一种抑制共模漏电流的改进多载波调制策略

李国栋，韩富强，闫海云，陈培育，王旭东

（1.国网天津市电力公司，天津 300010；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

一种抑制共模漏电流的改进多载波调制策略

李国栋1，韩富强2，闫海云2，陈培育1，王旭东1

（1.国网天津市电力公司，天津 300010；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

非隔离型光伏逆变器拓扑结构简单、效率高，但会在光伏组件和大地之间形成漏电流流通途径，且采用传统多载波调制策略抑制该漏电流时所需载波个数较多。基于H桥级联多电平逆变器（H-bridge cascaded multilevel inverter，HB-CMI）电路提出了一种改进型调制策略，不仅有效地抑制了光伏发电系统中的漏电流，同时也使传统调制策略所需的载波个数减少了一半。最后，在PSIM下搭建了仿真模型并验证了所提调制策略的有效性和合理性。

非隔离型；多电平逆变器；共模漏电流；多载波调制

在全球能源短缺和温室效应的双重危机下，作为一种绿色环保、可再生的优质能源，太阳能受到了世界各国越来越多的关注，光伏产业也得到了快速发展。但是由于其高额的安装成本，使光伏总发电量相对其他常见的能源较小，因此降低光伏系统发电成本并提高系统效率成为了关键。其中一种降低成本的方法就是不使用变压器，虽然变压器可以确保系统的电气隔离，但同时也会增加系统重量、体积、成本和损耗，大大降低了系统效率。因此，非隔离型光伏发电系统成为了学者关注的新宠［1］。虽然移除变压器降低了系统成本和重量，但该发电系统通过寄生在光伏组件和大地之间的电容引入了漏电流，造成了额外的系统损耗。

随着高压大功率电力电子器件的发展，传统两电平、三电平结构的逆变器已不能满足大功率等级下的并网要求，逆变器结构转向多电平结构方向发展。1980年日本学者Nabae等人在IEEE工业应用年会上提出三电平中点钳位式结构，并在此基础上提出了多电平逆变器思想，多电平逆变器相对传统的两电平和三电平拓扑结构有诸多优点：无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低，开关器件承受的电压应力小，可避免较大的du/dt所导致的各种问题，由此可提高开关管的使用寿命［2］。其中较为突出的就是H桥级联多电平逆变器（HB-CMI），它相对其他多电平拓扑具有简单化、模块化和最小数量的组件等显著优势［3］。

因此，抑制光伏系统逆变器中的共模干扰问题成为了关键，共模电流必须控制在一定的范围内，才会减小其对设备和人身的伤害［4］。目前，国内外解决非隔离型逆变器输出共模电流问题的方法主要有硬件方法和软件方法2类［5］。

硬件方法通过在逆变器输出端增加滤波器来滤除共模电压，或者采用改进的拓扑结构，如H5，Heric拓扑结构［6-7］。这类方法的缺点是：额外添加硬件设备增加了逆变器的体积和重量，使控制系统设计复杂，同时需要对所用滤波器或变压器的参数进行重新设计，降低了系统的可靠性。

软件方法从控制策略入手，即在不增加其他元器件的前提下，采用适当的脉宽调制技术来降低共模电流。文献［7-9］分别讨论了采用双极性调制、空间矢量调制和多载波调制保持共模电压恒定，进而有效地抑制漏电流的大小。由于软件方法无需改变主电路结构，因此在硬件成本、控制系统设计以及可靠性等方面相较硬件方法有明显的优势。

本文以两单元HB-CMI光伏系统为研究对象，首先分析了该系统共模电压的产生原理，接着介绍了基于传统多载波调制技术的改进调制策略的原理，基于PSIM搭建系统仿真模型，仿真结果表明本文提出的改进型调制策略在抑制漏电流的效果上较传统调制策略具有明显优势。

1 HB-CMI光伏系统共模电压产生原理

本文针对两单元HB-CMI光伏系统共模电压产生原理进行分析，如图1所示，N1，N2分别表示每个单元的共模参考点，假设2个光伏单元的光伏模块完全相同，那么2个单元对地的寄生电容是相同的，共模电压和漏电流也是相同的，共模电压用Vcm表示。

图1 两单元HB-CMI光伏系统Fig.1 Two units HB-CMI photovoltaic system

根据文献［10］中对单相光伏逆变器共模电压和共模电路的分析，对于上级H桥单元共模电压Vcm=(Va1N1+Vb1N1)/2,根据基尔霍夫电压定律，由图1可以得出以下方程：

式中：Va1N1,Vb1N1分别为H桥两相桥臂中点到直流侧负端的电压；Va2b2为H桥两相桥臂中点之间的电压；Vs为滤波电感两端电压，并且假设滤波电感L1,L2相等，因此其两端电压相等；Vac为电网电压。

