一种增强型单相无变压器型逆变器的漏电流抑制拓扑

胡森军，王金华，李武华，何湘宁，曹丰文



一种增强型单相无变压器型逆变器的漏电流抑制拓扑

胡森军1，王金华1，李武华1，何湘宁1，曹丰文2

（1.浙江大学电气工程学院，杭州310027；2.苏州市职业大学电子信息工程系，苏州215104）

摘要：无变压器型逆变器相比变压器隔离型逆变器，具有更高的效率和更低的成本，已广泛应用于光伏并网系统。由于去除了变压器隔离，其共模漏电流问题会进一步带来严重的EMI和安全问题。针对上述问题，提出了一种增强型单相无变压器型漏电流抑制拓扑。首先，研究了经典交直流解耦方案中仍然存在的漏电流问题；继而提出了新的拓扑和相应的调制策略；最后，搭建了2 kW的实验平台，对提出新拓扑的有效性进行了验证，并与HERIC逆变器进行了对比分析。

关键词：光伏并网系统；无变压器型逆变器；漏电流

引言

随着传统化石能源的带来的环境污染日益严重，光伏发电被认为是解决上述问题的主要新能源之一而受到了广泛关注［1-2］。根据欧洲光伏工业协会的调查［3］，光伏产业在未来几年内仍将迅速发展。

单相光伏并网系统依赖于高可靠性、高效率、低成本、高功率密度的光伏逆变器。传统变压器隔离型逆变器效率低、成本高且安装不便。因此，无变压器型逆变器由于其更高的效率、更低的成本得到了广泛关注［4］。然而，由于去除了变压器隔离，在光伏面板侧到电网侧之间产生了共模漏电流，带来了严重的EMI及安全问题［5］。对于单相光伏系统，消除漏电流的主要方法在于保持共模电压恒定。对此，学者们提出了一系列的拓扑侧的解决方案，总体可分为直流侧解耦方案和交流侧解耦方案两大类。直流侧解耦主要通过在直流侧插入解耦单元以提供解耦的续流回路，如H5、H6拓扑［6-7］；相应地，交流侧解耦主要通过在交流侧插入解耦单元以提供完全解耦的续流回路，如HERIC，AC-based H6以及它们的衍生拓扑［8-9］。然而，在实际工业应用中，由于功率开关结电容的存在，无法做到直流侧和交流侧的完全隔离，从而无法完全抑制共模电流的产生。

本文首先研究了经典交直流解耦方案中存在的漏电流问题。以HERIC和H5为例，分别分析了交流解耦和直流解耦方案中逆变器中输出电感和开关管结电容的谐振现象及由此带来的漏电流问题。针对这一问题，提出了新拓扑和相应的调制策略。最后，搭建了2 kW的实验平台对提出新拓扑的有效性进行了验证，并与HERIC逆变器进行了对比分析，进一步验证了提出拓扑良好的差模特性和共模特性。

1　经典交直流解耦方案中潜在的高频漏电流问题

HERIC拓扑及其理想续流阶段示意如图1所示。HERIC逆变器作为交流侧解耦方案的典型代表，如图1（a）所示。在续流期间，开关管S1～S4关断而S5～S6导通，从而实现交直流两侧的隔离，如图1（b）。HERIC实际续流阶段及其等效电路如图2所示。开关管的结电容CS的存在打破了交直流的完全隔离，形成了如图2（a）所示的漏电流通道。在高频谐振等效电路中，可以忽略储能电容Cdc的影响，从而得到简化的等效电路图2（b）。图2（b）直观反映了LC谐振的存在。上述LC谐振会导致共模电压vCM的高频变化，从而带来新的漏电流问题。同时，H5逆变器拓扑及其理想续流阶段如图3所示，其作为直流解耦方案的代表如图3（a）所示。在续流期间，开关管S2、S4、S5关断而S1、S3导通，理想续流见图3（b）。由于开关管的结电容CS的存在，可以得到实际续流阶段的等效电路，如图4所示。上述LC谐振同样会带来新的漏电流问题。

图1　HERIC拓扑及其理想续流阶段Fig.1 HERIC topology and its ideal freewheeling stage

图2　HERIC实际续流阶段及其等效电路Fig.2 HERIC real freewheeling stage and its equivalent circuit

图3　H5拓扑及其理想续流阶段Fig.3 H5 topology and its ideal freewheeling stage

图4　H5拓扑续流阶段等效拓扑Fig.4 Equivalent circuit for H5 during the freewheeling stage

由上述分析可知，在经典交直流解耦方案中，仍然存在潜在的漏电流问题。以HERIC拓扑为例，在Matlab/Simulink中进行进一步的仿真验证，仿真参数同后续实验参数，见表1，仿真结果如图5所示。

