非隔离的光伏逆变器漏电流抑制技术研究及其拓扑解析

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翻新时间：2023-08-06

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非隔离的光伏逆变器漏电流抑制技术研究及其拓扑解析

【摘要】本文主要介绍光伏逆变器漏电流形成原因及危害，并通过MATLAB软件仿真，验证并比较在SPWM及SVPWM两种调制方法下三相光伏逆变器漏电流抑制情况，最后并进行了单相系统在单极性和双极性调制下的漏电流抑制。

【关键词】漏电流；SPWM；SVPMW；共模电压；单极性；双极性

1 光伏逆变器漏电流形成原因及其危害

地电流的存在会造成电网电流畸变，电磁干扰，系统的额外损耗，以及人身安全隐患，德国DIN VDE-0126-1-1 标准规定，当地电流高于300mA时，光伏并网系统必须在0.3s内从电网中切除，国内金太阳认证也有类似的标准。传统的光伏系统出于对安全的考虑，通常在光伏电池和电网之间插入变压器作为电气隔离，阻断漏电流回路。但隔离变压器增加了系统的重量，体积和成本，降低了整体效率，因此无变压器隔离的光伏逆变器漏电流抑制技术近来成为了国内外学者研究的热点。

2 三相光伏逆变拓扑漏电流抑制

2.1 SPWM与SVPWM调制方式的共模电压

由频谱图可以看出共模电压主要含有直流分量Vdc=300V，即1.5倍的母线电压，以及开关频率3KHz的谐波电压。

同样的条件下将调制方式改为SVPWM方式：

由频谱图可以看出，共模电压中的直流成分含量与SPWM一致，即都为母线电压的1.5倍，但交流成分中还含有大量的3的奇数倍次谐波，分布在基频附近和开关频率附近。由共模电压的定义可以看出，当以母线的电容中点为参考点时，共模电压的直流成分将为0。

2.2 带分裂电容的三相逆变拓扑

如图5所示的带分裂电容的三相逆变拓扑，将直流母线中点与电网中性点直接相连，得到的共模电压等效模型如图6所示：

由等效模型可以看出，将直流母线的中点一电网中性点直接相连以后，参考点与地之间被母线中点钳位，而母线电容远大于光伏电池正负极的寄生电容，从而使共模电流强制流向母线电容，从而达到了抑制漏电流的目的。

但从2.1节的频谱分析可以看出，SVPWM调制方式的共模电压中含有大量的3的奇数倍次谐波，这些三相3的奇数倍次谐波属于零序分量，当母线中点与电网中性点相连时，零序分量有了通路，电网相电流会产生严重畸变。因此SVPWM调制方式不适用于母线中点与电网中性点直接相连的拓扑。而SPWM调制方式的共模电压中仅仅含有开关频率处的谐波，因此这种带分裂电容的拓扑只适用于SPWM调制方式。而SPWM的母线电压利用率较低，如果采用直流母线中点与电网中性点直接相连的拓扑时，需要加一级升压电路。

3 单相光伏逆变器的漏电流抑制

3.1 单极性调制与双极性调制的共模电压

3.2 单极倍频调制方式的共模电压抑制

与双极性调制方式相比，在相同载波频率条件下，单极倍频调制方式具有开关次数少，波形质量好的优点，因此抑制单极倍频调制方式的共模电压成为了各国新能源领域的研究热点之一。以下介绍几种国外典型的针对抑制共模电压的单相逆变拓扑。

德国SMA 公司的Sunny Mini Central 系列和SunnyBoy TL 系列的光伏并网逆变器采用H5 拓扑，德国Sunways 公司生产的NT 系列的光伏并网逆变器采用HERIC 拓扑，其中SMA公司已在中国，欧洲以及美国申请了H5拓扑专利，而Heric拓扑在中国没有申请专利。

如图8所示的H5拓扑，其原理是在调制波正半周期，S1常开，S4和S5共驱动并与S3的驱动互补，逆变回路S1，S4，S5导通，共模电压，续流回路S1与S3导通，a点电位与b点电位由S5 ，S4两个开关管的分压决定，而对于寄生参数相同的开关管，可以认为a，b两点电位为母线中点电位，共模电压，因此这种H5拓扑的共模电压没有脉动，可以抑制共模漏电流。

综上所述，单相光伏逆变拓扑的共模电压抑制原理是在续流回路依靠开关管的阻断和寄生参数的分压将桥臂电位钳位在母线中点，国内各高校与有关企业的拓扑专利也是利用此原理，只是不同的拓扑配合不同的调制方法。

参考文献：

[2]冯垛生，张淼，赵慧.等.太阳能发电技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[3]张亮.UPS的原理与应用[J].电气时代，2000.

[4]张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出社，2010.