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1 第 35 卷第 6 期辽宁工程技术大学学报 ( 自然科学版 ) 2016 年 6 月 Vol.35 No.6 Journal of Liaoning Technical University(Natural Science) Jun 赵乃卓, 王一钦. 一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构 [J]. 辽宁工程技术大学学报 ( 自然科学版 ),2016,35(6): doi: /j.issn ZHAO Naizhuo, WANG Yiqin.A research on low leakage current and high efficiency inverter topology[j].journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2016,35(6): doi: /j.issn 一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构赵乃卓, 王一钦 ( 辽宁工程技术大学电气与控制工程学院, 辽宁葫芦岛 ) 摘要 : 针对单相光伏并网逆变器发电系统在无变压器结构时存在漏电流的问题, 采用理论推导和仿真验证的方法, 提出一种新型的高效率低漏电流的中点钳位逆变器拓扑结构. 所提出的拓扑结构包含直流侧分裂电容稳压单元和 NPC 拓扑钳位逆变单元两部分. 通过将这两个单元的正确组合, 能将 A B 两点始终钳位在 U dc 而不发生波动, 因而可以减小共模电压的波动, 降低漏电流. 研究结果表明 : 此种结构能有效减少共模电压的波动, 降低漏电流含量. 关键词 :NPC 结构 ; 单相光伏 ; 不隔离逆变器 ; 漏电流 ; 高效率中图分类号 :TM 46 文献标志码 :A 文章编号 : (2016) A low leakage current and high efficiency inverter topology ZHAO Naizhuo, WANG Yiqin (Department of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao , China) Abstract: For the demand of single-phase photovoltaic grid-connected inverter generator system to the leakage current of grid-connected inverter without transformer structure, a new high efficiency and low leakage current neutral point clamped inverter topology was presented by theoretical analysis and simulation methods. This new topology consists of two parts which are DC side split capacitor stabilized voltage unit and NPC topology clamped inverter unit. The right combination of these two units can make points A and B clamped at Udc without fluctuation and thus can reduce the leakage current and the fluctuation of common mode voltage. The results show that the fluctuations of the common mode voltage and the content of leakage current are reduced through this structure. This study effectively solved the problem of leakage current of the traditional structure. Key words: NPC topology; single-phase photovoltaic; non-isolated inverter; leakage current; high efficiency 0 引言低漏电流是无变压器结构的单相光伏并网逆变器研究和设计所追求的优势性能之一. 同时, 高效率对并网逆变器减少收回投资资金周期, 加快经济增长效益有着至关重要的作用 [1-2]. 针对目前微电网系统中的并网逆变器, 文献 [3]~ 文献 [5] 所提出的单级式架构系统和两级式不隔离架构系统能够在很大程度上提高系统的整体效率, 但是在缺少有效的电气隔离之后, 在漏电流共模电压和直流分量等问题上带来新问题. 共模漏电流所带来的辐射和传导干扰, 使电网中的电流谐波有所增加, 对用电设备和用户安全带来威胁 [6]. 因而, 具有高效率低漏电流的隔离型单向光伏并网逆变器成为光伏领域的研究热点之一. 半桥结构的并网逆变器决定了其具有低进网电流直流分量和低漏电流的特性 [7-8], 但是具有较低直流侧电压利用率. 全桥逆变器若采用双极性调制的控制方法, 其具有低漏电流的良好性能, 但是滤波电感中的电流纹波大, 开关管的损耗大, 因而各国学者在控制方法和拓扑结构上进行了大量研究. 收稿日期 : 作者简介 : 赵乃卓 (1970-), 女, 辽宁阜新人, 硕士, 副教授, 主要从事智能控制理论与应用计算机测控技术与应用等方面的研究. 本文编校 : 朱艳华

journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2016,35(6):646-651. doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2016.06.

