馬海嘯， 邵鵬程， 蘭摘星

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

光伏發(fā)電是未來世界電力來源的主要手段之一，也是國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分[1-3]。一般的光伏發(fā)電系統(tǒng)配備工頻或高頻變壓器以達(dá)到功率調(diào)節(jié)和電氣隔離的目的，但其體積大、成本高、效率低等缺點(diǎn)不可避免，而非隔離型光伏逆變器解決了這些問題，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[4-7]。由于缺乏變壓器的電氣隔離作用，逆變系統(tǒng)的共模電壓作用在光伏板與大地之間形成的寄生電容上，產(chǎn)生漏電流[8-9]。漏電流會(huì)帶來電磁干擾，引起并網(wǎng)電流畸變，影響設(shè)備壽命和人身安全[10-11]。德國(guó)VDE 0126-1-1標(biāo)準(zhǔn)要求光伏系統(tǒng)的漏電流不得高于300 mA，否則必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷[12]。

為了解決漏電流問題，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了許多富有見地的非隔離型三相逆變器拓?fù)浜驼{(diào)制方法。文獻(xiàn)[13]提出了一種H7型三相逆變器，雖然它能在一定程度上減小漏電流，但該拓?fù)涞墓材ｋ妷鹤兓秶匀惠^大，導(dǎo)致其漏電流抑制效果較差。文獻(xiàn)[14]提出了一種H8拓?fù)?，?dāng)逆變器處于續(xù)流模態(tài)時(shí)，通過兩個(gè)直流母線隔離開關(guān)的作用使逆變器直流側(cè)與電網(wǎng)側(cè)斷開，有效降低了漏電流。但是，由于開關(guān)結(jié)電容值很小，續(xù)流模態(tài)下的共模電壓會(huì)產(chǎn)生振蕩，降低了漏電流抑制能力。文獻(xiàn)[15]提出了一種三相四橋臂逆變器拓?fù)?，采用特定的調(diào)制方式，該拓?fù)淇梢詼p小漏電流和系統(tǒng)差模失真，但其調(diào)制指數(shù)有限。文獻(xiàn)[16]提出了一種兩級(jí)三相光伏逆變器拓?fù)洌M管它可以減少漏電流，但其具有大量的二極管和功率開關(guān)，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗大大增加，系統(tǒng)效率下降。文獻(xiàn)[17]提出了一種改進(jìn)調(diào)制算法，它通過合成3個(gè)偶矢量或奇矢量來得到恒定的共模電壓。該方法雖然消除了漏電流，但系統(tǒng)調(diào)制度范圍減小，開關(guān)管電壓應(yīng)力提高。文獻(xiàn)[18]提出了另一種H8拓?fù)?，它利用兩個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)了鉗位作用，使得共模電壓脈動(dòng)減小，抑制了漏電流，但其控制方法繁瑣，計(jì)算量大。文獻(xiàn)[19]提出一種FB10拓?fù)?，并配合合理的調(diào)制策略有效抑制了漏電流。但該電路需要兩個(gè)獨(dú)立的直流輸入源，每個(gè)直流源只在部分工作模態(tài)下工作，電源利用率低。

本文提出正、反向鉗位兩種三相逆變器拓?fù)浜鸵环N同時(shí)適用于二者的通用型控制策略，并分析它們的工作原理，有效減小系統(tǒng)漏電流，最后對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 正、反向鉗位H10工作原理

正、反向鉗位H10三相逆變器拓?fù)涞脑韴D分別如圖1(a)和1(b)所示。其中：Ud、CPV分別為直流輸入電壓和寄生電容；S1～S6為橋臂開關(guān)；S7和S8為直流母線隔離開關(guān)；S9和S10為鉗位開關(guān)；Cdc1、Cdc2和Cdc3為3個(gè)等值的直流分壓電容；L和C組成三相濾波網(wǎng)絡(luò)。

圖1 提出的H10拓?fù)?/p>

系統(tǒng)共模電壓定義為[13]

