摘 要：針對(duì)非隔離光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中存在的漏電流問(wèn)題，提出了一種新型兩級(jí)并網(wǎng)逆變器。該單相無(wú)變壓器逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一種新型前級(jí)交錯(cuò)升降壓變換器和半橋逆變器組成。新的兩級(jí)緊湊型逆變器結(jié)構(gòu)，在第一級(jí)采用高增益交錯(cuò)升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，可提高直流輸入電壓；在第二級(jí)采用半橋逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)共地技術(shù)，消除漏電流，并將系統(tǒng)的DC/AC集成提供給電網(wǎng)。文中還搭建了基于MATLAB/SimuLink軟件的仿真模型，仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，所提出的逆變器不僅具備緊湊且集成度高的單級(jí)設(shè)計(jì)，還通過(guò)兩級(jí)操作模式，實(shí)現(xiàn)了漏電流的有效消除，同時(shí)獲得了更高的升壓增益。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗喾歉綦x；漏電流；共地型逆變器；共模電壓；并網(wǎng)；MATLAB/SimuLink

中圖分類號(hào)：TP39；TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）01-0-03

0 引 言

在過(guò)去數(shù)年間，鑒于對(duì)氣候變化加劇，油價(jià)上漲以及使用化石燃料（如煤炭、天然氣和石油）等由不可再生能源所引發(fā)的全球變暖問(wèn)題的擔(dān)憂，替代能源技術(shù)的發(fā)展速度顯著加快。在眾多可再生能源中，太陽(yáng)能光伏（PV）系統(tǒng)是最環(huán)保、最容易搭建且最常用的技術(shù)之一。得益于材料工藝和制造工藝的不斷進(jìn)步，光伏系統(tǒng)的成本不斷降低，已經(jīng)成為廣泛部署的首選能源方案[1]。

逆變器作為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心組件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成本效益、使用壽命以及效率表現(xiàn)起著決定性作用。隔離型逆變器通過(guò)在直流側(cè)和交流側(cè)之間引入變壓器實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。變壓器的引入雖然提供了較高的安全性能，但同時(shí)增加了設(shè)備的體積和成本，已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)高效率和低成本技術(shù)的需求。相比之下，非隔離型逆變器憑借其高效率、小體積和輕重量的優(yōu)勢(shì)，逐漸受到新能源市場(chǎng)的青睞。在非隔離型逆變器中，由于去除了變壓器，光伏發(fā)電系統(tǒng)可能面臨漏電流問(wèn)題[2-3]。因此，研究如何抑制或消除漏電流成為非隔離型逆變器領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。

目前被廣泛采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括文獻(xiàn)[4]中提出的H5拓?fù)?、文獻(xiàn)[5]中提出的HERIC拓?fù)浼捌涓倪M(jìn)HERIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6-7]。這些拓?fù)渫ㄟ^(guò)隔離直流側(cè)與交流測(cè)來(lái)消除漏電流，但受限于開(kāi)關(guān)管的實(shí)際結(jié)構(gòu)，漏電流無(wú)法被完全消除。有學(xué)者提出采用中點(diǎn)鉗位結(jié)構(gòu)來(lái)消除漏電流，但此方法同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)漏電流的完全消除，還會(huì)因?yàn)槠骷脑龆嘣斐沙杀镜奶岣吆托实慕档汀?/p>

共地型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是近年來(lái)提出的一種能夠徹底消除漏電流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]所提出的逆變電路將Boost電路與開(kāi)關(guān)電容結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具備升壓功能。然而，其缺陷在于僅支持雙極性調(diào)制，導(dǎo)致并網(wǎng)電流波形質(zhì)量較差，且大量無(wú)功交換降低了逆變電路的效率。文獻(xiàn)[9]提出了兩電平共地型拓?fù)?，但存在輸出諧波含量較多的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種單相無(wú)變壓器逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一種新型的前端交錯(cuò)升降壓變換器和半橋逆變器組成。在并網(wǎng)過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)將光伏電池負(fù)端直接連接到電網(wǎng)中性點(diǎn)，相當(dāng)于將光伏電池的寄生電容短路，從而有效地解決漏電流問(wèn)題。