2 第 6 期赵乃卓, 等 : 一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构其控制思想均是在单极性控制方法的基础上进行改进, 通过增加开关管使续流阶段电网与逆变器前级脱离, 在目前所提出的新型逆变拓扑中, 存在专利封锁的 H5 拓扑和 Heric 拓扑最具代表性. 由全桥逆变电路的高频共模特性等效的数学模型可知, 若要完全消除共模漏电流, 光伏板简单的与电网脱离是远远不够的, 而是需要在续流阶段将续流回路电位钳位在一个固定值 [9-10]. 上述所提出的两种典型拓扑所需开关器件少, 但是系统漏电流的大小主要受到电网电压大小和 LC 滤波器寄生参数的影响 [10], 因而具有不确定性. 文献 [11] 所提出的新型拓扑虽然能在续流阶段将电网和太阳能板分离, 但是在续流阶段仅依靠开关管的结电容实现续流回路电位的恒定, 不具足够的说服力. 文献 [12] 所提的中点钳位电路的钳位效果受到直流侧分裂电容本身参数性能的影响, 因而加大了控制器的控制难度. 因而本文提出一种新型拓扑, 用以改善中点钳位电路的不足, 实现真正意义上的低漏电流效果. 1 拓扑结构及实现原理 1.1 电路组成 647 改进的中点钳位电路主要由两部分组成, 见图 1(a). 图 1(a) 中,A 部分为直流侧分裂电容稳压电路,B 部分为 NPC 拓扑钳位电路 ;C dc1 为直流侧稳压电容 ;C dc2 C dc3 为直流侧分裂电容 ;S d1 S d2 为大功率三极管 ;D d1 D d2 为钳位二极管 ;S p1 -S p3 为中点钳位正单元开关管 ;S n1 -S n3 为中点钳位负单元开关管 ;S 7 S 8 为开关管 ;L 1 L 2 为滤波电感 ; C out 为滤波电容. 对应的驱动波形见为图 1(b). 图 1(b) 中,u k1 u k2 为 A 部分大功率三极管 K 1 K 2 的驱动信号 ( 电路见图 2);u r 为逆变器的调制波 ; u s1 ~u s8 分别为 B 部分开关管 S 1 ~S 8 的驱动信号 ( 电路见图 3);u k1 u k2 为以固定开关频率和固定占空比动作的 ;u s1 u s3 u s4 u s6 为以固定开关频率和占空比按正弦波规律变化动作的. (a) 主电路拓扑 t (b) 驱动波形图 1 改进的中点钳位电路及驱动波形 Fig.1 schematic of drive signals and improved neutral point clamp circuit topology 1.2 原理分析本文提出的改进的中点钳位电路主要由图 1 (a) 中 A 和 B 两部分组成, 其中 A 部分主要实现直流侧分裂电容的稳压功能,B 部分主要实现逆变功能, 通过将 A 部分和 B 部分组合, 就能实现消除漏电流, 提高逆变器效率的功能. 图 2 表示 A 部分分裂电容的稳压过程, 其中 K 1 K 2 两个开关管互补导通 ( 需要死区控制 ), 分别向分裂电容 C dc2 和 C dc3 充电,D d1 和 D d2 将分裂电容电压钳位至输入电压 U dc, 分析可知, 此部分主要有 2 个工作模态 :

上述所提出的两种典型拓扑所需开关器件少, 但是系统漏电流的大小主要受到电网电压大小和 LC 滤波器寄生参数的影响 [10], 因而具有不确定性.

