三相无变压器型H7光伏逆变器漏电流分析抑制

张志文，周 滔，刘 军，范 威

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

近年来，能源匮乏问题日益严重，由于光能具有绿色、无污染性，光伏发电技术开始受到各国的广泛关注与研究。提高太阳能的利用效率，是推动光伏逆变器技术发展的主要动力。非隔离型并网逆变器由于去掉了升压侧或者输出端的隔离变压器，有效地提高了光伏逆变器的效率。然而，由于光伏电池板构造的特殊性，使得光伏板与地之间存在着寄生电容，造成了一条漏电流通道[1]。其本质是寄生电容、光伏系统和电网三者之间形成回路时，共模电压CMV（common-mode voltage）在寄生电容上产生的共模电流 CMC（common mode current）[2]。共模电流会引起并网电流畸变，带来辐射干扰，危及设备及人身安全[3-4]。因此，有效抑制非隔离型光伏逆变器共模电流，对降低光伏系统损耗、电压畸变及系统谐波等具有重要意义。

文献[2]指出，共模电流与逆变器的调制方法和拓扑结构有关。对于单相光伏发电系统，因为调制方法相对简单，主要研究方向在拓扑结构上。一是直流旁路拓扑，如常见的H5拓扑、H6拓扑；二是交流旁路拓扑，如HERIC拓扑、REFU拓扑；三是中点箝位三电平拓扑[5]。文献[6]研究了一种新型高效、高可靠性的单相非隔离光伏并网逆变器，其采用的H6对称拓扑结构，能使网侧和光伏电板之间进行安全隔离，去掉高频分量，从而达到抑制共模电流的目的。对于三相光伏发电系统，文献[7]针对非隔离型三相三电平光伏逆变器的共模电流问题，在分析三电平共模等效模型的基础上，采用改进型LCL滤波器，将滤波电容公共点接回到直流侧中性点，改变了三电平直流侧中点不平衡的机理，滤除寄生电容电压的高频分量，使共模电流大幅衰减。此外，很多学者在逆变器的拓扑和PWM调制等方面开展了很多有意义的研究和探索[8-10]。

文献[11]提出了一种三相H7电压源型的新型光伏逆变器及其空间矢量调制方法。该方法通过在三相三桥臂的直流侧添加一个辅助开关，切断桥臂开关开通时直流侧与交流侧的电气连接，有效抑制了系统的共模电流。但该空间矢量调制需要判断扇区，计算量大。为了解决该问题，本文提出一种新的控制方法，采用线电压PWM调制方式，经过对开关调制信号进行逻辑组合，生成PWM脉冲信号，控制H7光伏逆变器的开关通断，达到抑制系统共模电流的效果。最后在MATLAB/Simulink软件上进行仿真分析，对方案进行验证。

1 非隔离型H7光伏逆变器漏电流分析

图1为三相无变压器非隔离型H7光伏逆变器的拓扑结构示意[11]。其中：LG为光伏电板和地之间的接地电感；LF为交流侧输出滤波电感；CPV为光伏电池板对地寄生电容，其值一般在50～150 nF/kvar左右[12]；CDC为直流侧母线电容。

图1 三相非隔离型H7光伏逆变器拓扑Fig.1 Topology of three-phase non-isolated H7 PV inverter

主电路在传统三相光伏逆变器桥臂的直流侧增加了一个由IGBT和二极管并联组成的辅助开关S7。对于无变压器隔离的三相传统光伏逆变器，当续流期间所有上桥臂的逆变器开关处于导通或者关断状态时，直流侧和交流侧会形成一条漏电流的导通通道。因此，增加一个辅助开关S7可在续流期间对光伏电池板与并网端进行电气隔离，切断漏电流通道，从而抑制漏电流。H7光伏逆变器抑制漏电流的工作原理分析如下。

已知三相系统CMV[11]为

以A相为例。当A相上桥臂S5处于导通期间，其余两相桥臂以开关频率通断；当A、B、C三相开关未全部导通时，S7导通使交流侧产生输出电压。

若S1关断、S3关断，其等效电路如图2（a）所示。此时共模电压VCM=VDC/3。

若S1开通、S3关断，其等效电路如图2（b）所示。此时共模电压VCM=2VDC/3。

若S1关断、S3开通，其等效电路如图2（c）所示。此时共模电压VCM=2VDC/3。

当S1开通、S3开通时，S7则关断，交流侧与直流侧隔开，此时，漏电流没有流通路径，其等效电路如图2（d）所示。此时共模电压VCM=0。

同理可分析其他两相的共模电压幅值变化情况，此处不再赘述。

根据上述分析可以得出系统共模电压与H7逆变器的开关状态关系，如表1所示。由表1可知，系统共模电压的大小与逆变器开关状态有关，根据共模电流的定义：，当通过合理分配载波调制来控制开关通断使得系统共模电压保持稳定不变时，共模电流为0。

图2 不同开关状态组合时的等效电路Fig.2 Equivalent circuit for different switch state combination

表1 H7光伏逆变器开关状态和共模电压关系Tab.1 Relationship between switching states and CMV of H7 PV inverter

2 线电压控制PWM调制策略

传统SPWM调制的三相PWM逆变电路中，以正弦波为调制波、三角波为载波，这种方法简单，易于实现。可是，当调制度为最大值1时，输出相电压的基波幅值为VDC/2，输出线电压的基波幅值为，即直流电压利用率仅为0.866，其原因是正弦调制信号的幅值不能超过三角载波幅值。

