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非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器共模干擾抑制方法研究

來源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第8期

薛家祥，李麗妮，廖天發(fā)，董昌文

華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640

摘要： 非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中沒有使用隔離變壓器，其具有體積小、成本低、轉(zhuǎn)換效率高等特性，但光伏陣列輸入側(cè)與電網(wǎng)輸出側(cè)存在電氣連接，為共模電流提供了回路，導(dǎo)致易產(chǎn)生EMC干擾與安全隱患。分析了非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器共模電流產(chǎn)生機理，從逆變拓撲結(jié)構(gòu)出發(fā)，基于共模電流抑制技術(shù)，提出從改變調(diào)制方式和改變拓撲結(jié)構(gòu)角度抑制共模電流的方法，并以實驗驗證了兩種方法的可行性。

關(guān)鍵詞： 非隔離光伏并網(wǎng)逆變器共模干擾抑制共模電流全橋逆變 H6橋逆變

中圖分類號： TM464
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)08-0068-04

Study on common-mode interference suppression method of non-isolated photovoltaic grid inverter

Xue Jiaxiang，Li Lini，Liao Tianfa，Dong Changwen

Mechanical and Automotive Engineering College,South China University of Technology，Guangzhou 510640，China

Abstract： Isolation transformer is not used in the non-isolated photovoltaic grid inverter. And the inverter has the characteristics of small size, low cost and high conversion efficency. But there is a direct electrical connection between photovoltaic array output and gird input. This electrical connection provides a circuit for common-mode current which will cause EMC interference and potential safety hazard. This paper analyzes the production mechanism of common-mode interference of non-isolated photovoltaic gird inverter and puts forward the methods which is based on the rules of common-mde current by analyzing the inversion topology to inhibit the common-mode current by changing modulation mode or changing topological structure. Experimental results show the validity of the proposed method.

Key words : non-isolated photovoltaic grid inverter；common-mode current；common-mode interference suppression；full bridge inversion；H6 bridge inversion

隨著光伏電池的快速發(fā)展，光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)發(fā)展也越來越快。光伏發(fā)電作為新興綠色能源，從一定程度上緩解了公用電網(wǎng)超大負荷的壓力，成為改善傳統(tǒng)電力能源結(jié)構(gòu)的一大亮點。但由于光伏逆變控制技術(shù)還處于不斷完善中，光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)內(nèi)部含有電力開關(guān)器件，較高的開關(guān)頻率會導(dǎo)致電磁輻射干擾，致使逆變輸出電流中不可避免地含有大量諧波，若不加以控制，則存在污染電網(wǎng)的隱患。因此，各國對光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的電磁兼容性能均有明確要求。相關(guān)認證有：歐盟CE認證、加拿大CSA認證、美國UL認證、澳洲CEC認證和中國金太陽認證等。

光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的核心光伏并網(wǎng)逆變器主要有帶變壓器的隔離逆變器和不帶變壓器的非隔離逆變器兩種類型。非隔離并網(wǎng)逆變器由于其體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中。但由于非隔離并網(wǎng)逆變器不帶變壓器，導(dǎo)致光伏陣列與電網(wǎng)沒有電氣隔離，給共模電流形成了回路，容易導(dǎo)致EMC干擾與安全隱患。

圖1 非隔離光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的共模電流和寄生電容

1 共模電流形成的原因

影響非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器EMC性能的因素有共模干擾、高頻開關(guān)管和高頻開關(guān)電源產(chǎn)生的開關(guān)噪聲，其中影響最大的是共模干擾，而共模干擾又是形成共模電流(即漏電流)的最主要的原因[1]。圖1所示，光伏陣列與地之間存在著寄生電容，而寄生電容C、濾波器元件L、電網(wǎng)阻抗R形成了共模諧振電路，在寄生電容上變化的共模電壓可以激勵這個共模諧振電路從而形成共模電流[2]。而非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器不帶變壓器，光伏陣列與電網(wǎng)之間沒有電氣隔離，正好給這個共模電流形成了回路，易產(chǎn)生EMC干擾并存在安全隱患[3]。

2 共模分析

2.1 全橋逆變共模分析

如圖2所示，光伏陣列與逆變器輸出端(即電網(wǎng))沒有直接的電氣隔離，所以光伏陣列對地寄生電容等同于逆變器輸出端對地寄生電容，寄生電容的大小由直流源和環(huán)境因素決定[4-5]，在光伏系統(tǒng)中，寄生電容的大小一般為微法到毫法量級。Udc為光伏陣列電壓Upv經(jīng)過boost升壓后的電壓，ucm為寄生電容Cp兩端的電壓，ug為電網(wǎng)電壓，uao、ubo分別為逆變器輸出端a、b對接地端O的電壓，icm為回路中的共模電流。

圖2 全橋電路的非隔離型逆變結(jié)構(gòu)及其共模分析

由基爾霍夫電壓定律可得：

-uao+uL+ug+ucm=0(1)

-ubo-uL+ucm=0(2)

由式(1)和(2)可得：

2ucm=uao+ubo-ug(3)

共模電流icm的大小與共模電壓的變化率成正比例關(guān)系：

由于電網(wǎng)頻率為50 Hz，電網(wǎng)電壓變化率引起的共模電流很小，可以忽略，所以共模電流icm的大小可以表示為：

(5)

因此，決定共模電流的共模電壓ucm可以近似表示為：

(6)

而由式(5)可知，共模電流的大小主要由輸出線對地電壓之和的變化率決定。因此，要抑制共模電流，應(yīng)盡量控制共模電壓為一定值，即：

uao+ubo=定值(7)

對于單相全橋逆變，常用的調(diào)制方式有單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制；對于使用單極性調(diào)制的電路，逆變拓撲結(jié)構(gòu)一般有全橋拓撲和H6橋拓撲。以下對這3種情形一一進行分析比較。