Ucm=(UAQ+UBQ+UCQ)/3。

(1)

其中：UAQ、UBQ和UCQ分別為點(diǎn)A、B、C相對(duì)于Q點(diǎn)的電壓；Ucm為共模電壓。由于光伏組件的主體局部接地，光伏板和地面之間存在寄生電容CPV，它與共模電壓、大地一起組成了逆變器的共模回路，為漏電流的流通創(chuàng)造了條件。為了減小漏電流，降低共模電壓變化范圍和增大共?；芈纷杩苟际强尚械姆椒?，這也是本文的中心思想。

由圖1和式(1)可知開關(guān)狀態(tài)決定共模電壓的大小。開關(guān)狀態(tài)定義如下：對(duì)于A相橋臂開關(guān)S1和S4，“1”表示S1導(dǎo)通，S4關(guān)斷，“0”表示S1關(guān)斷，S4導(dǎo)通；對(duì)于B相橋臂開關(guān)S3和S6，“1”表示S3導(dǎo)通，S6關(guān)斷，“0”表示S3關(guān)斷，S6導(dǎo)通；對(duì)于C相橋臂開關(guān)S5和S2，“1”表示S5導(dǎo)通，S2關(guān)斷，“0”表示S5關(guān)斷，S2導(dǎo)通；對(duì)于開關(guān)S7、S8、S9和S10，“1”表示對(duì)應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通，“0”表示對(duì)應(yīng)的開關(guān)關(guān)斷。例如，當(dāng)開關(guān)S1、S6、S2、S7和S8導(dǎo)通，其余開關(guān)關(guān)斷時(shí)，開關(guān)狀態(tài)記為M1(1001100)。采用提出的調(diào)制策略，逆變器共有8種開關(guān)狀態(tài)，如表1所示。

表1 開關(guān)狀態(tài)與共模電壓

開關(guān)狀態(tài)M1～M6為傳統(tǒng)工作狀態(tài)，在這些狀態(tài)下，正、反向鉗位兩種拓?fù)涞墓ぷ髟硐嗤?。以開關(guān)狀態(tài)M2(1101100)為例：上橋臂開關(guān)S1和S3導(dǎo)通，S5關(guān)斷，下橋臂開關(guān)S4和S6關(guān)斷，S2導(dǎo)通，隔離開關(guān)S7和S8都導(dǎo)通，鉗位開關(guān)S9和S10都關(guān)斷。此時(shí)UAQ=UBQ=Ud，UCQ=0，共模電壓Ucm=2Ud/3。兩種鉗位拓?fù)湓陂_關(guān)狀態(tài)M2下的電流回路分別如圖2(a)和2(b)所示，其余傳統(tǒng)工作狀態(tài)與之類似。

開關(guān)狀態(tài)M7和M8為鉗位工作狀態(tài)，在這些狀態(tài)下，正、反向鉗位兩種拓?fù)涞墓ぷ髟碛兴町悺?/p>

以開關(guān)狀態(tài)M7(1110010)為例，上橋臂3個(gè)開關(guān)均導(dǎo)通，下橋臂3個(gè)開關(guān)均關(guān)斷，隔離開關(guān)S7和S8均關(guān)斷，鉗位開關(guān)S9導(dǎo)通，S10關(guān)斷，逆變器處于續(xù)流模態(tài)。通常來說，開關(guān)狀態(tài)M7的前一狀態(tài)為上橋臂3個(gè)開關(guān)中有兩個(gè)導(dǎo)通，下橋臂有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，這里以開關(guān)狀態(tài)M2進(jìn)入開關(guān)狀態(tài)M7為例進(jìn)行說明，其他情況類似。對(duì)于正向鉗位拓?fù)洌琔AQ=UBQ=UCQ=2Ud/3，共模電壓Ucm=2Ud/3；對(duì)于反向鉗位拓?fù)洌琔AQ=UBQ=UCQ=Ud/3，共模電壓Ucm=Ud/3。兩種鉗位拓?fù)湓陂_關(guān)狀態(tài)M7下的電流回路分別如圖2(c)和2(d)所示，開關(guān)狀態(tài)M8與之類似。