上述仿真结果进一步验证了交直流解耦方案中由开关管结电容带来的LC谐振造成了新的漏电流问题。如能进一步抑制其中的漏电流问题，则对于输出EMI滤波器的优化设计具有重要意义。

图5　HERIC逆变器中共模电压/电流的仿真结果Fig.5 Simulation results of the common-mode voltage and leakage current in HERIC inverter

2　混合电压箝位型新拓扑

本文提出的新拓扑如图6所示，主要由全桥结构（S1～S4）、混合电压箝位单元开关管S5和三相整流桥（D1～D6）、2个分裂直流侧电容Cdc1和Cdc2以及输出滤波电感L1和L2构成。

相应的SPWM调制策略如图7所示。图中，vsin是与电网电压同频率同相位的正弦信号，vtri是三角载波信号，门极驱动信号S1～S5由vsin和vtri比较得出。在vsin正半周期，S1、S4和S5高频开关动作，S2和S3一直关断。相应地，在vsin负半周期，S2、S3和S5高频开关动作，S1和S4一直关断。这种单极性SPWM调制相比双极性调制，具有更高的直流母线利用率和更低的开关管电压应力。

图7　SPWM调制策略Fig.7 Applied SPWM strategy

根据前述，此控制策略共有4种运行状态，如图8所示。

运行状态1：开关S1和S4导通，开关S2、S3和S5断开。功率电流流经S1，L1，电网vAC，L2和S4。桥臂中点对地电压vAN和vBN分别为VDC和0。此时，共模电压可计算为

运行状态2：只有开关S5导通以提供电感电流续流通路，其他开关管均断开。功率电流流经L1，电网vAC，L2和混合电压箝位单元。D2和D5将桥臂中点电压vAN和vBN箝位到直流侧电容中点电压。此时，共模电压可计算为

运行状态3：开关S2和S3导通，开关S1、S4和S5断开。功率电流流经S3，L2，电网vAC，L1和S2。桥臂中点对地电压vAN和vBN分别为0和VDC。此时，共模电压可计算为

运行状态4：只有开关S5导通以提供电感电流续流通路，其他开关管均断开。功率电流流经L2，电网vAC，L1和混合电压箝位单元。D3和D4将桥臂中点电压vAN和vBN箝位到直流侧电容中点电压。此时，共模电压可计算为

图8　4种运行状态Fig.8 Four main operational stages

在上述4个运行状态中，运行状态1和3为直流侧和交流侧的直接能量交换，其共模电压vCM天然等于直流母线电压的1/2；运行状态2和4中为续流阶段，通过拓扑中的混合电压箝位单元，可以将续流状态下的共模电压有效箝位到直流母线电压的1/2，抑制了HERIC拓扑中原来存在的谐振现象，共模漏电流得到了进一步消除。同时，每个运行状态下仅有2个开关管或者2个开关管和2个二极管导通，可以将导通损耗控制在合理的范围内。

由于开关管S5和其他开关均需要设置死区，在死区时间内，由于所有开关管均未导通，此时仍存在短暂的谐振现象，但由于死区时间非常短，该谐振不会引入较大的漏电流。

中点电压平衡在该拓扑实现中至关重要。考虑到实验参数不一致以及拓扑本身的工作特性，有必要对中点电压进行进一步分析。在功率传递阶段，即运行状态1和3阶段。由于2个电容共同向外出力，开关S5关断，所以这一阶段并不会引起中点电压的不平衡。在续流阶段，由于开关管S5导通，交流侧电压箝位到中点电容电压，根据拓扑的对称性，箝位电流在中点线上的周期积分应为0，意味着并不会造成电容中点电压的不平衡。但是，电容参数本身的不一致将会引入天然的中点电压不平衡。基于此，在实验验证中采用了简单的电阻均压方案来实现电容中点电压的平衡。

表1给出了在不同阶段下经典HERIC拓扑、H5拓扑和本文所提拓扑的器件数量比较。根据比较可知，新拓扑应具有与H5拓扑类似的运行效率。

表1　不同运行阶段下拓扑间的器件数比较Tab.1 Device number comparison of different operational stages

3　实验验证

为了进一步验证提出拓扑的有效性，搭建2 kW的实验平台，并与HERIC拓扑进行了比较。具体实验参数如表2所示。其中直流母线电压设定为400 V，额定功率为2 kW，开关频率16 kHz，光伏面板寄生电容值测量值约100 nF。相关数字控制在TMS320 F2808上实现。

