非隔離光伏發電系統漏電流抑制范文

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摘要：

在非隔離光伏系統中，漏電流的抑制是需要解決的關鍵問題之一。基于H橋級聯逆變器電路，對級聯非隔離光伏發電系統漏電流的產生機理和流通路徑展開分析。為了探討不同調制策略對系統漏電流的抑制作用，搭建4種調制策略的系統仿真模型。在此基礎上提出在各模塊直流側增加EMI濾波器以及適當提高開關頻率的解決方法，最后搭建PSIM仿真模型，并對漏電流波形及其有效值進行了對比分析，證明了上述理論和方法的有效性。

關鍵詞：

級聯逆變器；共模；漏電流；光伏系統

光伏發電系統在新能源領域占據主導地位。光伏逆變器作為連接光伏電池板與電網的核心設備，對光伏發電系統起決定性作用。隔離型光伏逆變器雖然通過電氣隔離抑制了漏電流的流通，但會導致系統成本和損耗的增加，同時不利于大功率應用，因此非隔離型光伏逆變器一直是人們關注的熱點［1］。H橋級聯多電平逆變器（H-bridgecascadedmultilevelinverter—HB-CMI）電路是由多個兩電平H橋逆變器結構單元串聯構成［2］，這種逆變器具有諸多優點：1）設計靈活、易于模塊化、容易擴展，直流側的直流電源相互獨立；2）更適合高功率、高電壓電路；3）逆變器的輸出電平數可更加靈活；4）隨著逆變器級聯數目的增加，逆變器的輸出電壓將更加接近于正弦，有利于濾波器的體積減小，因此HB-CMI應用于較大功率光伏并網系統中具有一定的優勢。但是非隔離型HB-CMI和電網無電氣隔離，會形成具有較低阻抗的漏電流循環路徑，產生的漏電流不僅會引起電磁干擾（electromagneticinterference—EMI）、并網電流的畸變等問題，同時也會對設備和人身安全造成危害。目前對漏電流抑制方法的研究，單相拓撲的研究相對較多，級聯多電平拓撲研究較少。文獻［3-5］中通過改進拓撲結構使得共模輸出電壓保持不變來消除漏電流，文獻［6］中通過考慮單相全橋并網逆變器寄生參數高頻等效模型，采用合適的SPWM調制技術抑制漏電流，文獻［7］中提出插入共模電感和共模變壓器抑制漏電流的方法，文獻［8］中提出了一種調制策略抑制HB-CMI光伏系統產生的漏電流，同時設計合適的電磁干擾濾波器能有效抑制開關電源中的電磁干擾［9］。開關頻率的高低對EMI濾波器的設計起著決定性作用，文獻［10］中揭示了開關頻率的升高會提高共模濾波器和差模濾波器的截止頻率，從而影響濾波效果；同時隨著變換器工作頻率的升高，濾波器的體積會大幅度減小，但是對開關管的特性要求也就越高，導致系統效率降低。本文通過分析HB-CMI光伏發電系統漏電流的產生原因，建立了系統共模等效電路，從調制策略、改進EMI濾波器參數和位置以及適當提高工作頻率3個方面，探討其對共模干擾的抑制作用，最后得出結論。

1系統漏電流的形成機理

在非隔離型光伏發電系統中，組件與電網之間存在直接的電氣連接，使寄生電容、光伏發電變流系統和電網三者之間形成回路從而產生漏電流。非隔離型HB-CMI光伏發電系統電路及其等效模型如圖1a所示，光伏電池板與大地之間的寄生電容為Cpvi，i=1，2，…，n。在逆變器的輸出端有2個對稱的差模濾波電感：L1，L2。寄生電容的大小與系統所處的外部環境、光伏電池板的尺寸以及安裝結構等因素有關，一般為50～150nF/kW［1］，在潮濕環境下可達200nF/kW，德國VDE0126—1—1標準規定：當漏電流超過300mA時，并網逆變器必須與電網斷開［9］。為了揭示漏電流的產生原因，首先建立了系統共模模型，級聯非隔離型光伏發電系統的等效電路如圖1b所示，全橋拓撲的每個橋臂可等效為1個電壓源（即噪聲源），并分別定義為Vai，Vbi，i=1，2，…，n，可以看出Vai和Vbi實際為PWM脈寬調制電壓。由于存在多個共地點和多個寄生電容，在級聯多電平變換器中會形成多個漏電流的循環回路，如圖1b虛線框所示。這些回路可以分成兩種：一種是通過寄生電容、逆變橋、濾波電感和電網之間形成的回路；另一種是在逆變器橋臂之間形成的內部回路，在這種回路中忽略電感，只考慮寄生電容的作用，高頻PWM電壓會產生脈沖式的漏電流。與傳統逆變器相比，第2種漏電流回路只有在級聯型逆變器中存在，因此如果采用在逆變器輸出側增加EMI濾波器的抑制方法將不能有效地消除系統漏電流。對于HB-CMI，定義第i個逆變器的差模電壓為Vdmi=Vai-Vbi，共模電壓為Vcmi=（Vai+Vbi）/2。將圖1b的等效電路簡化為如圖2所示，Vai，Vbi用Vdmi和Vcmi代替，得到系統的共模等效模型。由于在級聯多電平變換器中逆變器橋臂之間會產生漏電流，由圖2可以看出該漏電流不僅由逆變器的共模輸出電壓決定，同時與差模電壓有關。

2多載波調制策略

級聯逆變器常用的調制技術主要包括空間矢量調制技術、優化階梯波寬度技術、多載波SP-WM調制技術（也稱為載波層疊調制技術）和載波移相SPWM調制技術等［11］。其中多載波調制技術使用同一個調制波與多個載波進行比較，根據載波相位可以分為以下3種方式：1）PD（phasedisposition）調制；2）PO（phaseopposition）調制；3）APO（alternativephaseopposition）調制。

