一種增強(qiáng)型單相無(wú)變壓器型逆變器的漏電流抑制拓?fù)?/h1>
2016-07-12 07:45:36胡森軍王金華李武華何湘寧曹豐文
電源學(xué)報(bào) 2016年2期
胡森軍，王金華，李武華，何湘寧，曹豐文
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一種增強(qiáng)型單相無(wú)變壓器型逆變器的漏電流抑制拓?fù)?/p>
胡森軍1，王金華1，李武華1，何湘寧1，曹豐文2
（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027；2.蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，蘇州215104）
摘要：無(wú)變壓器型逆變器相比變壓器隔離型逆變器，具有更高的效率和更低的成本，已廣泛應(yīng)用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。由于去除了變壓器隔離，其共模漏電流問題會(huì)進(jìn)一步帶來(lái)嚴(yán)重的EMI和安全問題。針對(duì)上述問題，提出了一種增強(qiáng)型單相無(wú)變壓器型漏電流抑制拓?fù)?。首先，研究了?jīng)典交直流解耦方案中仍然存在的漏電流問題；繼而提出了新的拓?fù)浜拖鄳?yīng)的調(diào)制策略；最后，搭建了2 kW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)提出新拓?fù)涞挠行赃M(jìn)行了驗(yàn)證，并與HERIC逆變器進(jìn)行了對(duì)比分析。
關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；無(wú)變壓器型逆變器；漏電流
引言
隨著傳統(tǒng)化石能源的帶來(lái)的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，光伏發(fā)電被認(rèn)為是解決上述問題的主要新能源之一而受到了廣泛關(guān)注［1-2］。根據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)的調(diào)查［3］，光伏產(chǎn)業(yè)在未來(lái)幾年內(nèi)仍將迅速發(fā)展。
單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)依賴于高可靠性、高效率、低成本、高功率密度的光伏逆變器。傳統(tǒng)變壓器隔離型逆變器效率低、成本高且安裝不便。因此，無(wú)變壓器型逆變器由于其更高的效率、更低的成本得到了廣泛關(guān)注［4］。然而，由于去除了變壓器隔離，在光伏面板側(cè)到電網(wǎng)側(cè)之間產(chǎn)生了共模漏電流，帶來(lái)了嚴(yán)重的EMI及安全問題［5］。對(duì)于單相光伏系統(tǒng)，消除漏電流的主要方法在于保持共模電壓恒定。對(duì)此，學(xué)者們提出了一系列的拓?fù)鋫?cè)的解決方案，總體可分為直流側(cè)解耦方案和交流側(cè)解耦方案兩大類。直流側(cè)解耦主要通過(guò)在直流側(cè)插入解耦單元以提供解耦的續(xù)流回路，如H5、H6拓?fù)洌?-7］；相應(yīng)地，交流側(cè)解耦主要通過(guò)在交流側(cè)插入解耦單元以提供完全解耦的續(xù)流回路，如HERIC，AC-based H6以及它們的衍生拓?fù)洌?-9］。然而，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，由于功率開關(guān)結(jié)電容的存在，無(wú)法做到直流側(cè)和交流側(cè)的完全隔離，從而無(wú)法完全抑制共模電流的產(chǎn)生。
本文首先研究了經(jīng)典交直流解耦方案中存在的漏電流問題。以HERIC和H5為例，分別分析了交流解耦和直流解耦方案中逆變器中輸出電感和開關(guān)管結(jié)電容的諧振現(xiàn)象及由此帶來(lái)的漏電流問題。針對(duì)這一問題，提出了新拓?fù)浜拖鄳?yīng)的調(diào)制策略。最后，搭建了2 kW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)提出新拓?fù)涞挠行赃M(jìn)行了驗(yàn)證，并與HERIC逆變器進(jìn)行了對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了提出拓?fù)淞己玫牟钅Ｌ匦院凸材Ｌ匦浴?/p>
1 經(jīng)典交直流解耦方案中潛在的高頻漏電流問題