由于电网电压对漏电流几乎没有影响，因此忽略Vac，将式（1）和式（2）相加得：

进而得到共模电压的等式为

由式（4）可知，HB-CMI光伏系统产生的共模电压只与Va2b2,Va1N1,Vb1N1有关，而与其他变量无关。而漏电流的大小主要取决于级联逆变器共模电压的大小，因此，减小级联光伏系统共模电压的幅值是抑制漏电流的有效途径。

2 改进多载波调制策略的原理

为了限制漏电流的大小，必须保证在开关瞬间共模电压的值最小。传统多载波调制策略下，共模电压的最小值为2Vpv/(n-1),其中n表示逆变器输出电压的电平数，此时需要的载波个数为n-1个。由于级联多电平逆变器的输出电压是各单元输出电压的叠加，因此对于两单元逆变器的输出电压为 ±2Vpv,±Vpv,0。本文在传统多载波调制策略基础上进行改进，改进后的调制策略的原理如图2所示，此时需要的载波个数是(n-1)/2,因为载波个数只有原来的一半，因此改进策略相较传统调制策略大大减少了计算量。

图2 改进后的调制策略Fig.2 Improved modulation strategy

图2所示为基于传统多载波调制策略改进的调制策略，V1和V2表示改进后调制策略所需要的载波。本文以传统多载波调制策略中的POD（phase opposite disposition）调制方式为基础对其进行改进。改进后的调制策略中，载波信号彼此同相位，且每半个周期后各个载波信号的相位翻转180°。表1中示出了改进后的调制策略下逆变器所具有的开关状态和其对应的共模电压值。

表1 改进后调制策略下的开关状态及其相应的共模电压Tab.1 Switching instants of improved modulation and its corresponding common mode voltages

由表1可知，在两单元HB-CMI光伏系统中，逆变器的开关共有6种开关状态，其中仅有1种开关状态输出的共模电压值为零，有3种开关状态输出的共模电压值为Vpv,剩下2种开关状态输出的共模电压值为Vpv/2。逆变器根据光伏的输出电压具有离散的输出电压级别，且共模电压的大小由开关状态所决定，逆变器输出电压的转换由逆变器的电流方向决定，因此在所提改进调制策略下该共模电压的最大变化值为±Vpv/2。

5电平两单元HB-CMI在改进调制策略下的开关状态如表1所示，改进后的调制策略包括2种工作模式：分别定义为模式1和模式2。

1）模式1（0—T/2）。在这种模式下，逆变器的输出电压为0,-Vpv和-2Vpv。其中下级开关状态是保持不变的，即开关S21，S24关断，S23，S22开通，只考虑上级H桥的开关状态变化，载波与调制波的关系可分为3种：

①当V1＞Vref＜V2时，开关S11，S14开通，S12， S13关断。此时,则逆变器输出电压；

②当V1＞Vref＞V2时，开关S12，S14开通，S11， S13关断。此时则逆变器输出电压；

③当V1＜Vref＞V2时，开关S12，S13开通，S11， S14关断。此时则逆变器输出电压

2）模式2（T/2—T）。在这种模式下，逆变器的输出电压为0,+Vpv和+2Vpv。与模式1相反，其中上级开关状态是保持不变的，即开关S11，S14开通；S12，S13关断，只考虑下级H桥的开关状态变化，载波与调制波的关系可分为3种：

①当V1＞Vref＜V2时，开关S22，S23开通；S21，S24关断。此时Va2N2=0,Vb2N2=+Vpv,则逆变器输出电压Va2b2=-Vpv；

②当V1＜Vref＜V2时，开关S21，S23开通；S22，S24关断。此时Va2N2=+Vpv,Vb2N2=+Vpv,则逆变器输出电压Va2b2=0；

③当V1＜Vref＞V2时，开关S21，S24开通；S22，S23关断。此时Va2N2=+Vpv,Vb2N2=0,则逆变器输出电压Va2b2=+Vpv。

在改进调制策略下，1个周期内2种运行模式的开关状态及其对应的共模电压的值如表1所示。从前述的讨论中可以得出，基于所提改进调制策略下的逆变器能产生5电平输出电压，且使得共模电压的最大变化值为±Vpv/2,减小了共模电压变化的范围，达到了抑制漏电流的效果。

3 仿真分析

为了验证所提改进调制策略对漏电流的抑制作用，在PSIM仿真环境下搭建了两单元HB-CMI电路仿真模型，如图1所示。系统仿真参数为：PPV=1 kw，VDC=120V，CPV=100 nF，L=1.8 mH，f0=50 Hz，fs=3 kHz。