对于线电压控制方式来说，即使给各个相电压同时叠加一个任意电压时，线电压也不会发生波形失真。这样，调制波中会包含幅值更大的基波分量，但调制波幅值并不超过三角载波的最大值。在三相无中线系统中，零序谐波电流无通路。因此当给相电压叠加3倍基波频率的正弦波和直流分量信号时，线电压波形不会发生变化，仍为原波形，且具有较高的直流电压利用率。

常见的线电压PWM控制方式波形如图3所示。图3中，vcr为三角载波，va、vb和 vc分别为加入调制信号后的三相调制波；Sa、Sb和 Sc分别为 a、b和c相触发脉冲信号，即开关信号；VCM为共模电压波形。

假设va1，vb1，vc1为原来的三相正弦波调制信号，则叠加信号[13]为

新的三相调制信号分别为

该控制方式有以下优点[13]：

（1）在信号波的1/3周期内开关器件不动作，可以使功率器件的开关损耗减少1/3。

（2）最大输出线电压基波幅值为VDC，和相电压控制方法相比，直流电压利用率提高了15%。

由图3所示线电压控制的PWM调制可以看出，任意时刻仅有两相被调制，即任意时刻逆变器的桥臂最多只有两相导通。因此逆变器上桥臂的开关不可能同时导通，仅存在同时关断的情况。可见该调制方法并不适用于H7光伏逆变器。

图3 线电压两相控制方式Fig.3 Two-phase line-voltage control method

由此，本文提出采用叠加三倍频的正弦波信号，合成新的鞍形调制波，各相电压及共模电压波形如图4所示。图4中的波形含义与图3相同。

令叠加信号 v0=m sin（3ωt），则调制波的叠加表达式为

式中：a为调制波基波幅值，取值为1；m为3倍频调制波幅值，在线电压PWM控制方法中，调制信号的幅值不超过载波幅值。因此m可取开区间（0，1）的任意值。本文m取值0.2。

图4 线电压鞍形波控制方式Fig.4 Saddle-wave line-voltage control method

由表1可知，交流侧A、B、C三相输出电压在0和VDC/3两者之间按规律变化。此时，由图4可知，共模电压在0、VDC/3、2VDC/3、VDC间高频波动变化。对于三相非隔离型H7光伏逆变器，若在三相桥臂都处于导通的时刻关断S7，使直流侧和交流侧电气隔离，由于漏电流没有流通路径，此时漏电流为0，漏电流得到有效抑制。该调制方法在三相非隔离型H7光伏逆变器中的控制策略分析如下。

根据第1节的分析，可知漏电流的大小与载波调制策略有关。观察表1中的开关状态S5、S3、S1和S7，可发现其与三相开关信号Sc、Sb和Sa具有一定的逻辑关系，如表2所示。

由此，可得到各开关状态与三相开关信号的逻辑运算表达式为

综合上面的分析内容，可以得到线电压控制方式PWM调制方案，如图5所示。

表2 开关逻辑状态Tab.2 Logic states of switches

图5 改进型线电压载波调制方案Fig.5 Modified line-voltage carrier modulation scheme

3 系统仿真及验证

根据图1所示H7光伏逆变器的拓扑结构，本文通过MATLAB/Simulink仿真软件,采用图5所示的载波调制方法对H7光伏逆变器系统进行了仿真，对本文提出的改进型调制方案进行验证，并与传统SPWM和线电压PWM控制方法进行比较研究。仿真参数如下：直流侧电压120 V，交流侧滤波电感20 mH，负载电阻 10 Ω，寄生电容 120 nF，开关频率10 kHz。

为了全面分析H7光伏逆变器在不同载波调制下漏电流的抑制效果，图6给出了3种PWM调制方式下的共模电压和共模电流的仿真波形。

传统SPWM调制下的仿真结果如图6（a）所示。由图可知，此时系统共模电压在0、VDC/3、2VDC/3之间波动，且波动频率高，波动幅值较大，从而导致输出共模电流幅值高，波动大。

线电压PWM调制方式波形如图6（b）所示。系统共模电压同样在0、VDC/3、2VDC/3之间周期性波动，此时共模电压波动幅值有所减小，但仍旧存在着高频波动。

图6（c）为改进型线电压PWM调制的仿真波形。由图可知，当S7关断时，共模电压在VDC/3、2VDC/3之间周期性波动；当S7闭合时，共模电压在VDC/3～0以及2VDC/3～0之间波动。共模电压的波动频率和波动幅值减少了，从而使得共模电流得到一定程度的抑制。

此外，本文的研究重点是调制波对H7光伏逆变器系统漏电流的影响，并未考虑并网情况下电网电压的影响。实际应用中，电网电压的频率波动会对共模电流产生一定的影响[14]。另外，由寄生电容与滤波电感以及电路中的杂散参数构成的谐振回路[15]也会影响系统共模电压。对于H7三相光伏系统在考虑线路参数的情况下，如何采用更精确有效的控制策略并网运行还有待进一步深入研究。

图6 共模电压与共模电流仿真结果Fig.6 Simulation results of CMV and CMC

4 结语

本文以三相无变压器非隔离型H7光伏逆变器为研究对象，首先，分析了非隔离型H7光伏逆变器的系统模型及其共模电压的幅值变化规律；随后，分析了线电压PWM载波调制的工作原理，并比较了其与传统调制方式的不同与优点；最后，通过3种不同的调制方式对非隔离型H7光伏逆变器产生的漏电流进行仿真验证。结果表明，本文提出的改进型线电压PWM调制方式对非隔离型H7光伏逆变器漏电流具有更好的抑制作用。此外，本文提出的调制方式结构简单，易于实现，不需要空间矢量调制中复杂的判断算法和坐标系统转换，更利于工程实现，对于工程应用具有一定的借鉴意义。