HERIC拓?fù)浼捌淅硐肜m(xù)流階段示意如圖1所示。HERIC逆變器作為交流側(cè)解耦方案的典型代表，如圖1（a）所示。在續(xù)流期間，開關(guān)管S1～S4關(guān)斷而S5～S6導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)交直流兩側(cè)的隔離，如圖1（b）。HERIC實(shí)際續(xù)流階段及其等效電路如圖2所示。開關(guān)管的結(jié)電容CS的存在打破了交直流的完全隔離，形成了如圖2（a）所示的漏電流通道。在高頻諧振等效電路中，可以忽略儲(chǔ)能電容Cdc的影響，從而得到簡(jiǎn)化的等效電路圖2（b）。圖2（b）直觀反映了LC諧振的存在。上述LC諧振會(huì)導(dǎo)致共模電壓vCM的高頻變化，從而帶來(lái)新的漏電流問題。同時(shí)，H5逆變器拓?fù)浼捌淅硐肜m(xù)流階段如圖3所示，其作為直流解耦方案的代表如圖3（a）所示。在續(xù)流期間，開關(guān)管S2、S4、S5關(guān)斷而S1、S3導(dǎo)通，理想續(xù)流見圖3（b）。由于開關(guān)管的結(jié)電容CS的存在，可以得到實(shí)際續(xù)流階段的等效電路，如圖4所示。上述LC諧振同樣會(huì)帶來(lái)新的漏電流問題。
圖1 HERIC拓?fù)浼捌淅硐肜m(xù)流階段Fig.1 HERIC topology and its ideal freewheeling stage
圖2 HERIC實(shí)際續(xù)流階段及其等效電路Fig.2 HERIC real freewheeling stage and its equivalent circuit
圖3 H5拓?fù)浼捌淅硐肜m(xù)流階段Fig.3 H5 topology and its ideal freewheeling stage
圖4 H5拓?fù)淅m(xù)流階段等效拓?fù)銯ig.4 Equivalent circuit for H5 during the freewheeling stage
由上述分析可知，在經(jīng)典交直流解耦方案中，仍然存在潛在的漏電流問題。以HERIC拓?fù)錇槔贛atlab/Simulink中進(jìn)行進(jìn)一步的仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)同后續(xù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，見表1，仿真結(jié)果如圖5所示。
上述仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了交直流解耦方案中由開關(guān)管結(jié)電容帶來(lái)的LC諧振造成了新的漏電流問題。如能進(jìn)一步抑制其中的漏電流問題，則對(duì)于輸出EMI濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。
圖5 HERIC逆變器中共模電壓/電流的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the common-mode voltage and leakage current in HERIC inverter
2 混合電壓箝位型新拓?fù)?/h2>
本文提出的新拓?fù)淙鐖D6所示，主要由全橋結(jié)構(gòu)（S1～S4）、混合電壓箝位單元開關(guān)管S5和三相整流橋（D1～D6）、2個(gè)分裂直流側(cè)電容Cdc1和Cdc2以及輸出濾波電感L1和L2構(gòu)成。
相應(yīng)的SPWM調(diào)制策略如圖7所示。圖中，vsin是與電網(wǎng)電壓同頻率同相位的正弦信號(hào)，vtri是三角載波信號(hào)，門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1～S5由vsin和vtri比較得出。在vsin正半周期，S1、S4和S5高頻開關(guān)動(dòng)作，S2和S3一直關(guān)斷。相應(yīng)地，在vsin負(fù)半周期，S2、S3和S5高頻開關(guān)動(dòng)作，S1和S4一直關(guān)斷。這種單極性SPWM調(diào)制相比雙極性調(diào)制，具有更高的直流母線利用率和更低的開關(guān)管電壓應(yīng)力。
圖7 SPWM調(diào)制策略Fig.7 Applied SPWM strategy
根據(jù)前述，此控制策略共有4種運(yùn)行狀態(tài)，如圖8所示。
運(yùn)行狀態(tài)1：開關(guān)S1和S4導(dǎo)通，開關(guān)S2、S3和S5斷開。功率電流流經(jīng)S1，L1，電網(wǎng)vAC，L2和S4。橋臂中點(diǎn)對(duì)地電壓vAN和vBN分別為VDC和0。此時(shí)，共模電壓可計(jì)算為
運(yùn)行狀態(tài)2：只有開關(guān)S5導(dǎo)通以提供電感電流續(xù)流通路，其他開關(guān)管均斷開。功率電流流經(jīng)L1，電網(wǎng)vAC，L2和混合電壓箝位單元。D2和D5將橋臂中點(diǎn)電壓vAN和vBN箝位到直流側(cè)電容中點(diǎn)電壓。此時(shí)，共模電壓可計(jì)算為