2.1PD調制如圖3a所示，PD調制原理是調制波與多個頻率、幅值、相位相同并按照連續的帶寬排序的三角波進行比較后得到PWM信號。以調制波的中心為零軸，在正半周期，當調制波幅值大于載波時，輸出便增加一個正電壓，否則電壓不變；在負半周期，當調制波幅值小于載波時，輸出便增加一個負電壓。因此如果輸出電壓電平數為2N+1（N為正整數），則需要2N個頻率、幅值、相位相同、位置上下連續錯開的載波，且零軸上下載波個數相同。

2.2PO調制如圖3b所示，PO調制與PD調制相似，也需要多個頻率、幅值、相位相同并按照連續的帶寬排序的三角載波。但是零軸以上的載波與零軸以下的載波相位相反，而且載波正負方向層疊方式所需要的載波個數與級聯逆變器的單元個數的關系和載波正負方向層疊方式相同。

2.3APO調制如圖3c所示，APO調制與以上兩種方式相似，同樣的以零軸為對稱軸，只是上下相鄰的三角載波相位相反。載波移相PWM控制的基本原理是采用具有相同的頻率調制比、幅度調制比和共同的正弦調制信號，但是各個逆變器單元的三角波相差θ（相對于載波信號），其中θ=π/N。此方法原理簡單并易于理解，方法也相對比較成熟，一般適用于各級聯單元相同的逆變器。兩單元HB-CMI電路中，一相輸出的多個移相載波與同一正弦波的調制方法如圖3d所示，其中Ts是三角載波周期。

3不同調制策略的仿真分析

根據上節對HB-CMI調制策略的介紹與分析，為了進一步對比研究載波移相調制技術和多載波調制技術對HB-CMI電路漏電流的抑制作用，基于PSIM仿真軟件搭建了二重HB-CMI電路仿真模型（如圖1所示）。仿真參數如下：單元光伏板容量1kW，單元直流電壓相等且Vdc=120V，寄生電容Cpv=150nF，輸出濾波電感L=1.8mH，三角載波頻率是3kHz/6kHz，調制波正弦波的頻率是50Hz，電網電壓是220V/50Hz，系統仿真時間為0.06s，仿真步長為100ns。輸出漏電流波形和寄生電容電壓波形如圖4所示。其中，I1為漏電流；I2為漏電流局部放大；Vcp為寄生電容電壓。而不同調制策略下系統漏電流的有效值IL（RMS）如表1所示。由表1可以看出，PD調制控制下的HB-CMI電路的漏電流最大，PO調制控制方式下的輸出漏電流最小，由圖4d中可以看出PO調制控制下寄生電容兩端電壓變化范圍為固定值60V，根據i=Cdu/dt，從而降低共模電流。仿真結果表明采用適合的調制策略對漏電流有一定的抑制作用，但是仍無法滿足漏電流小于300mA的安全閾值要求。

4漏電流抑制方法研究

在上節中仿真結果表明即使是相對較優的調制策略仍不能使得系統漏電流降低至安全范圍內。同時，本文在研究HB-CMI光伏發電系統漏電流產生機理時已知系統存在兩種漏電流流通回路。由于其存在內部漏電流的循環路徑，因此該系統不能簡單套用在逆變器的交流并網側增加EMI濾波器的抑制方法。為此，本文提出在各單元模塊的直流側增加EMI濾波器的漏電流抑制方法，加入EMI濾波器（如圖5中虛線框內的電路）之后HB-CMI光伏發電系統如圖5所示。比較表1和表2輸出漏電流的有效值，表明加入EMI濾波器之后的HB-CMI電路對漏電流有很好的抑制作用，并且在PO方式控制下輸出的漏電流最小，在PD調制控制下輸出的漏電流最大。對圖5和圖6的漏電流仿真波形進行對比可以看出，加入EMI濾波器之后，削除了由于過高du/dt和di/dt引起的漏電流尖峰，緩解了漏電流的周期脈動，使漏電流在較小的范圍內波動，對高頻開關引起的干擾信號有較好的抑制作用。在此基礎上，在不明顯降低系統效率的前提下，開關頻率適當的升高，有利于增強EMI濾波器對共模電流的抑制作用并減小EMI濾波器體積。為了驗證開關頻率對EMI濾波器濾波效果的影響，本文分別對開關頻率為3kHz和6kHz時系統輸出的漏電流有效值進行了對比研究，不同工作頻率下系統漏電流有效值如表2所示。仿真結果表明適當的提高開關頻率，采用合理的調制控制方法，以及合理配置EMI濾波器位置與參數，將實現比較理想的漏電流抑制效果，從而保證系統在各種不同安裝環境和容量下均能滿足漏電流安全閾值的要求。

5結論

通過分析HB-CMI光伏發電系統漏電流的產生機理，建立了系統的共模等效模型；在4種傳統調制技術基礎上，對比研究表明PO調制技術對漏電流的抑制效果最佳，但是仍無法保證漏電流降低至安全閾值范圍內；在此基礎上提出在系統的每個單元直流側加入EMI濾波器，并且考慮開關頻率對EMI濾波器的影響，結果表明在選擇較優的調制策略前提下，通過在單元直流側增加合適的EMI濾波器，同時優化設計系統開關頻率，即可對HB-CMI光伏發電系統的漏電流起到較好的抑制效果，保證不同安裝環境和容量下系統漏電流均滿足安全閾值要求。

作者：閆海云 王萍 薛利坤 韓富強 亓才 單位：天津大學 電氣與自動化工程學院