光伏并网逆变器新型拓扑结构研究

蔡亚丁　裴旭东

摘 要：提出了一种基于飞跨电容型逆变器结构的新型光伏并网发电系统，可以将电网中性点直接与光伏阵列负母线连接，因此具有零漏电流的结构优点。该逆变器拓扑采用工业中广泛应用的半桥型拓扑结构，采用了一种简单的单极脉宽调制和基于逻辑门的门控脉冲产生方案。此外，由于在每个开关周期内对飞跨电容进行循环充电，所以可选用电容值较低的飞跨电容。现介绍了所提出调制方案的工作原理，并通过仿真试验和对比研究，验证了所提方法和拓扑结构的优越性和有效性。

关键词：飞跨电容型逆变器；光伏发电系统；零漏电流；半桥型拓扑

中图分类号：TM464  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）09-0022-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.007

0    引言

进入21世纪以来，为减少对煤炭等化石能源的依赖，国内外学者在如何开发利用光伏等绿色清洁能源方面开展了大量研究。为了获得更高的应用效率和可靠性，很多研究通过改进逆变器拓扑结构及控制方案来降低光伏并网发电过程中的漏电流[1-3]。漏电流问题主要有两种解决方法，一是通过解耦，二是使用共接地连接。在解耦技术中，导致漏电流循环的共模路径每隔一定时间中断一次，从而在零模期间切断共模路径，然而，这些基于解耦技术的拓扑结构都不能完全抑制漏电流。

接地型（CGT）逆变器因其在降低漏电流方面的有效性得到了学术界和工业界的广泛关注。文献[4]提出可通过虚拟直流总线来降低漏电流，但是作为虚拟直流总线的飞跨电容只能在正半周期内充电，而在负半周期内放电，因此实际应用中需要配置较大的滤波器。近年来，也有学者指出可采用半桥拓扑结构[5]，通过采用调制解调技术和电容电压闭环控制来完全消除漏电流，但同时也提高了元器件投资应用成本和控制方案的复杂度，一定程度上约束了其工业应用范围。

本文提出了一种应用于光伏发电领域可实现零漏电流的三电平逆变器拓扑结构。该逆变器总共需要6个开关器件，其中4个开关使用半桥型拓扑模块实现，该结构中飞跨电容在每个开关周期中完成充电。同时也提出了一种简单的基于逻辑门的脉冲产生方案。最后，通过仿真实验验证了理论分析的正确性和控制方法的有效性及可行性。

1    六开关逆变器拓扑结构

本文提出的并网接地型三电平逆变器如图1（a）所示，从图中可以看出，逆变器由6个开关组成，因此也可以称为六开关逆变器。该逆变器拓扑结构能使光伏阵列输出负极和电网直接连接，可完全消除漏电流。本文提出的六开关逆变器有三种工作模式，即两种有源状态和一种零状态，如图1（b）（c）（d）所示。

（1）正电压：在该状态下，S1和S3处于导通状态，其他开关处于关闭状态，如图1（b）所示，输入电压源连接在产生正电压电平的输出端子上，这种模式下工作的开关器件数量为2个。

（2）零电压：在该状态下，S1、S4、S5开关处于导通状态，其余开关处于关闭状态，如图1（c）所示，输入电压源与飞跨电容串联，通过控制开关S5的导通可以使输出端短路，从而产生零电压电平，这种模式下工作的开关器件数量为4个。

（3）负电压：在该状态下，S2和S4开关处于导通状态，其余开关处于关闭状态，如图1（d）所示，充电后的飞跨电容为负载提供电源。飞跨电容以一种产生负电压电平的方式连接，这种模式下工作的开关器件数量为2个。

以上三种工作模式的交替变化将会导致逆变器输出端产生斩波单极电压，由于六开关逆变器在每次正电压或负电压状态后都处于零电压状态，从而使飞跨电容电压保持了充放平衡，无须任何控制干预。此外，双向开关S5的使用也减少了一个门驱动器数量，间接降低了投资成本。