運(yùn)行狀態(tài)3：開關(guān)S2和S3導(dǎo)通，開關(guān)S1、S4和S5斷開。功率電流流經(jīng)S3，L2，電網(wǎng)vAC，L1和S2。橋臂中點(diǎn)對(duì)地電壓vAN和vBN分別為0和VDC。此時(shí)，共模電壓可計(jì)算為
運(yùn)行狀態(tài)4：只有開關(guān)S5導(dǎo)通以提供電感電流續(xù)流通路，其他開關(guān)管均斷開。功率電流流經(jīng)L2，電網(wǎng)vAC，L1和混合電壓箝位單元。D3和D4將橋臂中點(diǎn)電壓vAN和vBN箝位到直流側(cè)電容中點(diǎn)電壓。此時(shí)，共模電壓可計(jì)算為
圖8 4種運(yùn)行狀態(tài)Fig.8 Four main operational stages
在上述4個(gè)運(yùn)行狀態(tài)中，運(yùn)行狀態(tài)1和3為直流側(cè)和交流側(cè)的直接能量交換，其共模電壓vCM天然等于直流母線電壓的1/2；運(yùn)行狀態(tài)2和4中為續(xù)流階段，通過(guò)拓?fù)渲械幕旌想妷后槲粏卧?，可以將續(xù)流狀態(tài)下的共模電壓有效箝位到直流母線電壓的1/2，抑制了HERIC拓?fù)渲性瓉?lái)存在的諧振現(xiàn)象，共模漏電流得到了進(jìn)一步消除。同時(shí)，每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下僅有2個(gè)開關(guān)管或者2個(gè)開關(guān)管和2個(gè)二極管導(dǎo)通，可以將導(dǎo)通損耗控制在合理的范圍內(nèi)。
由于開關(guān)管S5和其他開關(guān)均需要設(shè)置死區(qū)，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，由于所有開關(guān)管均未導(dǎo)通，此時(shí)仍存在短暫的諧振現(xiàn)象，但由于死區(qū)時(shí)間非常短，該諧振不會(huì)引入較大的漏電流。
中點(diǎn)電壓平衡在該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)中至關(guān)重要?？紤]到實(shí)驗(yàn)參數(shù)不一致以及拓?fù)浔旧淼墓ぷ魈匦裕斜匾獙?duì)中點(diǎn)電壓進(jìn)行進(jìn)一步分析。在功率傳遞階段，即運(yùn)行狀態(tài)1和3階段。由于2個(gè)電容共同向外出力，開關(guān)S5關(guān)斷，所以這一階段并不會(huì)引起中點(diǎn)電壓的不平衡。在續(xù)流階段，由于開關(guān)管S5導(dǎo)通，交流側(cè)電壓箝位到中點(diǎn)電容電壓，根據(jù)拓?fù)涞膶?duì)稱性，箝位電流在中點(diǎn)線上的周期積分應(yīng)為0，意味著并不會(huì)造成電容中點(diǎn)電壓的不平衡。但是，電容參數(shù)本身的不一致將會(huì)引入天然的中點(diǎn)電壓不平衡?；诖?，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中采用了簡(jiǎn)單的電阻均壓方案來(lái)實(shí)現(xiàn)電容中點(diǎn)電壓的平衡。
表1給出了在不同階段下經(jīng)典HERIC拓?fù)?、H5拓?fù)浜捅疚乃嵬負(fù)涞钠骷?shù)量比較。根據(jù)比較可知，新拓?fù)鋺?yīng)具有與H5拓?fù)漕愃频倪\(yùn)行效率。
表1 不同運(yùn)行階段下拓?fù)溟g的器件數(shù)比較Tab.1 Device number comparison of different operational stages
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了進(jìn)一步驗(yàn)證提出拓?fù)涞挠行裕罱? kW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并與HERIC拓?fù)溥M(jìn)行了比較。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。其中直流母線電壓設(shè)定為400 V，額定功率為2 kW，開關(guān)頻率16 kHz，光伏面板寄生電容值測(cè)量值約100 nF。相關(guān)數(shù)字控制在TMS320 F2808上實(shí)現(xiàn)。
表2 實(shí)驗(yàn)元器件及相應(yīng)參數(shù)Tab.2 Components and parameters
穩(wěn)態(tài)工作中的電容電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示?；谏瞎?jié)對(duì)于電容電壓平衡的分析，由圖可見，采用簡(jiǎn)單的電阻均壓即可較好地實(shí)現(xiàn)電容電壓平衡。