1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和模態(tài)分析

1.1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所提出的兩級(jí)逆變器拓?fù)涞氖疽鈭D如圖1所示。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由新型前級(jí) DC-DC 電路和傳統(tǒng)半橋逆變器組成。其中新型前級(jí)結(jié)構(gòu)包含 1個(gè)開(kāi)關(guān)管、2個(gè)二極管、2個(gè)電感和 3個(gè)電容。

1.2 模態(tài)分析

對(duì)本文所提出的逆變器前級(jí)的工作原理進(jìn)行分析。逆變器前級(jí)運(yùn)行模態(tài)如圖2所示。

模態(tài)一：如圖2（a）所示，在此模態(tài)下，開(kāi)關(guān)管 S1接通，輸入電壓 Vin經(jīng)開(kāi)關(guān)S1向電感L1上儲(chǔ)能，電感 L1的電流IL1上升。輸入電壓Vin和電容 C1共同經(jīng)電感 L2向負(fù)載供電。根據(jù)基爾霍夫定律，可得到該模態(tài)下的電壓、電流回路方程，見(jiàn)式（1）：

（1）

式中：VL1、VL2和VC1分別表示電感 L1和L2以及電容 C1上的電壓；Vin為輸入電壓，VCo1為輸出電壓；IC1和IL2 分別是電容 C1和電感 L2的電流。

模態(tài)二：如圖2（b）所示，在此模態(tài)下，開(kāi)關(guān)管 S1斷開(kāi)，電感 L1經(jīng)二極管D1給電容 C1充電，同時(shí)，給負(fù)載CO2供電。電感L2經(jīng)二極管D1給負(fù)載CO1供電?？傻玫皆撃B(tài)下的電壓、電流回路方程，見(jiàn)式（2）：

（2）

式中：VCO2為輸出電壓；IL1是電感 L1的電流。

2 漏電流和輸出電壓特性

2.1 漏電流分析

在本文所提出的新型拓?fù)錁?gòu)成的光伏系統(tǒng)中，逆變器的中性點(diǎn)將光伏陣列負(fù)極連接到電網(wǎng)接地，使用共地方法可以使電網(wǎng)接地和光伏陣列之間的漏電流沒(méi)有遷移路徑，因此泄漏電流被消除[10-11]。

共模電壓VCM和差模電壓VDM的計(jì)算公式見(jiàn)式（3）與式（4）：

（3）

（4）

總共模電壓的計(jì)算公式見(jiàn)式（5）：

（5）

式中：節(jié)點(diǎn)A是由開(kāi)關(guān)管S2和S3串聯(lián)連接的中點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)B則是由分壓電容CO1和CO2串聯(lián)連接的中點(diǎn)；N則是公共參考點(diǎn)。

當(dāng) S2導(dǎo)通時(shí)，VAN=Vz，VBN=0，此時(shí)：

（6）

當(dāng) S3導(dǎo)通時(shí)，VAN=0，VBN= Vn，此時(shí)：

（7）

由上述分析可知，新型拓?fù)渑c逆變器構(gòu)成的光伏系統(tǒng)在逆變器運(yùn)行過(guò)程中，共模電壓始終為0，共模電流也為0。因此，本文所提出的新型拓?fù)錁?gòu)成的逆變器系統(tǒng)能夠解決漏電流問(wèn)題。

2.2 輸出電壓特性

由于開(kāi)關(guān)頻率較高，兩個(gè)電容器的電壓紋波可以忽略不計(jì)。因此，假設(shè)電容器兩端的電壓是恒定的。由于理想電感器兩端的平均電壓為0，因此本文所提出的轉(zhuǎn)換器的電感器上的電源可以分為接通和斷開(kāi)狀態(tài)，表達(dá)式見(jiàn)式（8）：

（8）

根據(jù)式（1）和式（2），通過(guò)對(duì)電感L1和L2應(yīng)用伏秒平衡原理，可分別對(duì)輸出電壓VCO1和VCO2進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式見(jiàn)式（9）與式（10）：

