单相变压器型光伏系统的新型逆变器拓扑结构

抽象的

无变压器光伏发电系统具有成本低、体积小、效率高等优点，具有广阔的发展前景。其中最重要的问题之一是如何防止共模漏电流。为了解决这一问题，本文提出了一种新型的逆变器。建立了系统共模模型，分析了逆变器的四种工作模式。结果表明，共模电压可以保持恒定，从而抑制漏电流。最后进行了实验测试。实验结果验证了该方法的有效性。

1.介绍

无变压器光伏逆变器具有小尺寸，成本低，效率低的突出优点[1］．近年来，越来越多的商用无变压器光伏逆变器被开发出来。然而，无变压器逆变器的输入输出侧没有电隔离，容易出现共模漏电流问题[2］．共模漏电流不仅影响逆变器的电磁兼容性[3.，但也会导致潜在的人类安全问题[4］．

为了解决这一问题，神威公司开发了HERIC逆变器[5］．SMA公司研制H5变频器[6］．萧和谢介绍了泄漏电流分析模型[7]，然后开发出新的优化H5 [8和分体式电感中性点箝位逆变器[9］．Cavalcanti等人开发了用于三相二电平的空间矢量调制技术[10]及三级[11逆变器。Guo等人。开发了三相逆变器的载波调制技术[12］．Yang等人[13， Zhang等[14， San等[15]开发了改进的H6变频器。同时，开发新型无变压器光伏逆变器也受到越来越多的关注。

本文的主要贡献是开发了一种新型的单相无变压器光伏逆变器。与HERIC相比[5]，方案中只需要一个辅助开关和门控驱动器。在HERIC中，需要两个辅助开关。另外，应该为两个辅助开关设计两个辅助门控驱动器。因此，由于较少使用辅助开关和门控驱动器，该方案更具有成本效益和可靠性。另一方面，三种半导体在模式2和模式4中传导电流。而在Heric中，两个半导体在模式2和模式4中导电。因此，主要的区别是多了一个二极管损耗。随着市场上可用的Sic二极管的发展，二极管的损耗将非常小。所以这个差异由于一个额外的二极管损耗将是很小的。最后，理论分析和实验结果验证了所提出的解决方案。

2.提出的拓扑

数字1说明了所提出的单相逆变器的原理图。它由五个开关和四个二极管组成。为光伏阵列与地之间的寄生电容。电容值取决于光伏板框架结构、天气条件、湿度等多种条件，一般可达50 - 150nf /kW。电网电压，和为直流母线电压。和是滤波器电感器。

共模电压和差模电压定义为

从 （1），可以获得以下电压方程：

数字2显示系统共模式模型。可以观察到差模电压对系统共模电流的影响．因此，滤波器电感为应设计成与之相同的价值；也就是说,．因此，如图所示，差模电压不会贡献共模电流2［15］．注意，共模电流主要是由高频开关元件引起的。因此，由于共模电压的频率远低于开关频率，故忽略电网电压对共模电压的影响[2］．

另一方面，来自图2，可以观察到，在共模电压的条件下将消除共模漏电流可以一直保持不变。原因是共模漏电流通过,取决于．当共模电压时是恒定的吗也是恒定的。这是．因此，如果采用共模电压，就可以消除共模漏电流是恒定的。为了实现这一目标，下面将介绍操作原则。

所提出的逆变器工作在四种模式下，如图所示3.和表1．

模式1:交换机和打开，其他开关关闭。差分模式电压等于直流母线电压，共模电压可表示为

在模式2中，只有交换机打开，其他交换机关闭。目前流过和二极管。在这种情况下，是模式差压为0，共模电压不变为

在模式3中，开关和打开，其他开关关闭。差分模式电压是，共模电压可表示为

在模式4中，只有交换机打开，其他交换机关闭。目前流过和二极管。在这种情况下，是模式差压为0，共模电压不变为

从以上理论分析可以看出，共模电压在整个工作周期内保持恒定。因此，根据图的理论分析，共模漏电流可以得到明显的抑制2．

系统的无源组件和有源组件设计如下。系统额定功率为1.5 kW，直流母线电压是400 V，网格电压为220 Vac，电网频率为50 Hz，逆变开关频率为10 kHz。