不同调制策略下系统漏电流的有效值IL（RMS）和输出电压的THD以及载波个数如表2所示。系统输出漏电流波形和逆变器输出电压波形分别如图3和图4所示。

表2 漏电流有效值、逆变器输出电压THD及载波个数Tab.2 RMS of leakage current、THD of output voltage and number of carrier wave

图3 不同调制策略下漏电流仿真波形Fig.3 The simulation waveforms of leakage current based on different modulation strategies

图4 不同调制策略下逆变器输出电压仿真波形Fig.4 The simulation waveforms of output voltage based on different modulation strategies

仿真结果表明，从抑制漏电流的角度出发，改进调制策略下漏电流的有效值最小；从输出电压波形的谐波品质出发，改进调制策略下逆变器输出电压波形的THD最小；从所需载波个数出发，改进调制策略所需载波个数是传统调制策略的一半，由此大大减少了计算量。

4 结论

本文以H桥级联多电平逆变器为研究对象，基于传统多载波调制策略（以POD调制为基础）提出了一种改进型调制策略，通过搭建PSIM仿真模型并与传统多载波调制策略相对比，结果表明，本文提出的改进调制策略能有效抑制漏电流，输出电压波形畸变更小，且调制策略所需的载波个数相较传统调制策略减少一半。

［1］张犁.模块化非隔离光伏并网逆变器及发电系统研究［D］.南京：南京航空航天大学，2012.

［2］郭自涛.H桥级联型多电平逆变电路及其应用研究［D］.天津：河北工业大学，2012.

［3］Gautam S，Gupta R.Switching Frequency Derivation for the Cascaded Multilevel Inverter Operating in Current Control Mode Using Multiband Hysteresis Modulation［J］.IEEE Trans.Power Electron，2014，29（3）：1480-1489.

［4］Lu Bing，Dong Wei，Wang Shuo，et al.High Frequency Investigation of Single-switch CCM Power Factor Correction Converter［C］//Nineteenth Annual of IEEE Power Electronics Conference，APEC，2004：1481-1487.

［5］张瑾.一种抑制Z源逆变器共模电压的PWM方法［J］.电气自动化设备，2013，33（6）：81-86.

［6］Cha Woo-Jun，Kim Kyu-Tae，Cho Yong-Won，et al.Evaluation and Analysis of Transformerless Photovoltaic Inverter Topology for Efficiency Improvement and Reduction of Leakage Current［J］.IEEE Transactions on Power Electronics 2015，8（2）：255-267.

［7］Vazquez G，Martinez-Rodriguez P R，Sosa J M，et al.A Modulation Strategy for Single-phase HB-CMI to Reduce Leakage Ground Current in Transformer-less PV Applications［C］// 39th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society，IEC-ON，2013：210-215.

［8］Chiang L Poh，Holmes D G，Lipo T A.Implementation and Control of Distributed PWM Cascaded Multilevel Inverters with Minimal Harmonic Distortion and Common-mode Voltage［J］.IEEE Trans.Power Electron，2005，20（1）：90-99.

［9］Sreenivasarao D，Pramod Agarwal，Das B.A Carrier-transposed Modulation Technique for Multilevel Inverters［C］// 2010 Joint International Conference on Power Electronics，Drives and Energy System（PEDES）Power Electronics，Drives and Energy Systems（PEDES）&2010 Power India，PEDES，2010：1-7.

［10］马琳.无变压器结构光伏并网逆变器拓扑及控制研究［D］.北京：北京交通大学，2011.

An Improved Reduced Common-mode Leakage Current Multicarrier Modulation Strategy

LI Guodong1，HAN Fuqiang2，YAN Haiyun2，CHEN Peiyu1，WANG Xudong1
（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin300010，China；2.School of Electrical Engineering&Automation，Tianjin University，Tianjin300072，China）

The transformerless PV inverter topology has the advantage of simple structure and provides higher efficiency.However，the topology makes a path for leakage current between the PV module and the ground.Moreover，common multicarrier modulation strategy is adopted to reduce leakage current which has too many numbers of carriers.Based on the H-bridge cascade inverter circuit，an improved modulation strategy was proposed.Not only leakage current in the PV system was reduced，but also half the number of carriers compared to common modulation strategy was used.Eventually，a simulation model based on PSIM was built to verify the effectiveness of the proposed modulation strategy.

transformerless；multilevel inverter；common mode leakage current；multicarrier modulation

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161207

2015-08-12

修改稿日期：2016-06-28

国网总部科技项目（SGTJDK00DWJS1500098）

李国栋（1978-），男，本科，高级工程师，Email：tjLGD@163.com