圖2 電流回路示意圖

2 控制策略

基于表1中系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)與共模電壓的邏輯關(guān)系，本文提出一種正弦脈沖寬度調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)和邏輯控制相結(jié)合的調(diào)制策略，如圖3所示。

該方法不需要繁瑣的計(jì)算，易于實(shí)現(xiàn)，且同時(shí)適用于正、反向鉗位兩種拓?fù)?。圖3中：ura、urb和urc為三路相位互差120°的正弦調(diào)制波；uc為三角載波。將它們進(jìn)行比較，當(dāng)正弦調(diào)制波的幅值大于三角載波的幅值時(shí)輸出1，小于載波時(shí)輸出0，從而得到數(shù)字邏輯模塊的輸入信號(hào)X、Y和Z。輸入信號(hào)X、Y和Z經(jīng)過數(shù)字邏輯函數(shù)(式(2))后得到輸出信號(hào)S1～S10，以此來控制各開關(guān)的通斷。輸入信號(hào)X、Y、Z和輸出信號(hào)S1～S10的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖3 提出的調(diào)制策略

表2 邏輯狀態(tài)關(guān)系

(2)

例如，當(dāng)輸入信號(hào)X、Y和Z為(100)時(shí)，開關(guān)邏輯為：

(3)

此時(shí)正、反向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷合嗤?，為Ud/3。

例如，當(dāng)輸入信號(hào)X、Y和Z為(110)時(shí)，開關(guān)邏輯為：

(4)

此時(shí)正、反向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷阂蚕嗤?，?Ud/3。

例如，當(dāng)輸入信號(hào)X、Y和Z為(111)時(shí)，開關(guān)邏輯為：

(5)

此時(shí)電路處于續(xù)流模態(tài)，正向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷簽?Ud/3，反向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷簽閁d/3。

同理可推得其余情況下各開關(guān)邏輯式的表達(dá)，在此不再贅述。綜上，邏輯運(yùn)算結(jié)果與表2相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)契合，提出的調(diào)制策略能使逆變器工作在預(yù)期狀態(tài)。

3 兩種H10逆變拓?fù)涞膶?duì)比分析

圖4為正、反向鉗位拓?fù)湓谝粋€(gè)開關(guān)周期內(nèi)各自的開關(guān)狀態(tài)和共模電壓波形，此時(shí)開關(guān)狀態(tài)作用順序?yàn)椤癕7M2M1M8M1M2M7”。由圖4可知，無論是正向鉗位拓?fù)溥€是反向鉗位拓?fù)?，共模電壓幅值在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的變化范圍(UMAX-MIN)相同，均為Ud/3，但由于鉗位電路的作用，二者共模電壓的變化頻率有所區(qū)別。

圖4 開關(guān)狀態(tài)和共模電壓

對(duì)于開關(guān)狀態(tài)M7，其前一開關(guān)狀態(tài)和后一開關(guān)狀態(tài)都是上橋臂有兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，下橋臂有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，如M2、M4或M6，兩種鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷涸谶@3種開關(guān)狀態(tài)下的幅值相同，均為2Ud/3。處于開關(guān)狀態(tài)M7時(shí)，正向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷簽?Ud/3，與相鄰狀態(tài)一致；而反向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷簽閁d/3，與相鄰開關(guān)狀態(tài)相比，出現(xiàn)了跳變。相對(duì)應(yīng)地，對(duì)于開關(guān)狀態(tài)M8，其前一開關(guān)狀態(tài)和后一開關(guān)狀態(tài)都是下橋臂有兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，上橋臂有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，如M1、M3或M5，兩種鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷涸谶@3種開關(guān)狀態(tài)下的幅值相同，均為Ud/3。處于開關(guān)狀態(tài)M8時(shí)，正向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷簽閁d/3，與相鄰狀態(tài)一致；而反向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷簽?Ud/3，與相鄰開關(guān)狀態(tài)相比，出現(xiàn)了跳變。綜上，反向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷涸陂_關(guān)狀態(tài)M7和M8出現(xiàn)的跳變導(dǎo)致其頻率為正向鉗位拓?fù)涞娜丁?/p>