首先，诸如交换机的活动组件根据工作电压，导通状态电流设计。交换机的额定电压和电流应力（，，，，）和二极管分别为400 V和10 A.因此，选择来自国际整流器的IRG4BIBC30S IGBT为五个开关（，，，，）。其集电极到发射极击穿电压为600V，连续收集器电流分别为23.5A和13A，°C和°C。二极管采用GeneSiC半导体公司的FR20J02GN-ND。

另一个需要考虑的设计是滤波器电感。其电感可根据常用的设计准则计算，其中最大电流纹波幅度小于额定电流的10%。滤波器电感电流纹波可以从图中计算出来4如下。

在模式1中，电感电流增加: 在哪里和是电网电压的幅度和角度频率为模式1的时间间隔。

在模式2中，电感电流减小: 在哪里为模式2的时间间隔，,是切换周期。

在稳定状态,．所以．考虑，我们可以得到

替代（9） 进入 （8），电感电流纹波可以计算如下：

时，电流纹波达到最大值．在这种情况下，最大电流纹波为

在这篇文章中,是400 V,100 US，额定电流为10 A，最大电流纹波应小于1 a;因此，滤波器电感应该如下设计：

3.模拟和实验结果

为了进一步验证所提出的逆变器的有效性，在MATLAB/Simulink中进行了性能测试。系统的组成及参数如下:系统额定功率为1.5 kW，直流母线电压是400 V，网格电压为220 Vac，栅极频率为50 Hz，开关频率为10 kHz，滤波器电感为，寄生电容为= 150 nf。通过通过寄生电容测量电流来获得漏电流[10］．

数字5显示所提出的转换器的操作。操作模式1和模式2的仿真结果如图所示5(一个)．与图中的理论分析一致4（a），当开关时和打开，集电极到发射极的电压的近似为零，它的电流呢随着坡度而增加．仿真结果波形为是一样的吗在模式1中，为了简单起见，这里没有复制。

在模式2中，只有开关打开，集电极到发射极电压的从400v(模式1)到零(模式2)，以及它的电流用斜坡减少．

figure中的最后一个数字5(一个)显示滤波器电感电流，可以观察到电感电流在一个开关周期内充电(模式1)和放电(模式2)，电流纹波小于1 a，与本节的设计考虑很好地一致2．

操作模式3和模式4的仿真结果如图所示5 (b)．与图中的理论分析一致4 (c)，当开关时和打开，集电极到发射极的电压的近似为零，它的电流呢在模式3增加。模式4时，只有交换机打开，集电极到发射极电压的从400v(模式3)到零(模式4)，以及它的电流减少。figure中的最后一个数字5(一个)显示滤波器电感电流，可以观察到电感电流电流纹波小于1 a，与本节的设计考虑吻合较好2．

数字6显示时间和频率域输出波形的仿真结果。可以观察到输出网格电流是正弦波，其总谐波失真（THD）远低于5％，如IEEE STD所示。929-2000。

共模电压和漏电流的仿真结果如图所示7．可以观察到，共模电压是恒定的，这与部分中的理论分析一致2．另一方面，寄生电容电压不包含任何高频共模电压，因此泄漏电流明显减小，如图所示7 (c)．其峰值低于300 mA，RMS值低于30 mA，符合国际标准VDE 0126-1-1。

如图所示8时，可观察到寄生电容电压只有基频分量，没有任何高频分量。因此，漏电电流可有效降低到300 mA以下，符合国际标准VDE 0126-1-1。

4。结论

本文对一种新型无变压器光伏逆变器进行了理论分析和实验验证。提出的逆变器有以下有趣的特点。可在整个工作周期内保持系统共模电压恒定。因此，共模漏电流可显著降低至300 mA以下，满足国际标准VDE 0126-1-1。因此，它是一种具有吸引力和前景的无变压器光伏系统的替代拓扑。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

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