圖9 電容中點(diǎn)電壓波形Fig.9 Waveform of the midpoint capacitor voltage
本文提出拓?fù)渑cHERIC拓?fù)渲g的共模電壓、漏電流的實(shí)驗(yàn)對(duì)比波形如圖10所示。圖10（a）中，HERIC拓?fù)涞墓材ｋ妷涸趲资甐到幾百V之間高頻變化，相應(yīng)導(dǎo)致了高頻漏電流的產(chǎn)生，與第2節(jié)中的仿真結(jié)果一致；在圖10（b）中，共模電壓被穩(wěn)定箝位到直流母線電壓的1/2，漏電流得到了更為有效的抑制，其中漏電流的有效值小于15 mA。
圖10 共模電壓/漏電流的實(shí)驗(yàn)對(duì)比波形Fig.10 Comparison waveforms of common-mode voltages and leakage currents
對(duì)提出拓?fù)渑c經(jīng)典HERIC拓?fù)涞穆╇娏髯隽诉M(jìn)一步的快速傅里葉分析FFT（fast Fourier transform），實(shí)驗(yàn)對(duì)比波形如圖11所示。在HERIC逆變器中，漏電流頻譜中不僅包含基波頻率，還包含開關(guān)頻率及其倍頻分量。但在提出的新拓?fù)淠孀兤髦?，漏電流頻譜中僅包含基波頻率，高頻分量均得到了有效的抑制。
圖11 漏電流FFT的實(shí)驗(yàn)波形對(duì)比Fig.11 FFT Comparison of the leakage current in HERIC and proposed inverter
本文提出拓?fù)涞牟⒕W(wǎng)電壓/電流的實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。其中設(shè)定的功率因素為1，并網(wǎng)電流的總諧波畸變率THD（total harmonic distortion）為2.58%。
圖12 所提拓?fù)涞牟⒕W(wǎng)電壓/電流波形Fig.12 Grid connected voltage/current waveforms of proposed topology
圖13為本文提出逆變器的效率曲線。由于每個(gè)運(yùn)行階段下的開關(guān)數(shù)量較少，其整體效率得到了保證，功率在1 kW時(shí)最大效率達(dá)到97.5%。
圖13 所提拓?fù)涞男是€Fig.13 Efficiency curve of proposed inverter
4 結(jié)語(yǔ)
本文提出了一種增強(qiáng)型單相無(wú)變壓器型逆變器的漏電流抑制拓?fù)洹Ｍㄟ^(guò)在全橋拓?fù)渲性黾踊旌想妷后槲粏卧?，能進(jìn)一步抑制經(jīng)典交直流解耦方案續(xù)流諧振所產(chǎn)生的漏電流。提出拓?fù)涞牟钅Ｌ匦院凸材Ｌ匦跃趯?shí)驗(yàn)平臺(tái)上與HERIC逆變器進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的增強(qiáng)型單相無(wú)變壓器漏電流抑制拓?fù)渚哂酗@著的漏電流抑制能力和較高的效率，更適用于單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。
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胡森軍
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中圖分類號(hào)：TM 46
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
收稿日期：2015-01-08
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51361130150，51377112）Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51361130150，51377112）
作者簡(jiǎn)介：
胡森軍（1992-），男，碩士研究生，研究方向：光伏并網(wǎng)應(yīng)用研究，E-mail：husen jun@zju.edu.cn。
王金華（1992-），女，碩士研究生，研究方向：直流微網(wǎng)運(yùn)行控制，E-mail：wangj inhua@zju.edu.cn。
李武華（1979-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：新能源電力變換技術(shù)研究，E-mail：woohualee@zju.edu.cn。
何湘寧（1961-），男，博士，教授，研究方向：電力電子技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用，E-mail：hxn@zju.edu.cn。
曹豐文（1958-），男，博士，教授，研究方向：電力電子技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用，E-mail：cfw@jssvc.edu.cn。
