【本刊学术】一种新型高效无变压器型单相光伏逆变器

河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室的研究人员杨晓光、姜龙斌、冯俊博、汪友华，在2015年第8期《电工技术学报》上撰文，单相无变压器型逆变器由于体积小、效率高、造价低，被广泛应用于低功率光伏并网系统中。

本文提出了一种新型无变压器型单相光伏逆变器，该逆变器不产生共模电流，对电网不产生直流分量。相同条件下，其输出电流纹波是半桥逆变器的一半，与二极管钳位式三电平逆变器的几乎相同；并且其效率高于半桥逆变器，与二极管钳位式三电平逆变器的效率接近；实验样机的测试结果验证了所提出的逆变器拓扑的合理性。

逆变器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件，用以实现光伏阵列模块运行于最大功率点和向电网注入正弦电流。目前有三种基本的逆变器：工频变压器型光伏逆变器、高频变压器型光伏逆变器和无变压器型光伏逆变器。较之前两种类型，无变压器型光伏逆变器不仅成本降低，体积和重量较小，其效率可提高1%～2%[1-3]。

然而，由于没有变压器隔离，光伏阵列模块和电网之间存在电气连接，除了导致安全问题外，还可能产生如下两个问题：①逆变器输入到电网中的电流可能含有较大的直流分量（直流注入），导致电网中的分布变压器工作点偏移，可能引起变压器饱和[4]；②如果逆变器具有可变的共模电压，在光伏阵列模块和地之间会产生共模电流（漏电流）。共模电流可能导致严重的传导型或辐射型电磁干扰，致使电网电流产生畸变，并增加了系统的额外损耗[5-6]。

对于上述无变压器型光伏逆变器存在的三点问题：①采用接地故障检测装置可以满足安全需求[7]。②通常，电网电流通过控制（如PI 调节）来消除直流分量。然而，由于检测控制环节所用的器件具有直流偏移问题，会导致电网中直流分量的存在；为了减小由于器件偏移造成的直流分量就必须使用低偏移量的器件，而造成硬件成本的增加[8]。因而，光伏并网逆变器应该选择不存在直流分量问题的逆变拓扑。③对于无变压器型光伏并网逆变系统，文献[5]指出：必须采用不产生可变共模电压的逆变器拓扑。

现有的逆变器主要有全桥逆变器及其改进形式、半桥逆变器、三电平逆变器及其改进形式。全桥逆变拓扑具有很好的性价比，在已存在的功率拓扑中得到了广泛的应用。然而，全桥逆变器在单极性脉冲宽度调制[9-11]（PWM）方式下用于光伏并网，所产生的共模电压是变化的，会引起共模电流；同时，由于功率开关管导通和关断时间不对称，脉冲宽度调制过程中脉宽不平衡会导致逆变器输出电流中存在直流分量。

因此，通常全桥逆变器在单极性脉冲宽度调制方式下用于光伏并网需要采用变压器隔离。双极性PWM 全桥逆变器用于光伏并网[6,11-12]不产生可变的共模电压。然而，双极性PWM 方式将产生较大的电流纹波，增加了开关损耗，降低了逆变器的效率；同样，双极性PWM 全桥逆变器会在电网中产生直流分量。

文献[6,13-14]对全桥逆变器进行了改进，减小了输出电流的纹波，提高了效率，但电网直流注入的问题并没解决。

半桥逆变器用于光伏并网[4,15-16]不产生可变的共模电压，同时该逆变器通过连接电网端到电容器组的中点而确保不对电网产生直流分量。然而，半桥逆变器产生较大的电流纹波，增加了开关损耗，降低了逆变器的效率。

采用二极管钳位式三电平逆变器可以产生不变的共模电压，并且可提高效率，降低纹波[4,17-18]。但是，这种结构具有直流注入问题。文献[8]提出了一种改进的二极管钳位式三电平逆变器，减小了直流注入；然而该文献同时也指出：由于太阳电池受到遮蔽、灰尘或者电池本身的问题而造成该逆变器的输出电压波动较大。

本文提出了一种新型结构的逆变器，该逆变器从结构上保证了不产生共模电流，并不对电网产生直流分量；同时该逆变器具有输出纹波小和较高的效率，适合于无变压器型单相光伏并网系统。

结论

本文提出了一种新型无变压器型单相光伏逆变器。该逆变器不产生共模电流，其拓扑确保对电网不产生直流分量。同时，该逆变器输出的电流纹波与二极管钳位式三电平逆变器输出的电流纹波大小相同，是半桥逆变器输出电流纹波的一半；新型逆变器的效率与二极管钳位式三电平逆变器的效率接近，高于半桥逆变器的效率。所提出的新型逆变器在无变压器型单相光伏系统中具有广阔的应用前景。