3 648 辽宁工程技术大学学报 ( 自然科学版 ) 第 35 卷 (1) 模态 1 此模态为电容 C dc3 稳压模态, 当 K 1 导通时, 电容 C dc1 向 C dc3 充电, 由于钳位二极管 D d2 的存在, 电容 C dc3 和 C dc1 上的电压严格相等, 即 U Cdc3 =U Cdc1 =U dc ; (2) 模态 2 此模态为电容 C dc2 稳压模态, 当 K 2 导通时, 电容 C dc1 向 C dc2 充电, 由于钳位二极管 D d1 的存在, 电容 C dc2 和 C dc1 上的电压严格相等, 即 U Cdc2 =U Cdc1 =U dc, 因而可得 C dc3 =C dc2 =U dc. P B 图 2 分裂电容稳压原理 Fig.2 principle of capacitive division voltage 通过对上述 2 个模态进行分析可知, 由于 K 1 K 2 两个开关管以很高的频率进行切换, 因而电容 C dc1 会以很高的频率分别向分裂电容 C dc2 和 C dc3 充电, 所以只需使 U dc 的电压恒定就可以使分裂电容电压恒定, 因而可以减小分裂电容的容值. 并且此电路可以使得直流母线电压泵生到 2U dc, 因而可以降低直流侧 U dc 电压, 减少前级光伏板串联的数量, 并且方便 DC/DC 电路的设计. 图 3 表示 B 部分逆变器的工作模式,U PAN U PBN 分别表示点 P A 对点 N 的电位差和点 P B 对点 N 的电位差, 且 U PAB =U PA -U PB. 分析可知, 此部分主要有 4 个工作模态 : (1) 模态 1 此模态为功率传输模态, 其中 S 1 S 2 S 5 和 S 6 导通, 其余开关管断开, 电流经过 S 1 S 2 L 1 u grid L 2 S 5 和 S 6 向电网传输能量. 其中 U PAN =2U dc,u PBN =0, 因而 U PAB =U PAN -U PBN =2U dc, 共模电压 U cm =0.5(U PAN +U PBN )=U dc, 见图 3. (2) 模态 2 此模态为续流模态, 其中 S 2 和 S 5 导通, 其余开关管断开, 电流经过 S 2 L 1 u grid L 2 S 5 和 S 7 S 8 的体二极管续流. 由于 S 7 和 S 8 体二极管的钳位作用, 使得 U PAN =U PBN =U dc, 因而 U PAB =U PAN -U PBN =0, 共模电压 U cm =0.5(U PAN + U PBN )=U dc, 见图 3(b). (3) 模态 3 此模态为功率传输模态, 其中 S 3 S 4 S 7 和 S 8 导通, 其余开关管断开, 虽然开关管 S 7 和 S 8 导通, 但是电流不会从其通过, 而电流会经过 S 4 L 2 u grid L 1 S 3 向电网传输能量. 其中 U PAN =0,U PBN =2U dc, 因而 U PAB =U PAN -U PBN =-2U dc, 共模电压 U cm =0.5(U PAN +U PBN )=U dc, 见图 3(c). (4) 模态 4 此模态为续流模态, 其中 S 7 和 S 8 导通, 其余开关管断开, 电流经过 L 2 u grid L 1 S 2 体二极管 S 7 S 8 和 S 5 体二极管续流. 由于 S 7 和 S 8 的钳位作用, 使得 U PAN = U PBN =U dc, 因而 U PAB =U PAN -U PBN =0, 共模电压 U cm =0.5(U PAN +U PBN )= U dc, 见图 3(d).

4 第 6 期赵乃卓, 等 : 一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构 649 A B A B D d1 C dc2 S 1 S 4 L 1 D d1 C dc2 S 1 S 4 L 1 U dc K 1 C dc1 S 7 S 2 P B S 5 C out L 2 U grid U dc K 1 C dc1 S 7 S 2 P B S 5 C out L 2 U grid K 2 P A K 2 D d2 C dc3 S 8 S 3 S 6 N (c) 电流负半周功率传输模态 (d) 电流负半周续流模态图 3 低漏电流实现原理 Fig.3 principle of low leakage current D d2 C dc3 S 8 S 3 P A S 6 N 通过对上述 4 个模态进行分析可知, 在分裂电容电压恒定的前提下,B 部分拓扑结构在上述 4 个模态下工作时共模电压均相等 (U cm =U dc ), 完全符合消除漏电流的条件. 2 中点钳位非隔离逆变器并网控制原理传统并网逆变器的控制方法主要分为两类 : 一类为间接控制方法, 比如说功角控制 ; 另一类为直接控制方法, 比如说滞环控制电压电流双闭环控制和 PR 控制等 [13-15]. 其中间接控制方法响应时间比较慢, 因而不受各国学者的青睐 ; 滞环控制方法简单容易理解, 但是开关管开关频率范围不宜确定, 给滤波器的设计增加了很大的难度 ; 电压电流双闭环控制的方法中, 虽然采用电压外环来实现直流侧电压的稳定, 但是电流内环采用 P 控制, 不能有效的跟踪电流给定, 不能消除电流误差 ;PR 控制系统中, 虽然在谐振点处 ( 电网电压频率 ) 增益为无穷大, 但是倘若电网电压频率偏移, 控制效果就会大打折扣. 因而本文采用准谐振的控制方法, 克服传统控制方法的不足, 提高输出电流的质量, 控制框图见图 4. 图 4 并网控制框图 Fig.4 control method of inverter 图 4 中, U 为并网逆变器直流侧电压参考值, * dc U dc 为直流电压反馈量, 经过传统电压外环的 PI 控制后, 与锁相环的输出相乘, 就得到逆变器的电流参考值 ; 在电流内环的设计中采用了准 PR 控制器, 与传统 P 控制相比较, 此种控制方法使逆变器输出电流在工频附近获得比较大的增益, 降低了电网频率渐变带来的影响, 同时带宽有所增加, 增强了抗电网干扰能力. 控制系统中存在电压外环控制器 G PI (S) 和电流内环控制器 G PR (S), 其传递函数为 K1 GPI( S) = Kp + ; S G ( S) = K + KRω s ' c PR p 2 2 s + 2ωcs+ ω0 式中,K p 为 PI 控制器比例系数 ;K 1 为 PI 控制器积分系数 ; K 为准 PR 控制器比例系数 ;K R 为准 PR 控制 ' p 器谐振系数 ;ω c 为准 PR 控制器截止频率., 3 系统 Matlab 仿真验证和对比为验证所提出的新型拓扑低漏电流的特性, 本文对其进行了 Matlab 仿真分析, 并且与无直流侧分裂电容稳压单元的的传统模型 ( 简称传统模型 ) 进行对比分析, 控制方式均采用准 PR 控制.

