1442-一种新颖的单相光伏逆变器

一种新型单相光伏逆变器汪雪峰 陶利锋 支艳平 李志鹏常熟开关制造有限公司， 常熟 215500 摘 要 针对传统单相并网型光伏逆变器效率低、 输出电流谐波大， 无隔离变压器会产生共模电流等问题， 本文提出了一种新型的单相并网型光伏逆变器，采用两级式非对称三电平拓扑，无工频隔离变压器，提高了整机效率，改善了输出电能质量。 针对无隔离变压器型逆变器共模电流问题， 简要介绍了共模电流产生的机理， 分析了非对称三电平结构在抑制共模电流方面的优势。关键词 光伏并网 非对称三电平 共模电流1．引言目前， 市场上单相并网型光伏逆变器主要有两种：一种带隔离变压器型，另一种是无隔离变压器型。传统的非隔离式单相并网型光伏逆变器多采用两电平模式，由于取消了隔离变压器，整机效率得到了提升。但是两电平拓扑开关器件所承受的 /dv dt 应力比较大，造成开关损耗大，影响整机效率；同时输出的谐波含量相对较高，影响并网电能质量。为了进一步提高效率，改善输出电能质量，本文提出一种新型的单相光伏逆变器，采用非对称式三电平拓扑。2．非对称式三电平逆变器的拓扑及工作原理2.1 非对称式逆变器拓扑非对称式逆变器是指逆变桥采用两个不相同的桥臂组合而成，如图 1 所示。图中， P、 N 分别为正、负直流母线，支撑电容 C1=C2， O 点为母线中点。逆变电路由高频和工频两个桥臂组成，其中， S1、 S2、 S3、S4、 D1、 D2 组成了二极管钳位式三电平桥臂， S5、 S6组成工频桥臂。图 1 非对称式三电平拓扑2.2 三电平逆变原理 [1]三电平逆变器工作原理如图 2 所示。图中，在输出交流正弦调制波半个周期内（正、负半周均适用） ，根据输出电压指令 refu 与 1 2 PNU 值的大小分成 3 个工作阶段，构成一个正弦波的半周。以下以正半周为例说明三电平逆变桥工作过程。（ a）工作状态 1 （ b）工作状态 2 （ c）工作状态 3图 2 三电平逆变半周期工作模式(1) 工作状态 1。当 1 2ref PNu U 时，直流输入需要 PNU 才能满足输出要求，此时逆变器工作状态如图2(b)所示。开关管 S1、 S2、 S6 导通， S3、 S4、 S5 断开，二极管 D1、 D2 截止， a 点电位为 PNU 。(3) 工作状态 3。三电平逆变桥还有一个续流状态，如图 2(c)所示。开关管 S3、 S4、 S6 导通， S1、 S2、S5 断开，二极管 D1、 D2 截止， a 点电位为 0。负半周工作状态与正半周类似，只是完成上述 3个工作过程的开关管状态与正半周互补。将不同区间的正弦调制波与三角载波相比较，就得到了输出线电压波形，如图 3 所示。PNU12 PNU12 PNU-PNU-T12T图 3 输出线电压波形2.3 非对称三电平结构的优点（ 1） 效率 传统的两电平逆变器， 其输出相电压只有两个电平 0 和 PNU ，当开关管切换时其承的开关应力为 /PNU dt 。三电平逆变器输出相电压有三个电平 ： 0 ， 1 2 PNU 和 PNU ， 且 遵 循 0 1 2 PNU→ 、1 2 PN PNU U→ 原则跳变， 因此其开关管切换时所承受的应力为 1 2 /PNU dt ，开关损耗比两电平逆变器小，逆变效率更高。（ 2） 谐波 三电平结构输出相电压比两电平结构多了一个电平，其输出线电压实际上有五个电平，相比较两电平时输出线电压的三个电平，其波形更接近于正弦波，因此谐波含量大大降低。（ 3）共模电流 [2] 非隔离型逆变器不可避免的会产生共模电流，增加了整机的电磁辐射和安全隐患。在两电平拓扑中，通过额外增加开关管，从电路结构上掐断共模电流回路的方法来抑制共模电流，研究出了 H5、 Heric 等拓扑结构。 