（9）

（10）

所提出的新型變換器的輸出電壓增益的計(jì)算公式見(jiàn)式（11）：

（11）

式中：D表示開(kāi)關(guān)管 S1的占空比，其取值范圍為 0 ≤ D lt; 1。

由式（11）可以得知，此時(shí)的電壓增益為輸入電壓的 2D/（1-D）倍，使系統(tǒng)在寬輸入電壓范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓的功能，能夠適應(yīng)不同串并聯(lián)組合的光伏電池并網(wǎng)，從而提高了系統(tǒng)的靈活性。

3 仿真分析

為驗(yàn)證拓?fù)涞恼_性，本文采用單極性調(diào)制對(duì)該拓?fù)溥M(jìn)行相應(yīng)的并網(wǎng)升降壓，電路參數(shù)見(jiàn)表1。

由圖4可發(fā)現(xiàn)，共模電壓的仿真結(jié)果同前文的相應(yīng)分析結(jié)論一致，共模電壓為0，逆變器的漏電流為0，證明了本文所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具備消除漏電流的能力。

利用MATLAB/SimuLink軟件對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行總諧波失真（THD）分析，分析結(jié)果如圖5所示，能夠滿足GB/T 30427—2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的并網(wǎng)電流總諧波小于5%的要求。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，并網(wǎng)電網(wǎng)電流能夠保持較高的電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)有效的并網(wǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型兩級(jí)單相無(wú)變壓器逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分析了逆變器前級(jí)新型 DC/DC 變換器的工作原理和模態(tài)。研究了新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)漏電流內(nèi)在機(jī)理，分析了其輸出電壓特性。與傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，本文所提出的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：具有較高電壓增益；使用功率半導(dǎo)體器件的數(shù)量減少；光伏電池的負(fù)端直接連接到電網(wǎng)的中性點(diǎn)，可以徹底消除漏電流。

參考文獻(xiàn)

[1] ALTIN N， OZDEMIR S， KOMURCUGIL H， et al. Two-stage grid-connected inverter for PVsystems [C]// IEEE 12th International Conference on Compatibility， Power Electronics and Power Engineering. Doha： IEEE， 2018.

[2] WU W， BLAABJERG F. Aalborg inverter-a new type of “Buck in Buck， Boost in Boost” grid-tied inverter[J]. IEEE transactions on power electronics， 2015， 30（9）： 4784-4793.

[3] ROOHOLAHI B. A new transformerless single-phase eleven-level inverter with reduction of witches based on model predictive control method [C]//2020 2nd Global Power， Energy and Communication Conference. Izmir， Turkey： IEEE， 2020： 102-107.

[4] SIWAKOTI Y P， BLAABJERG F. H-bridge transformerless inverter with common ground for single- phase solar-photovoltaic system [C]// 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.[S.l.]： IEEE， 2017： 2610-2614.

[5] DAS A， SHEEJA G. Photovoltaic H6-type transformerless inverter topology [C]// IEEE Second International Conference on Electrical.[S.l.]： IEEE， 2017： 1-5.

[6] 王海娜. 一種新型H5拓?fù)浞歉綦x光伏并網(wǎng)逆變器研究[J].電力電子技術(shù)，2018（10）：112-114.

[7] ISLAM M， MEKHILEF S， ALBATSH F M. An improved transformerless grid connected photovoltaic inverter with common mode leakage current elimination [C]// IEEE International Conference on Power Electronics. [S.l.]： IEEE， 2014： 1-6.

[8] VáZQUEZ N， VáZQUEZ J， VáQUERO J， et al. Integrating two stages as a common-mode transformerless photovoltaic converter[J].IEEE transactions on industrial electronics， 2017， 64（9）： 7498-7507.

[9] ARDASHIR J F， SABAHI M， HOSSEINI S H， et al. A single-phase transformerless inverter with charge pump circuit concept for grid-tied PV applications [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2017， 64（7）： 5403-5415.

[10]袁義生，胡根連，毛凱翔，等. 兩級(jí)式逆變器前級(jí)電路兩種控制下的損耗分析[J]. 電力電子技術(shù)，2018，52（8）：86-89.

[11]曹晨晨，廖志凌. 共地型無(wú)漏電流單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2020，40（4）：1063-1072.