圖5為H10拓?fù)涞墓材：?jiǎn)化模型[20]，根據(jù)電路原理知識(shí)，共?；芈纷杩篂?/p>

圖5 共模簡(jiǎn)化模型

(6)

由式(6)可知，逆變器工作頻率、濾波電感值和寄生電容三者共同影響著共模回路阻抗的大小。若逆變器工作頻率較小，則共?；芈烦嗜菪裕蝗裟孀兤鞴ぷ黝l率較大，則共?；芈烦矢行浴?duì)于本文所述的正向鉗位拓?fù)洌瑢ⅵ?40 kHz、L=5 mH、CPV=100 nF代入式(6)可得Zcm=-j58，而對(duì)于反向鉗位拓?fù)洌?120 kHz、L=5 mH、CPV=100 nF，代入式(6)可得Zcm=j158。可見，在本文的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，反向鉗位拓?fù)涞墓材；芈纷杩怪当日蜚Q位拓?fù)浯?，但不能由此統(tǒng)一認(rèn)定任意實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下此結(jié)論都成立。

綜上可知，反向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷侯l率為正向鉗位拓?fù)涞?倍，系統(tǒng)共?；芈纷杩垢螅诠材ｋ妷悍迪嗤那闆r下，其漏電流更小，因此反向鉗位拓?fù)湓诼╇娏饕种品矫婢哂懈玫男Ч?/p>

4 仿真結(jié)果

本節(jié)搭建Saber仿真模型對(duì)提出的方案進(jìn)行驗(yàn)證，主要的仿真參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)

圖6(a)和圖6(b)分別為正、反向鉗位拓?fù)漭敵鋈嘞嚯妷汉虯相相電流的仿真結(jié)果。由圖可知，正、反向鉗位拓?fù)湓谔岢龅恼{(diào)制方案下都能夠正常工作，輸出的三相相電壓是對(duì)稱的，有效值都在110 V左右，波形畸變率較小。在電阻負(fù)載下A相相電流與A相相電壓同相位。

圖6 仿真結(jié)果：三相相電壓和A相相電流

圖7為正、反向鉗位拓?fù)銾AQ、UBQ、UCQ和Ucm的仿真結(jié)果。由圖7(a)和圖7(b)可以看出，兩種鉗位拓?fù)涞腢AQ、UBQ、UCQ都有4個(gè)電壓等級(jí)，分別為0、Ud/3、2Ud/3和Ud；共模電壓幅值都在Ud/3和2Ud/3兩值之間跳變，與第2節(jié)理論分析一致。為進(jìn)一步說明正、反向鉗位拓?fù)涔材ｋ妷旱膮^(qū)別，將兩者在同一時(shí)間段內(nèi)展開如圖7(c)所示。不難看出，當(dāng)輸入信號(hào)X、Y、Z為(111)或(000)時(shí)，正向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷号c相鄰狀態(tài)一致，而反向鉗位拓?fù)涞墓材ｋ妷喊l(fā)生跳變，使得其頻率為正向鉗位拓?fù)涔材ｋ妷侯l率的三倍，與第3節(jié)理論分析一致。

