基于旁路电容的L型滤波光伏并网逆变器漏电流抑制方法
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
燕山大学电气工程学院的研究人员郭忠南、郭小强、李建等，在2017年第18期《电工技术学报》上撰文指出，传统无变压器非隔离光伏并网逆变器系统中，通常采用增加交流旁路开关或直流旁路开关的方式解决系统漏电流问题。然而系统中加入旁路开关增加了系统成本，同时需要增加旁路开关的驱动电路，系统电路结构和控制方式复杂。
为了解决该问题，提出一种基于旁路电容的漏电流抑制方案。首先以典型L滤波的光伏逆变器为研究对象，在分析其共模模型的基础上，提出旁路电容法实现漏电流抑制，并对不同旁路电容对系统共模特性的影响进行分析。
该方案通过引入旁路电容改变系统共模回路，有效地滤除共模电压高频分量，消除系统寄生电容电压高频分量，从而实现漏电流的有效抑制。最后对提出的方案进行仿真和实验研究，验证了提出方案的可行性和有效性。
随着世界能源危机以及环境污染状况的不断加剧，光伏发电等清洁可再生能源得到各国政府、学术界以及工业界的广泛关注。在光伏发电系统中，逆变器起着较为关键的作用，其主要负责将光伏板发出的直流电变换成为工频交流电，进而根据负载或电网需要完成电能变换。
目前光伏逆变器分为两大类。其中一类是隔离型光伏逆变器，该类逆变器中带有工频或高频变压器，其主要作用是电压调节和电气隔离。然而，工频或高频变压器主要由互感的一个或多个线圈构成，体积大、成本高，且变压器能量传输过程中存在功率损耗，造成逆变器整体转换效率的降低。因此国内外学者及研发人员提出另一类无变压器型光伏逆变器方案，以达到减小系统体积、降低成本、提高整机能量转换效率的目的[4]。
但在无变压器型光伏发电系统中，电网、逆变器、光伏板及其对地寄生电容之间会形成共模回路，回路中系统共模电压作用于寄生电容，引起漏电流问题，产生电磁干扰、影响输出电流质量，并威胁设备与人员安全。因此，无变压器光伏发电系统中漏电流抑制技术成为亟待发展的关键技术之一。
针对上述问题，德国VDE 0126 1 1标准要求光伏发电系统中漏电流有效值低于30mA、最大值低于300mA。为了解决无变压器单相光伏逆变器系统中的漏电流问题，国内外学者和研究机构相继提出H5逆变器、H6逆变器、Heric逆变器、HB-ZVR逆变器等新型单相拓扑[5,6]，此类改进型逆变器结合相应的调制策略可以保证共模电压恒定，从而消除共模回路激励源，有效抑制漏电流。
值得注意的是，上述方案通常采用增加交流旁路开关或直流旁路开关的方式解决系统漏电流问题。然而系统中加入旁路开关增加了系统成本，同时需要增加旁路开关的驱动电路，系统电路结构和控制方式复杂。
针对三相系统中的漏电流抑制问题，一种思路是通过改进空间矢量调制策略或改进载波调制策略的形式实现漏电流抑制。通过合成等效零电压矢量，避免使用传统零电压矢量，从而减小共模电压幅值波动范围[7]。该方案主要适用于三相两电平逆变器，能够一定程度上减小系统漏电流，但由于系统共模电压依然存在高频变化，漏电流未能得到有效抑制。
文献[8,9]针对中点钳位（Neutral PointClamped, NPC）三相三电平逆变器分别采用改进空间矢量调制策略和改进载波调制策略的形式，将逆变器限定在共模电压恒定的六个中矢量和一个零矢量状态，有效实现漏电流抑制。然而该方案会增加开关管开通关断次数，造成额外的开关损耗，且只适用于三电平逆变器。
第二类方案通常采用增加交流旁路开关或直流旁路开关的方式解决系统漏电流问题。比如三相直流旁路拓扑和三相交流旁路拓扑[10,11]。值得注意的是，系统中加入旁路开关增加了系统成本，同时需要增加旁路开关的驱动电路，系统电路结构和控制方式复杂。
除上述方案外，文献[12]提出利用无源滤波器进行漏电流抑制，将输出滤波电容中点连接到直流侧电容中点构成共模回路，有效地解决了漏电流问题。文献[12]方案中直流侧需要两个独立的电容，高频漏电流将经过两个电容，不仅存在直流侧电容中点电位振荡和均压问题[13]，还对电容的寿命和可靠性带来负面影响[14]。
为解决上述问题，本文提出一种基于旁路电容的漏电流抑制方案，该方案无需改变系统原有的调制策略和控制结构，不需要加入旁路开关和相应的驱动电路，直流侧不需要两个独立的电容，不存在电容中点电位振荡和均压问题，也不会对电容寿命和可靠性有影响，易于实现。最后对提出的方案进行了实验验证。
图9 旁路电容方案及共模回路模型
结论
本文提出基于旁路电容的光伏并网逆变器漏电流抑制方案，完成了理论分析和实验研究，得出以下结论：系统共模漏电流主要取决于共模电压及共模回路阻抗，利用旁路电容可以改变系统回路阻抗，电容值越大，系统共模漏电流越小。
和传统增加旁路开关的解决方案相比，本文提出的方案无需改变系统原有的调制策略和控制结构，也不需要加入旁路开关和相应的驱动电路，原理简单、易于实现，具有一定工程应用价值。本文提出的方案应用于LCL型滤波逆变器时存在共模谐振问题，有待进一步深入研究。