在非对称式三电平拓扑中，电路结构本身的特点配合上适当的调制模式，可以抑制共模电流的产生。本文提出的非对称式三电平结构的共模通路模型如图 4。图中， Cpv+、 Cpv- 为太阳能电池板对大地的寄生电容，忽略 IGBT 对地寄生电容， a、 b 点电压跳变会引起共模电流的产生，根据基尔霍夫定律，分别对a、 b 点所在的回路列出电压方程：0a L G cmU U U U- + + + = (1) 0b cmU U- + = (2) 寄生电容上的共模电流方程：( ) cmcm pv pv dUI C C dt+ -= + (3) 上述各式中参数意义如下：aU ： a 点对负母线电位bU ： b 点对负母线电位LU ：电感 L 两端压降GU ：电网电压cmU ：寄生电容上压降cmI ：地线上共模电流由式 2 可得， cm bU U= 。 b 点为工频桥臂输出，正半周期时， S5 断开， S6 导通， 0cmU = ； 负半周期时，S5 导通， S6 断开， cm PNU U= 。即 cmU 在一个周期内只跳变一次，并且可以通过减慢工频管切换的速度来降低激励的共模电流 （几乎不引起效率的损失） 。 这种方式下，在每半个工频周期内几乎不存在高频的共模电流。图 4 非对称式三电平共模模型基于上述分析，对系统共模电流进行了测试，测试波形如图 5。从图中可以看到，只有在工频开关切换瞬间，有共模电流脉冲产生，其他时刻没有高频共模电流。切换时的共模电流脉冲可以通过改变切换速度、 EMI 共模滤波电感加以抑制。试验证明，本文所提出的结构能够较好地抑制共模电流。图 5 非对称三电平共模电流波形3．非对称三电平逆变原理的应用基于上述逆变拓扑及原理，我公司设计研制了 3、4、 5kW 单 相 并 网 型 光 伏 逆 变 器 ， 型 号 分 别 为CS1G-3SL、 CS1G-4SL 和 CS1G-5SL。逆变器基本拓扑采用图 6 的两级式结构，外形结构如图 7 所示，主要特点如下：图 6 CS1G-SL 系列逆变器拓扑结构图 7 CS1G-5SL 外型图(1) 逆变效率 CS1G-SL 系列逆变器采用低导通压降功率开关管，非对称式三电平结构又降低了开关损耗，进一步提高了整机效率，使最大效率达到了97.3%。(2) 电能质量 运用内模控制理论，综合正弦 PR控制、直流分量抑制以及重复控制等多种内模进行协同控制，解决了逆变控制的电能质量问题，输出电流波形如图 8 所示。图 8 输出电流波形满功率情况下，输出电流总 THD≤ 1.0%，功率因素 φ >0.99%。电流各次谐波如图 9 所示。图 9 电流各次谐波(3) 防护等级 CS1G-SL 系列逆变器为户外型，防护等级为 IP65。(4) 电磁兼容 通过对共模电流有效地抑制， 大大降低了电磁辐射，提高了整机 EMC 性能。(5) 保护功能 CS1G-SL 系列逆变器设计了完善的保护功能，包括绝缘保护、漏电流保护、短路保护、过流、过热、过 /欠压、过 /欠频，孤岛等。同时，为防止电压 /电流传感器或者某一路开关电源出现故障造成安全事故，设计了单一故障保护功能，提高了系统的安全性能。4．结论通过上述理论上的分析，以及实际应用的检验，说明本文所提出的新型单相并网型光伏逆变器的设计方案是可行的，并且达到了比较好的应用效果。我公司按照上述原理设计的 CS1G-SL 系列逆变器通过了CQC 认证，并且经过长时间运行验证了其稳定性。参考文献[1] 李鹏飞， 高飞， 潘俊民 . 一种新型升压三电平逆变器 [J].上海交通大学学报， 2009 [2] 孙龙林，张兴，许颇，赵为，曹仁贤 . 单相非隔离型光伏并网逆变器中共模电流抑制的研究 [C]. 中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会