表2　实验元器件及相应参数Tab.2 Components and parameters

稳态工作中的电容电压实验波形如图9所示。基于上节对于电容电压平衡的分析，由图可见，采用简单的电阻均压即可较好地实现电容电压平衡。

图9　电容中点电压波形Fig.9 Waveform of the midpoint capacitor voltage

本文提出拓扑与HERIC拓扑之间的共模电压、漏电流的实验对比波形如图10所示。图10（a）中，HERIC拓扑的共模电压在几十V到几百V之间高频变化，相应导致了高频漏电流的产生，与第2节中的仿真结果一致；在图10（b）中，共模电压被稳定箝位到直流母线电压的1/2，漏电流得到了更为有效的抑制，其中漏电流的有效值小于15 mA。

图10　共模电压/漏电流的实验对比波形Fig.10 Comparison waveforms of common-mode voltages and leakage currents

对提出拓扑与经典HERIC拓扑的漏电流做了进一步的快速傅里叶分析FFT（fast Fourier transform），实验对比波形如图11所示。在HERIC逆变器中，漏电流频谱中不仅包含基波频率，还包含开关频率及其倍频分量。但在提出的新拓扑逆变器中，漏电流频谱中仅包含基波频率，高频分量均得到了有效的抑制。

图11　漏电流FFT的实验波形对比Fig.11 FFT Comparison of the leakage current in HERIC and proposed inverter

本文提出拓扑的并网电压/电流的实验波形如图12所示。其中设定的功率因素为1，并网电流的总谐波畸变率THD（total harmonic distortion）为2.58%。

图12　所提拓扑的并网电压/电流波形Fig.12 Grid connected voltage/current waveforms of proposed topology

图13为本文提出逆变器的效率曲线。由于每个运行阶段下的开关数量较少，其整体效率得到了保证，功率在1 kW时最大效率达到97.5%。

图13　所提拓扑的效率曲线Fig.13 Efficiency curve of proposed inverter

4　结语

本文提出了一种增强型单相无变压器型逆变器的漏电流抑制拓扑。通过在全桥拓扑中增加混合电压箝位单元，能进一步抑制经典交直流解耦方案续流谐振所产生的漏电流。提出拓扑的差模特性和共模特性均在实验平台上与HERIC逆变器进行了对比验证。实验结果表明，提出的增强型单相无变压器漏电流抑制拓扑具有显著的漏电流抑制能力和较高的效率，更适用于单相光伏并网系统。

参考文献：

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胡森军

Enhanced Single Phase Transformerless Topology for Leakage Current Elimination

HU Senjun1，WANG Jinhua1，LI Wuhua1，HE Xiangning1，CAO Fengwen2
（1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.Department of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China）

Abstract：The transformerless inverters are widely employed in grid-tied PV systems，since they feature higher efficiency and lower cost compared to the transformer based inverters. One of the critical problems for transformerless inverters is the common-mode leakage current issue，which leads to serious safety and EMI problems. This paper proposed an enhanced single-phase transformerless inverter with hybrid voltage clamping to further eliminate the common-mode leakage current. Firstly，the leakage current problem caused by the parasitic parameters in the AC-decoupling and DC-decoupling based inverters is explored. Then，an enhanced transformerless topology is proposed with its modulation and leakage current elimination principle. Through hybrid voltage clamping，the common-mode voltage can be kept constant，which helps reduce the leakage current and achieve excellent differential-mode characteristics. Finally，a 2 kW test bench is built to verify the effectiveness of the proposed enhanced inverter by comparing its performance with the HERIC inverter.

Keywords:PV grid-connected system；transformerless inverter；leakage current

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．2．63中图分类号：TM 46

文献标志码：A

收稿日期：2015-01-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51361130150，51377112）Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51361130150，51377112）

作者简介：

胡森军（1992-），男，硕士研究生，研究方向：光伏并网应用研究，E-mail：husen jun@zju.edu.cn。

王金华（1992-），女，硕士研究生，研究方向：直流微网运行控制，E-mail：wangj inhua@zju.edu.cn。

李武华（1979-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：新能源电力变换技术研究，E-mail：woohualee@zju.edu.cn。

何湘宁（1961-），男，博士，教授，研究方向：电力电子技术及其工业应用，E-mail：hxn@zju.edu.cn。

曹丰文（1958-），男，博士，教授，研究方向：电力电子技术及其工业应用，E-mail：cfw@jssvc.edu.cn。