新型无漏电流单相非隔离光伏并网逆变器

摘 要：针对非隔离光伏并网系统中存在的漏电流问题，提出了一种新型两级并网逆变器。该单相无变压器逆变器的拓扑结构由一种新型前级交错升降压变换器和半桥逆变器组成。新的两级紧凑型逆变器结构，在第一级采用高增益交错升压转换器的设计，可提高直流输入电压；在第二级采用半桥逆变器来实现共地技术，消除漏电流，并将系统的DC/AC集成提供给电网。文中还搭建了基于MATLAB/SimuLink软件的仿真模型，仿真结果表明：与传统拓扑结构相比，所提出的逆变器不仅具备紧凑且集成度高的单级设计，还通过两级操作模式，实现了漏电流的有效消除，同时获得了更高的升压增益。

关键词：单相非隔离；漏电流；共地型逆变器；共模电压；并网；MATLAB/SimuLink

中图分类号：TP39；TM464 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）01-0-03

0 引 言

在过去数年间，鉴于对气候变化加剧，油价上涨以及使用化石燃料（如煤炭、天然气和石油）等由不可再生能源所引发的全球变暖问题的担忧，替代能源技术的发展速度显著加快。在众多可再生能源中，太阳能光伏（PV）系统是最环保、最容易搭建且最常用的技术之一。得益于材料工艺和制造工艺的不断进步，光伏系统的成本不断降低，已经成为广泛部署的首选能源方案[1]。

逆变器作为太阳能光伏发电系统中的核心组件，对整个系统的成本效益、使用寿命以及效率表现起着决定性作用。隔离型逆变器通过在直流侧和交流侧之间引入变压器实现了电气隔离。变压器的引入虽然提供了较高的安全性能，但同时增加了设备的体积和成本，已经无法满足市场对高效率和低成本技术的需求。相比之下，非隔离型逆变器凭借其高效率、小体积和轻重量的优势，逐渐受到新能源市场的青睐。在非隔离型逆变器中，由于去除了变压器，光伏发电系统可能面临漏电流问题[2-3]。因此，研究如何抑制或消除漏电流成为非隔离型逆变器领域的研究重点之一。

目前被广泛采用的拓扑结构包括文献[4]中提出的H5拓扑、文献[5]中提出的HERIC拓扑及其改进HERIC拓扑结构[6-7]。这些拓扑通过隔离直流侧与交流测来消除漏电流，但受限于开关管的实际结构，漏电流无法被完全消除。有学者提出采用中点钳位结构来消除漏电流，但此方法同样无法实现漏电流的完全消除，还会因为器件的增多造成成本的提高和效率的降低。

共地型拓扑结构是近年来提出的一种能够彻底消除漏电流的拓扑结构。文献[8]所提出的逆变电路将Boost电路与开关电容结构相结合，具备升压功能。然而，其缺陷在于仅支持双极性调制，导致并网电流波形质量较差，且大量无功交换降低了逆变电路的效率。文献[9]提出了两电平共地型拓扑，但存在输出谐波含量较多的问题。

为解决上述问题，本文提出了一种单相无变压器逆变器拓扑结构，该结构由一种新型的前端交错升降压变换器和半桥逆变器组成。在并网过程中，该结构将光伏电池负端直接连接到电网中性点，相当于将光伏电池的寄生电容短路，从而有效地解决漏电流问题。

1 逆变器拓扑结构和模态分析

1.1 逆变器拓扑结构

本文所提出的两级逆变器拓扑的示意图如图1所示。其拓扑结构由新型前级 DC-DC 电路和传统半桥逆变器组成。其中新型前级结构包含 1个开关管、2个二极管、2个电感和 3个电容。

1.2 模态分析

对本文所提出的逆变器前级的工作原理进行分析。逆变器前级运行模态如图2所示。

模态一：如图2（a）所示，在此模态下，开关管 S1接通，输入电压 Vin经开关S1向电感L1上储能，电感 L1的电流IL1上升。输入电压Vin和电容 C1共同经电感 L2向负载供电。根据基尔霍夫定律，可得到该模态下的电压、电流回路方程，见式（1）：

（1）

式中：VL1、VL2和VC1分别表示电感 L1和L2以及电容 C1上的电压；Vin为输入电压，VCo1为输出电压；IC1和IL2 分别是电容 C1和电感 L2的电流。

模态二：如图2（b）所示，在此模态下，开关管 S1断开，电感 L1经二极管D1给电容 C1充电，同时，给负载CO2供电。电感L2经二极管D1给负载CO1供电。可得到该模态下的电压、电流回路方程，见式（2）：

（2）

式中：VCO2为输出电压；IL1是电感 L1的电流。

2 漏电流和输出电压特性

2.1 漏电流分析

在本文所提出的新型拓扑构成的光伏系统中，逆变器的中性点将光伏阵列负极连接到电网接地，使用共地方法可以使电网接地和光伏阵列之间的漏电流没有迁移路径，因此泄漏电流被消除[10-11]。