胡森軍，王金華，李武華，何湘寧，曹豐文
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一種增強(qiáng)型單相無(wú)變壓器型逆變器的漏電流抑制拓?fù)?/p>
胡森軍1，王金華1，李武華1，何湘寧1，曹豐文2
（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027；2.蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，蘇州215104）
摘要：無(wú)變壓器型逆變器相比變壓器隔離型逆變器，具有更高的效率和更低的成本，已廣泛應(yīng)用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。由于去除了變壓器隔離，其共模漏電流問題會(huì)進(jìn)一步帶來(lái)嚴(yán)重的EMI和安全問題。針對(duì)上述問題，提出了一種增強(qiáng)型單相無(wú)變壓器型漏電流抑制拓?fù)?。首先，研究了?jīng)典交直流解耦方案中仍然存在的漏電流問題；繼而提出了新的拓?fù)浜拖鄳?yīng)的調(diào)制策略；最后，搭建了2 kW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)提出新拓?fù)涞挠行赃M(jìn)行了驗(yàn)證，并與HERIC逆變器進(jìn)行了對(duì)比分析。
關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；無(wú)變壓器型逆變器；漏電流
引言
隨著傳統(tǒng)化石能源的帶來(lái)的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，光伏發(fā)電被認(rèn)為是解決上述問題的主要新能源之一而受到了廣泛關(guān)注［1-2］。根據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)的調(diào)查［3］，光伏產(chǎn)業(yè)在未來(lái)幾年內(nèi)仍將迅速發(fā)展。
單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)依賴于高可靠性、高效率、低成本、高功率密度的光伏逆變器。傳統(tǒng)變壓器隔離型逆變器效率低、成本高且安裝不便。因此，無(wú)變壓器型逆變器由于其更高的效率、更低的成本得到了廣泛關(guān)注［4］。然而，由于去除了變壓器隔離，在光伏面板側(cè)到電網(wǎng)側(cè)之間產(chǎn)生了共模漏電流，帶來(lái)了嚴(yán)重的EMI及安全問題［5］。對(duì)于單相光伏系統(tǒng)，消除漏電流的主要方法在于保持共模電壓恒定。對(duì)此，學(xué)者們提出了一系列的拓?fù)鋫?cè)的解決方案，總體可分為直流側(cè)解耦方案和交流側(cè)解耦方案兩大類。直流側(cè)解耦主要通過(guò)在直流側(cè)插入解耦單元以提供解耦的續(xù)流回路，如H5、H6拓?fù)洌?-7］；相應(yīng)地，交流側(cè)解耦主要通過(guò)在交流側(cè)插入解耦單元以提供完全解耦的續(xù)流回路，如HERIC，AC-based H6以及它們的衍生拓?fù)洌?-9］。然而，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，由于功率開關(guān)結(jié)電容的存在，無(wú)法做到直流側(cè)和交流側(cè)的完全隔離，從而無(wú)法完全抑制共模電流的產(chǎn)生。
本文首先研究了經(jīng)典交直流解耦方案中存在的漏電流問題。以HERIC和H5為例，分別分析了交流解耦和直流解耦方案中逆變器中輸出電感和開關(guān)管結(jié)電容的諧振現(xiàn)象及由此帶來(lái)的漏電流問題。針對(duì)這一問題，提出了新拓?fù)浜拖鄳?yīng)的調(diào)制策略。最后，搭建了2 kW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)提出新拓?fù)涞挠行赃M(jìn)行了驗(yàn)證，并與HERIC逆變器進(jìn)行了對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了提出拓?fù)淞己玫牟钅Ｌ匦院凸材Ｌ匦浴?/p>
1 經(jīng)典交直流解耦方案中潛在的高頻漏電流問題