3 principle of low leakage current D d2 C dc3 S 8 S 3 P A S 6 N 通过对上述 4 个模态进行分析可知, 在分裂电容电压恒定的前提下,B 部分拓扑结构在上述 4 个模态下工作时共模电压均相等 (U cm =U dc ), 完全符合消除漏

5 650 辽宁工程技术大学学报 ( 自然科学版 ) 第 35 卷传统模型结构见图 5, 与新型拓扑相比, 其结构主要在于无直流侧分裂电容稳压单元, 其余电路结构均相同, 由于电容参数的差异很难实现电容的均压, 容易产生漏电流. 附近是跳变的, 而不是一直维持 U dc (200 V) 不变 ; 同时由图 6(d) 可知, 直流母线负端对交流电源地的共模电压同样在电网电压过零点附近出现跳变 ; 由图 6(e) 可以看出共模电流在电网电压过零点附近峰值能达到 2 A, 但是由 Simulink 中 RMS 模块测出其有效值为 ma, 低于标准中 30 ma 的限制. 新型拓扑的仿真结果见图 7, 其中图 7(a)~ 图 7(e) 分别与图 6(a)~ 图 6(e) 相对应, 但是从图 7 中可以清晰的看出, 新型拓扑结构的共模电压波动远小于传统结构共模电压的波动, 同时从图 7(e) 可以看出在电网电压过零点附近共模电流峰值接近 1 A, 但是由 Simulink 中 RMS 模块测出其有效值为 ma, 远低于标准中 30 ma 的限制. 图 5 传统模型结构 Fig.5 structure of traditional model 传统模型仿真结果见图 6. 图 6(a) 表示 P A 点电位, 图 6(b) 表示 P B 点电位, 图 6(c) 表示共模电压, 图 6(d) 表示直流母线负端对交流电源地的共模电压, 图 6(e) 表示共模电流. 图 7 新型拓扑仿真结果 Fig.7 simulation results of new model 4 结论图 6 传统模型仿真结果 Fig.6 simulation results of traditional model 由图 6(c) 可知, 共模电压在电网电压过零点 (1) 克服了因分裂电容参数不同引起漏电流增加这一弊端 ; (2) 在很大程度上消除了共模电压中的高频分量, 削减了逆变器中的漏电流 ; (3) 由于此种结构前级 DC 部分能将直流侧

Simulink 中 RMS 模块测出其有效值为 25.386 ma, 低于标准中 30 ma 的限制.