共模电压VCM和差模电压VDM的计算公式见式（3）与式（4）：

（3）

（4）

总共模电压的计算公式见式（5）：

（5）

式中：节点A是由开关管S2和S3串联连接的中点；节点B则是由分压电容CO1和CO2串联连接的中点；N则是公共参考点。

当 S2导通时，VAN=Vz，VBN=0，此时：

（6）

当 S3导通时，VAN=0，VBN= Vn，此时：

（7）

由上述分析可知，新型拓扑与逆变器构成的光伏系统在逆变器运行过程中，共模电压始终为0，共模电流也为0。因此，本文所提出的新型拓扑构成的逆变器系统能够解决漏电流问题。

2.2 输出电压特性

由于开关频率较高，两个电容器的电压纹波可以忽略不计。因此，假设电容器两端的电压是恒定的。由于理想电感器两端的平均电压为0，因此本文所提出的转换器的电感器上的电源可以分为接通和断开状态，表达式见式（8）：

（8）

根据式（1）和式（2），通过对电感L1和L2应用伏秒平衡原理，可分别对输出电压VCO1和VCO2进行计算，计算公式见式（9）与式（10）：

（9）

（10）

所提出的新型变换器的输出电压增益的计算公式见式（11）：

（11）

式中：D表示开关管 S1的占空比，其取值范围为 0 ≤ D lt; 1。

由式（11）可以得知，此时的电压增益为输入电压的 2D/（1-D）倍，使系统在宽输入电压范围内能够实现升降压的功能，能够适应不同串并联组合的光伏电池并网，从而提高了系统的灵活性。

3 仿真分析

为验证拓扑的正确性，本文采用单极性调制对该拓扑进行相应的并网升降压，电路参数见表1。

由图4可发现，共模电压的仿真结果同前文的相应分析结论一致，共模电压为0，逆变器的漏电流为0，证明了本文所提出的拓扑结构具备消除漏电流的能力。

利用MATLAB/SimuLink软件对并网电流进行总谐波失真（THD）分析，分析结果如图5所示，能够满足GB/T 30427—2013标准规定的并网电流总谐波小于5%的要求。

通过仿真实验证明，并网电网电流能够保持较高的电能质量，实现有效的并网。

4 结 语

本文提出了一种用于光伏并网系统的新型两级单相无变压器逆变器拓扑结构。分析了逆变器前级新型 DC/DC 变换器的工作原理和模态。研究了新型拓扑结构的无漏电流内在机理，分析了其输出电压特性。与传统拓扑结构相比，本文所提出的新型拓扑结构有以下优点：具有较高电压增益；使用功率半导体器件的数量减少；光伏电池的负端直接连接到电网的中性点，可以彻底消除漏电流。

参考文献

[1] ALTIN N， OZDEMIR S， KOMURCUGIL H， et al. Two-stage grid-connected inverter for PVsystems [C]// IEEE 12th International Conference on Compatibility， Power Electronics and Power Engineering. Doha： IEEE， 2018.

[2] WU W， BLAABJERG F. Aalborg inverter-a new type of “Buck in Buck， Boost in Boost” grid-tied inverter[J]. IEEE transactions on power electronics， 2015， 30（9）： 4784-4793.

[3] ROOHOLAHI B. A new transformerless single-phase eleven-level inverter with reduction of witches based on model predictive control method [C]//2020 2nd Global Power， Energy and Communication Conference. Izmir， Turkey： IEEE， 2020： 102-107.

[4] SIWAKOTI Y P， BLAABJERG F. H-bridge transformerless inverter with common ground for single- phase solar-photovoltaic system [C]// 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.[S.l.]： IEEE， 2017： 2610-2614.

[5] DAS A， SHEEJA G. Photovoltaic H6-type transformerless inverter topology [C]// IEEE Second International Conference on Electrical.[S.l.]： IEEE， 2017： 1-5.

[6] 王海娜. 一种新型H5拓扑非隔离光伏并网逆变器研究[J].电力电子技术，2018（10）：112-114.

[7] ISLAM M， MEKHILEF S， ALBATSH F M. An improved transformerless grid connected photovoltaic inverter with common mode leakage current elimination [C]// IEEE International Conference on Power Electronics. [S.l.]： IEEE， 2014： 1-6.

[8] VÁZQUEZ N， VÁZQUEZ J， VÁQUERO J， et al. Integrating two stages as a common-mode transformerless photovoltaic converter[J].IEEE transactions on industrial electronics， 2017， 64（9）： 7498-7507.

[9] ARDASHIR J F， SABAHI M， HOSSEINI S H， et al. A single-phase transformerless inverter with charge pump circuit concept for grid-tied PV applications [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2017， 64（7）： 5403-5415.

[10]袁义生，胡根连，毛凯翔，等. 两级式逆变器前级电路两种控制下的损耗分析[J]. 电力电子技术，2018，52（8）：86-89.

[11]曹晨晨，廖志凌. 共地型无漏电流单相非隔离光伏并网逆变器[J]. 中国电机工程学报，2020，40（4）：1063-1072.