圖7 仿真結(jié)果：UAQ、UBQ、UCQ和共模電壓

圖8為正、反向鉗位拓?fù)渎╇娏骷捌漕l譜分析的仿真結(jié)果。由圖8(a)可知，正向鉗位拓?fù)涞穆╇娏鹘?jīng)過快速傅里葉變換(fast fourier transform，F(xiàn)FT)后，在開關(guān)頻率(40 kHz)處得其峰值-15.065 dBA，換算后為176.5 mA。對(duì)于反向鉗位拓?fù)?，由于其共模電壓頻率提高，系統(tǒng)共?；芈纷杩乖黾樱沟寐╇娏飨噍^于正向鉗位拓?fù)溆兴鶞p小。如圖8(b)所示，反向鉗位拓?fù)涞穆╇娏鹘?jīng)過FFT分析后，在三倍開關(guān)頻率(120 kHz)處得其峰值-27.78 dBA，換算后為40.8 mA，漏電流的確有所減小。因此，反向鉗位拓?fù)湎噍^于正向鉗位拓?fù)渚哂懈玫穆╇娏饕种颇芰?，且二者的漏電流都小?00 mA，滿足VDE 0126-1-1標(biāo)準(zhǔn)，符合理論分析。

圖8 仿真結(jié)果：漏電流及頻譜分析

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證提出方案的有效性，搭建了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)和仿真參數(shù)一致。

圖9為正、反向鉗位拓?fù)漭敵鋈嘞嚯妷阂约癆相相電流的實(shí)驗(yàn)波形。由圖可知，兩個(gè)拓?fù)渚梢哉９ぷ鳎敵龅碾妷?、電流波形質(zhì)量較高，與圖6所示的仿真波形一致。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：三相相電壓和A相相電流

圖10為正、反向鉗位拓?fù)銾AQ、UBQ和UCQ的實(shí)驗(yàn)波形。由圖10(a)和圖10(b)可知，兩種鉗位拓?fù)涞腢AQ、UBQ和UCQ都有4個(gè)電壓等級(jí)，分別為0、Ud/3、2Ud/3和Ud，它們的展開波形如圖10(c)和圖10(d)所示。由圖10(c)和圖10(d)可知，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為M7時(shí)，正向鉗位拓?fù)涞腢AQ、UBQ和UCQ均被鉗位到2Ud/3，而反向鉗位拓?fù)涞木汇Q位到Ud/3；當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為M8時(shí)，正向鉗位拓?fù)涞腢AQ、UBQ和UCQ均被鉗位到Ud/3，而反向鉗位拓?fù)涞木汇Q位到2Ud/3，與第3節(jié)理論分析一致。

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：UAQ、UBQ和UCQ

圖11為正、反向鉗位拓?fù)渎╇娏骷捌漕l譜分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖11(a)可知，正向鉗位拓?fù)涞穆╇娏鹘?jīng)過FFT分析后，在開關(guān)頻率(40 kHz)處得到其峰值-16.0 dBA，換算后為158.4 mA。由圖11(b)可知，反向鉗位拓?fù)涞穆╇娏鹘?jīng)過FFT分析后，在三倍開關(guān)頻率(120 kHz)附近得到其峰值-22.2 dBA，換后為77.6 mA?？梢姡聪蜚Q位拓?fù)涞穆╇娏髋c正向鉗位拓?fù)湎啾却蟠鬁p小，和仿真結(jié)果一致。另外，二者的漏電流幅值都小于300 mA，滿足VDE 0126-1-1標(biāo)準(zhǔn)，保障了設(shè)備和人身安全。

圖11 仿真結(jié)果：漏電流及頻譜分析

6 結(jié) 論

本文提出了正、反向鉗位兩種新型十開關(guān)逆變器拓?fù)?，分析了兩者的工作原理以及共?；芈纷杩固匦?，采用提出的載波調(diào)制和邏輯運(yùn)算相結(jié)合的新型調(diào)制策略對(duì)兩種逆變器的漏電流抑制性能進(jìn)行了對(duì)比研究，得到以下結(jié)論：1)兩種拓?fù)渚梢愿纳颇孀兿到y(tǒng)的共模特性，降低共模電壓的變化范圍，有效地解決了系統(tǒng)漏電流問題；2)反向拓?fù)涞墓材ｋ妷侯l率相較于正向拓?fù)涓?，系統(tǒng)共?；芈纷杩垢?，漏電流抑制效果更強(qiáng)，具有更好的工程應(yīng)用價(jià)值。