6 第 6 期赵乃卓, 等 : 一种低漏电流高效率逆变器新型拓扑结构 651 电压泵生到输入电压的 2 倍, 因而可以省略传统逆变器中前级 DC/DC 升压部分, 降低前级 DC 部分损耗, 提升整机逆变效率. 参考文献 : [1] BLAABJERG F,CHEN Zhe,KJAER S B.Power electronics as efficient interface in dispersed power generationsystems[j].ieee Trans.on Power Electronics,2004,19(5): [2] KJAER S B,PEDERSON J K,BLAABJERG F.A review of single phase grid connected inverters for photovoltaic modules[j].ieee Transactions on Industry Applications,2005,41(5): [3] YU W,LAI J S,QIAN H,et al.high-efficiency inverter with H6-type configuration for photovoltaic non-isolated ACmodule applications[c]// IEEE Applied Power Electronics Conference.IEEE,2010: [4] 张兴, 孙龙林, 许颇, 等. 单相非隔离型光伏并网系统中共模电流抑制的研究 [J]. 太阳能学报,2009,30(9) : ZHANG Xing,SUN Longlin,XU Po,et al.research on common-mode current reduction of nonisolated single-phase grid-connected photovoltaic systems[j].acta Energiae Solaris Sinica,2009,30(9): [5] VICTOR M,GREIZER F,BREMICKER S,et al.method of converting a direct current voltage from a source of direct current voltage,more specifically from a photovoltaic source of direct current voltage,into a alternating current voltage[p].united States: [6] KEREKES T,TEODORESCU R,RODRIGUEZ P,et al.a new high-efficiency single-phase transformerless PV inverter topology[j]. IEEE Trans.on Industrial Electronics,2011,58(1): [7] 马琳, 孙凯,Teodorescu R, 等. 高效率中点钳位光伏逆变器拓扑比较 [J]. 电工技术学报,2011,26(2): MA Lin,SUN Kai.TEODORESCU R,et al.comparison of the topologies of high efficiency neutral point clamping photovoltaic inverters[j].transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(2): grid-connected inverter with leakage current suppression[j].proceedings of the CSEE,2010,30(33) : [9] GONZALEZ R,GUBIA E,LOPEZ J,et al.transformerless single-phase multilevel-based photovoltaic inverter[j].ieee Trans.on Industrial Electronics,2008,55(7): [10] XIAO Huafeng,XIE Shaojun.Leakage current analytical model and application in single-phase transformerless photovoltaic grid connected inverter[j].ieee Trans.on Electromagnetic Compatibility, 2010,52(4): [11] 嵇保健, 王建华, 赵剑锋. 一种高效率 H6 结构不隔离单相光伏并网逆变器 [J]. 中国电机工程学报,2012,32(18):9-15. JI Baojian,WANG Jianhua,ZHAO Jianfeng.A high efficiency non-isolated single-phase photovoltaic grid-connected inverter with H6-type configuration[j].proceedings of the CSEE,2012,32(18):9-15. [12] 张犁, 孙凯, 冯兰兰, 等. 中点钳位非隔离全桥光伏并网逆变器 [J]. 中国电机工程学报,2012,32(18): ZHANG Li,SUN Kai,FENG Lanlan,et al.neutral point clamped non-isolated full bridge PV grid-connected inverters[j].proceedings of the CSEE,2012,32(18): [13] 王晓军, 徐鹏, 段景春, 等. 基于单片机的晶闸管电子软启动器设计 [J]. 辽宁工程技术大学学报 ( 自然科学版 ),2010,29(3): WANG Xiaojun,XU Peng,DUAN Jingchun,et al.design electronic soft starter of thyristor based on MCU[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2010,29(3): [14] 王晓军, 孙倩, 张凤龙, 等. 基于 ATMega16L 的矿用锚杆静态电阻应变仪设计 [J]. 辽宁工程技术大学学报 ( 自然科学版 ),2011,30(2): WANG Xiaojun,SUN Qian,ZHANG Fenglong,et al.design on static resistance strain gauge of mine roof bolt based on ATMega16L[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2011,30(2): [15] YUKIHIKO Sato,TOMOTUGU Ishizuka,KAZUYOSHI Nezu,et al.a new control strategy for voltage-type PWM rectifiers to realize zero steady-state control eror in input current[j].ieee Transactions on Industry Appheations,1998,34(3): [8] 肖华锋, 杨晨, 谢少军.NPC 三电平并网逆变器共模电流消除抑制技术研究 [J]. 中国电机工程学报,2010,30(33): XIAO Huafeng,YANG Chen,XIE Shaojun.NPC three-level

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; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of

; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of 26 2 2009 2 Control Theory & Applications Vol. 26 No. 2 Feb. 2009 : 1000 8152(2009)02 0203 06 Buck-Boost 1,2, 3, 2, 4, 1 (1., 411201; 2., 410083; 3., 411105; 4., 410004) :, Buck-Boost,.,,. :,,,, : Buck-Boost