2    调制方案实现

通过将单个高频载波波形（vcar）与参考正弦信号（vref）进行比较，设计了一种简单的单极脉宽调制方案（PWM）来控制该六开关逆变器，如图2所示。按照开关表中的顺序切换执行并对输出进行比较，推导出相应的门控脉冲。由于6个开关中有3个开关在半个电源周期中只运行一次，从而可获得最小的开关损耗。

3    仿真试验

为了验证所提出的六开关逆变器及其控制方法的有效性，进行了仿真试验。由于该试验主要目的在于验证逆变器的性能，因此在仿真模型中光伏阵列电源由200 V的恒定直流电源代替，开关器件栅极电压为110 V RMS，耦合滤波电感为1.5 mH，飞跨电容为100 μF，电网频率为50 Hz，逆变器开关频率为10 kHz。下面将通过4个试验来验证逆变器拓扑及控制策略的可行性。

试验一（稳态跟踪）：输入电网的参考电流ig，ref设定为幅值10 A、相位与电网电压相同的正弦电流，功率因数为1，如图3（a）所示。可以看出电网电压和输入电流之间的相位角差为零，逆变器输出电流即流入电网的实际电流ig紧紧跟随参考电流变化，其总谐波失真值仅为1.5%。同时，飞跨电容在充放电结束后其电压总能维持在参考值200 V左右。

试验二（阶跃扰动）：输入电网的参考电流ig，ref设定为初始幅值5 A，在t=0.04 s时刻发生阶跃变化增加至10 A运行，如图3（b）所示。可以看出在参考电流发生阶跃扰动后，流入电网的实际电流ig随之发生变化并稳定在新的参考电流值上，没有任何延迟，同时飞跨电容电压也显现了很好的稳态运行精度。

试验三（无功支撑）：为测试该拓扑逆变器支撑电网无功功率需求的能力，设定在初始阶段输入电网的参考电流ig，ref与电网电压vg同相位运行，而在0.04 s时刻参考电流相位改变，滞后于电网电压运行，导致功率因数降低，运行波形如图3（c）所示。可以看出，不论参考电流怎么变化，流入电网的实际电流ig总是能紧密跟随变化，保持很好的动态跟踪性能。

试验四（无功支撑）：该试验与试验三相似，仅是考量输入电网的参考电流ig，ref相位超前電网电压相位运行的变化趋势，如图3（d）所示，也获得了与试验三相同的试验效果。两个试验下，飞跨电容电压均具有很好的稳态精度。

4    结语

本文提出了一种可产生零漏电流的三电平接地型逆变器，即六开关逆变器。六开关逆变器由两个半桥模块和两个分立开关器件组成，在降低拓扑结构硬件设计复杂性的同时，也提高了该光伏逆变器的输出功率密度。此外，由于该拓扑结构具有交流去耦的优点，确保了飞跨电容在充放电过程中的电压平衡。仿真结果验证了所提六开关逆变器的可操作性和有效性，也为光伏并网的工业应用探索了一种新思路。

[参考文献]

[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] 廖志凌，崔晓晨，熊颖杰，等.非隔离光伏并网逆变器漏电流抑制技术研究综述[J].电测与仪表，2015，52（22）：100-107.

[3] 张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] GU Y J，LI W H，ZHAO Y，et al.Transformer less inverter with virtual DC bus concept for cost-effective grid-connected PV power systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（2）：793-805.

[5] 万江，陈铁，郭真红，等.基于单周控制的光伏双频并网逆变器研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（1）：10-13.

收稿日期：2023-01-31

作者简介：蔡亚丁（1995—），男，甘肃人，助理工程师，研究方向：高低压电器产品试验。

通信作者：裴旭东（1990—），男，甘肃人，高级工程师，研究方向：发输变电工程及高电压技术。