HERIC拓?fù)浼捌淅硐肜m(xù)流階段示意如圖1所示。HERIC逆變器作為交流側(cè)解耦方案的典型代表，如圖1（a）所示。在續(xù)流期間，開關(guān)管S1～S4關(guān)斷而S5～S6導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)交直流兩側(cè)的隔離，如圖1（b）。HERIC實(shí)際續(xù)流階段及其等效電路如圖2所示。開關(guān)管的結(jié)電容CS的存在打破了交直流的完全隔離，形成了如圖2（a）所示的漏電流通道。在高頻諧振等效電路中，可以忽略儲(chǔ)能電容Cdc的影響，從而得到簡(jiǎn)化的等效電路圖2（b）。圖2（b）直觀反映了LC諧振的存在。上述LC諧振會(huì)導(dǎo)致共模電壓vCM的高頻變化，從而帶來(lái)新的漏電流問題。同時(shí)，H5逆變器拓?fù)浼捌淅硐肜m(xù)流階段如圖3所示，其作為直流解耦方案的代表如圖3（a）所示。在續(xù)流期間，開關(guān)管S2、S4、S5關(guān)斷而S1、S3導(dǎo)通，理想續(xù)流見圖3（b）。由于開關(guān)管的結(jié)電容CS的存在，可以得到實(shí)際續(xù)流階段的等效電路，如圖4所示。上述LC諧振同樣會(huì)帶來(lái)新的漏電流問題。
圖1 HERIC拓?fù)浼捌淅硐肜m(xù)流階段Fig.1 HERIC topology and its ideal freewheeling stage
圖2 HERIC實(shí)際續(xù)流階段及其等效電路Fig.2 HERIC real freewheeling stage and its equivalent circuit
圖3 H5拓?fù)浼捌淅硐肜m(xù)流階段Fig.3 H5 topology and its ideal freewheeling stage
圖4 H5拓?fù)淅m(xù)流階段等效拓?fù)銯ig.4 Equivalent circuit for H5 during the freewheeling stage
由上述分析可知，在經(jīng)典交直流解耦方案中，仍然存在潛在的漏電流問題。以HERIC拓?fù)錇槔贛atlab/Simulink中進(jìn)行進(jìn)一步的仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)同后續(xù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，見表1，仿真結(jié)果如圖5所示。
上述仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了交直流解耦方案中由開關(guān)管結(jié)電容帶來(lái)的LC諧振造成了新的漏電流問題。如能進(jìn)一步抑制其中的漏電流問題，則對(duì)于輸出EMI濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。
圖5 HERIC逆變器中共模電壓/電流的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the common-mode voltage and leakage current in HERIC inverter
2 混合電壓箝位型新拓?fù)?/h2>
本文提出的新拓?fù)淙鐖D6所示，主要由全橋結(jié)構(gòu)（S1～S4）、混合電壓箝位單元開關(guān)管S5和三相整流橋（D1～D6）、2個(gè)分裂直流側(cè)電容Cdc1和Cdc2以及輸出濾波電感L1和L2構(gòu)成。
相應(yīng)的SPWM調(diào)制策略如圖7所示。圖中，vsin是與電網(wǎng)電壓同頻率同相位的正弦信號(hào)，vtri是三角載波信號(hào)，門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1～S5由vsin和vtri比較得出。在vsin正半周期，S1、S4和S5高頻開關(guān)動(dòng)作，S2和S3一直關(guān)斷。相應(yīng)地，在vsin負(fù)半周期，S2、S3和S5高頻開關(guān)動(dòng)作，S1和S4一直關(guān)斷。這種單極性SPWM調(diào)制相比雙極性調(diào)制，具有更高的直流母線利用率和更低的開關(guān)管電壓應(yīng)力。
圖7 SPWM調(diào)制策略Fig.7 Applied SPWM strategy
根據(jù)前述，此控制策略共有4種運(yùn)行狀態(tài)，如圖8所示。
運(yùn)行狀態(tài)1：開關(guān)S1和S4導(dǎo)通，開關(guān)S2、S3和S5斷開。功率電流流經(jīng)S1，L1，電網(wǎng)vAC，L2和S4。橋臂中點(diǎn)對(duì)地電壓vAN和vBN分別為VDC和0。此時(shí)，共模電壓可計(jì)算為
運(yùn)行狀態(tài)2：只有開關(guān)S5導(dǎo)通以提供電感電流續(xù)流通路，其他開關(guān)管均斷開。功率電流流經(jīng)L1，電網(wǎng)vAC，L2和混合電壓箝位單元。D2和D5將橋臂中點(diǎn)電壓vAN和vBN箝位到直流側(cè)電容中點(diǎn)電壓。此時(shí)，共模電壓可計(jì)算為