2.1.1 全橋逆變單極性調(diào)制共模分析

單極性調(diào)制下各個開關(guān)管的驅(qū)動波形如圖3所示。

圖3 單極性調(diào)制下四個開關(guān)管的驅(qū)動波形

在電網(wǎng)的正半周期時，V4長期導(dǎo)通。當V1導(dǎo)通時，電流的回路為：V1-L1-Grid-L2-V4，此時共模電壓ucm為：

(8)

當V1關(guān)斷時，開關(guān)管V2的反并聯(lián)二極管起續(xù)流作用，可以看作V2導(dǎo)通。此時電流回路為：L1-Grid-L2-V4-V2，共模電壓ucm為：

(9)

由式(8)和(9)可知，在電網(wǎng)的正半周期，共模電壓ucm隨著開關(guān)管V1的開關(guān)狀態(tài)迅速變化，幅值在零與0.5Udc之間來回變化，這個電壓變化率會對寄生電容進行快速充放電從而形成共模電流。

2.1.2 全橋逆變雙極性調(diào)制共模分析

雙極性調(diào)制下各個開關(guān)管的驅(qū)動波形如圖4所示。

圖4 雙極性調(diào)制下4個開關(guān)管的調(diào)制波形

當開關(guān)管V1、V4導(dǎo)通時，V2、V3關(guān)斷，此時電流回路為：V1-L1-Grid-L2-V4，共模電壓ucm為：

(10)

當開關(guān)管V2、V3導(dǎo)通時，V1、V4關(guān)斷。此時電流回路為：V3-L1-Grid-L2-V2，共模電壓ucm為

(11)

由式(10)和(11)可知，在一個開關(guān)周期內(nèi)，共模電壓ucm都為0.5Udc，而Udc的變化率很小，說明雙極性調(diào)制的全橋拓撲共模電壓幾乎恒定不變。

2.2 六橋逆變單極性調(diào)制共模分析

H6橋拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。單極性調(diào)制各個開關(guān)管的驅(qū)動波形如圖6所示。

圖5 H6橋拓撲結(jié)構(gòu)

圖6 六橋逆變單極性調(diào)制6個開關(guān)管的驅(qū)動波形

在電網(wǎng)的正半周期，V2始終導(dǎo)通。當V1、V6導(dǎo)通時，電流回路為V1-V2-L2-Grid-L1-V6，此時共模電壓ucm為：

(12)

當開關(guān)管V1、V6關(guān)斷時，經(jīng)過二極管D3進行續(xù)流，電流回路為L1-D3-V2-L2-Grid，此時共模電壓ucm為：

(13)

由式(12)和(13)可知，在一個開關(guān)周期內(nèi)，共模電壓ucm都保持為0.5Udc，共模干擾得到了很好的抑制。

從以上的分析可知，全橋逆變單極性調(diào)制存在著很大的共模干擾，抑制這種共模干擾最有效的兩種方式是改變調(diào)制方式與拓撲結(jié)構(gòu)，即改為全橋逆變雙極性調(diào)制以及六橋逆變單極性調(diào)制方式。通過分析得知這兩種情形都能很好地抑制共模干擾[6-7]。以下通過實驗驗證這一思路。

3 共模電流抑制對比測試

3.1 全橋逆變單極性與雙極性調(diào)制共模電流測試對比

以一款3 kW非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器為實驗平臺，拓撲結(jié)構(gòu)為全橋逆變，工作在滿載(即3 kW)的情況下對共模電流進行測試。測試實驗結(jié)果如圖7所示。

(a)全橋單極性調(diào)制共模電流

(b)全橋雙極性調(diào)制共模電流

圖7 全橋逆變共模電流

由圖7(a)可知，全橋逆變器在單極性調(diào)制下存在較大的共模電流，大小為102 mA。這是由于在單極性模式下，共模電壓隨著開關(guān)管的高頻動作而周期性地改變，使光伏陣列與大地間的寄生電容周期性地充放電而產(chǎn)生了較大的共模電流。

由圖7(b)可知，全橋逆變在雙極性調(diào)制下的共模電流大小為61 mA。這是因為與單極性調(diào)制相比，由于雙極性調(diào)制的特殊開關(guān)形式，使寄生電容兩端共模電壓恒為定值，從而使共模電流得到很好的抑制。

3.2 H6橋逆變與全橋逆變在單極性調(diào)制下共模電流測試對比

以一款5 kW非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器為實驗平臺，拓撲結(jié)構(gòu)為H6橋逆變，為了與全橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)形成對比，使其輸出功率為3 kW。共模電流測試波形如圖8所示。

由圖8(b)可知，H6橋單極性調(diào)制下共模電流大小為32 mA。這是由于H6橋拓撲借助了逆變電路的開關(guān)管關(guān)斷阻抗高的特性，阻斷了寄生電容的放電，從而使共模電流得到了很好的抑制。共模電流測試情況如表1所示。

圖8 單極性調(diào)制不同拓撲結(jié)構(gòu)共模電流

由以上數(shù)據(jù)可知，全橋逆變單極性調(diào)制模式的共模電流較大，全橋逆變雙極性調(diào)制模式和H6橋單極性調(diào)制模式下的共模電流都能較好地抑制共模電流，尤以H6橋逆變單極性調(diào)制抑制共模電流效果最佳。

本文分析了單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器共模電流的產(chǎn)生機理，比較了不同調(diào)制策略在全橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)上共模電流的差異以及同一調(diào)制策略在不同拓撲結(jié)構(gòu)上共模電流的差異，通過實驗驗證了全橋逆變雙極性調(diào)制以及H6橋逆變單極性調(diào)制都能很好地抑制共模干擾。

參考文獻

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