3、V4关断时，由于电感电流不能突变，电网电流经V2、D3、L1、L2续流，如图3（d）所示。该模式下：UA＝Udc／2，UB＝Udc／2，Ucm＝Udc／2。

根据上述分析，6管H桥拓扑4种工作模式共模电压Ucm均恒定为Udc／2。该拓扑对漏电流有很强的抑制作用，满足IEC 62109等标准关于并网逆变器漏电流的限值要求。

3 控制系统设计

3.1 控制系统架构

单相光伏并网逆变器系统架构如图4所示，系统选用TI公司TMS320LF2407A型DSP作为主CPU，选用TMS320LF2801型DSP作为从CPU对并网逆变器进行控制。

主CPU对系统各状态量进行检测，实现MPPT算法、功率平衡算法、运行模式切换算法、并网控制算法，并最终生成PWM脉冲经驱动电路控制开关器件运行。

从CPU完成LED显示、温度检测、与上位机数据交换等功能。同时，对于影响系统安全性的关键状态量，如漏电流、直流分量等主、从CPU同时监控，并控制不同的执行机构，实现在故障状态下的双重保护控制。此外主、从CPU之间通过SPI通讯实现信息交互，互相监控运行状态。

3.2 并网控制策略

本文所述单相逆变器采用双环加前馈的并网控制策略，其控制系统框图见图5。母线电压外环采用传统PI调节器，可实现对直流量无静差调节，输出电流内环采取纯P调节器，控制系统设计简单，稳定性好。合理选择PI、P两个调节器的控制参数，可实现逆变器输出的并网电流对电网电压、相位的跟踪。

图5 并网控制系统框图

4 实验结果及分析

4.1 实验系统参数

为了验证系统构架与软件算法的可行性，研制了一台3 kW光伏并网逆变器实验样机。以TI公司TMS320LF2407A与TMS320LF2801双CPU作为控制芯片，系统参数为：输入电压Upv为200 V～550 V；母线电压UDC为380 V，输出电流有效值Is为14 A。Boost电感感值为1 m H，输出滤波电感L2＝L3＝1.2 mH，输出滤波电容C3＝4.7μF。

4.2 实验结果分析

图6为单相并网逆变器实验波形，图6（a）为并网电压及电流波形，图6（b）为并网电流THD分析。由图6可知，并网电流is能很好地跟踪电网电压us的频率与相位，在输出功率近3 k W的条件下，逆变器并网电流THD＝1.897%，系统性能优良。

图6 实验波形

5 结 论

本文所提出的单相光伏并网逆变器的硬件构架与全数字算法，具有一定的通用性，利用3 kW单相并网逆变器实验样机进行了实验测试，实验结果证明本文设计的硬件系统稳定可靠，编写的数字化软件可以达到满意的控制和运行性能。

［1］ 张 犁，孙 凯，冯兰兰，等.一种低漏电流六开关非隔离全桥光伏并网逆变器［J］.中国电机工程学报，2012，32（15）：1-7.

［2］ Freddy Tan Kheng Suan，Nasrudin A Rahim，Nasrudin ARahim.Modeling，Analysis and Control of Various Typesof Transformedess Grid Connected PV Inverters［C］.IEEEFirst Conference on Clean Energy and TechnologyCET，2011：51-56.

［3］ Lopez O，Fre～edo F D，Yepes A G，etɑ1.Eliminatingground current in a transformerless photovoltaic application［J］.IEEE Trans.on Energy Conversion，2010，25（1）：140-147.

［4］ 赵清林，郭小强，邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究［J］.中国机电工程学报，2007，27（16）：60-64.