運(yùn)行狀態(tài)3：開關(guān)S2和S3導(dǎo)通，開關(guān)S1、S4和S5斷開。功率電流流經(jīng)S3，L2，電網(wǎng)vAC，L1和S2。橋臂中點(diǎn)對(duì)地電壓vAN和vBN分別為0和VDC。此時(shí)，共模電壓可計(jì)算為
運(yùn)行狀態(tài)4：只有開關(guān)S5導(dǎo)通以提供電感電流續(xù)流通路，其他開關(guān)管均斷開。功率電流流經(jīng)L2，電網(wǎng)vAC，L1和混合電壓箝位單元。D3和D4將橋臂中點(diǎn)電壓vAN和vBN箝位到直流側(cè)電容中點(diǎn)電壓。此時(shí)，共模電壓可計(jì)算為
圖8 4種運(yùn)行狀態(tài)Fig.8 Four main operational stages
在上述4個(gè)運(yùn)行狀態(tài)中，運(yùn)行狀態(tài)1和3為直流側(cè)和交流側(cè)的直接能量交換，其共模電壓vCM天然等于直流母線電壓的1/2；運(yùn)行狀態(tài)2和4中為續(xù)流階段，通過(guò)拓?fù)渲械幕旌想妷后槲粏卧?，可以將續(xù)流狀態(tài)下的共模電壓有效箝位到直流母線電壓的1/2，抑制了HERIC拓?fù)渲性瓉?lái)存在的諧振現(xiàn)象，共模漏電流得到了進(jìn)一步消除。同時(shí)，每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下僅有2個(gè)開關(guān)管或者2個(gè)開關(guān)管和2個(gè)二極管導(dǎo)通，可以將導(dǎo)通損耗控制在合理的范圍內(nèi)。
由于開關(guān)管S5和其他開關(guān)均需要設(shè)置死區(qū)，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，由于所有開關(guān)管均未導(dǎo)通，此時(shí)仍存在短暫的諧振現(xiàn)象，但由于死區(qū)時(shí)間非常短，該諧振不會(huì)引入較大的漏電流。
中點(diǎn)電壓平衡在該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)中至關(guān)重要?？紤]到實(shí)驗(yàn)參數(shù)不一致以及拓?fù)浔旧淼墓ぷ魈匦裕斜匾獙?duì)中點(diǎn)電壓進(jìn)行進(jìn)一步分析。在功率傳遞階段，即運(yùn)行狀態(tài)1和3階段。由于2個(gè)電容共同向外出力，開關(guān)S5關(guān)斷，所以這一階段并不會(huì)引起中點(diǎn)電壓的不平衡。在續(xù)流階段，由于開關(guān)管S5導(dǎo)通，交流側(cè)電壓箝位到中點(diǎn)電容電壓，根據(jù)拓?fù)涞膶?duì)稱性，箝位電流在中點(diǎn)線上的周期積分應(yīng)為0，意味著并不會(huì)造成電容中點(diǎn)電壓的不平衡。但是，電容參數(shù)本身的不一致將會(huì)引入天然的中點(diǎn)電壓不平衡?；诖?，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中采用了簡(jiǎn)單的電阻均壓方案來(lái)實(shí)現(xiàn)電容中點(diǎn)電壓的平衡。
表1給出了在不同階段下經(jīng)典HERIC拓?fù)?、H5拓?fù)浜捅疚乃嵬負(fù)涞钠骷?shù)量比較。根據(jù)比較可知，新拓?fù)鋺?yīng)具有與H5拓?fù)漕愃频倪\(yùn)行效率。
表1 不同運(yùn)行階段下拓?fù)溟g的器件數(shù)比較Tab.1 Device number comparison of different operational stages
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了進(jìn)一步驗(yàn)證提出拓?fù)涞挠行裕罱? kW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并與HERIC拓?fù)溥M(jìn)行了比較。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。其中直流母線電壓設(shè)定為400 V，額定功率為2 kW，開關(guān)頻率16 kHz，光伏面板寄生電容值測(cè)量值約100 nF。相關(guān)數(shù)字控制在TMS320 F2808上實(shí)現(xiàn)。
表2 實(shí)驗(yàn)元器件及相應(yīng)參數(shù)Tab.2 Components and parameters
穩(wěn)態(tài)工作中的電容電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示?；谏瞎?jié)對(duì)于電容電壓平衡的分析，由圖可見，采用簡(jiǎn)單的電阻均壓即可較好地實(shí)現(xiàn)電容電壓平衡。
圖9 電容中點(diǎn)電壓波形Fig.9 Waveform of the midpoint capacitor voltage
本文提出拓?fù)渑cHERIC拓?fù)渲g的共模電壓、漏電流的實(shí)驗(yàn)對(duì)比波形如圖10所示。圖10（a）中，HERIC拓?fù)涞墓材ｋ妷涸趲资甐到幾百V之間高頻變化，相應(yīng)導(dǎo)致了高頻漏電流的產(chǎn)生，與第2節(jié)中的仿真結(jié)果一致；在圖10（b）中，共模電壓被穩(wěn)定箝位到直流母線電壓的1/2，漏電流得到了更為有效的抑制，其中漏電流的有效值小于15 mA。
圖10 共模電壓/漏電流的實(shí)驗(yàn)對(duì)比波形Fig.10 Comparison waveforms of common-mode voltages and leakage currents
對(duì)提出拓?fù)渑c經(jīng)典HERIC拓?fù)涞穆╇娏髯隽诉M(jìn)一步的快速傅里葉分析FFT（fast Fourier transform），實(shí)驗(yàn)對(duì)比波形如圖11所示。在HERIC逆變器中，漏電流頻譜中不僅包含基波頻率，還包含開關(guān)頻率及其倍頻分量。但在提出的新拓?fù)淠孀兤髦?，漏電流頻譜中僅包含基波頻率，高頻分量均得到了有效的抑制。
圖11 漏電流FFT的實(shí)驗(yàn)波形對(duì)比Fig.11 FFT Comparison of the leakage current in HERIC and proposed inverter
本文提出拓?fù)涞牟⒕W(wǎng)電壓/電流的實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。其中設(shè)定的功率因素為1，并網(wǎng)電流的總諧波畸變率THD（total harmonic distortion）為2.58%。
圖12 所提拓?fù)涞牟⒕W(wǎng)電壓/電流波形Fig.12 Grid connected voltage/current waveforms of proposed topology
圖13為本文提出逆變器的效率曲線。由于每個(gè)運(yùn)行階段下的開關(guān)數(shù)量較少，其整體效率得到了保證，功率在1 kW時(shí)最大效率達(dá)到97.5%。
圖13 所提拓?fù)涞男是€Fig.13 Efficiency curve of proposed inverter
4 結(jié)語(yǔ)
本文提出了一種增強(qiáng)型單相無(wú)變壓器型逆變器的漏電流抑制拓?fù)洹Ｍㄟ^(guò)在全橋拓?fù)渲性黾踊旌想妷后槲粏卧?，能進(jìn)一步抑制經(jīng)典交直流解耦方案續(xù)流諧振所產(chǎn)生的漏電流。提出拓?fù)涞牟钅Ｌ匦院凸材Ｌ匦跃趯?shí)驗(yàn)平臺(tái)上與HERIC逆變器進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的增強(qiáng)型單相無(wú)變壓器漏電流抑制拓?fù)渚哂酗@著的漏電流抑制能力和較高的效率，更適用于單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。
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胡森軍
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中圖分類號(hào)：TM 46
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
收稿日期：2015-01-08
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51361130150，51377112）Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51361130150，51377112）
作者簡(jiǎn)介：
胡森軍（1992-），男，碩士研究生，研究方向：光伏并網(wǎng)應(yīng)用研究，E-mail：husen jun@zju.edu.cn。
王金華（1992-），女，碩士研究生，研究方向：直流微網(wǎng)運(yùn)行控制，E-mail：wangj inhua@zju.edu.cn。
李武華（1979-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：新能源電力變換技術(shù)研究，E-mail：woohualee@zju.edu.cn。
何湘寧（1961-），男，博士，教授，研究方向：電力電子技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用，E-mail：hxn@zju.edu.cn。
曹豐文（1958-），男，博士，教授，研究方向：電力電子技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用，E-mail：cfw@jssvc.edu.cn。
