采用双共模内回路抑制非隔离光伏并网系统的共模电流的研究

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杭州电子科技大学自动化学院、卧龙电气集团股份有限公司的研究人员赵瑞广、刘栋良、崔丽丽、魏红梅，在2016年第22期《电工技术学报》上撰文指出，非隔离光伏并网系统中共模电流高频分量的存在会使系统稳定性下降，在低功率运行时，对发电质量影响较大。单共模内回路法对高频分量抑制效果不理想。在构建共模电路等效模型，分析共模电流产生原因的基础上，提出了一种构建双共模内回路抑制共模电流高频分量方法。

该方法在保证共模电流满足并网要求的前提下克服了单共模内回路发生高频谐振的缺点，很好地抑制了外部寄生回路共模电流中的高频分量。最后通过仿真和实验证明了所提方法的有效性。

光伏并网逆变器是光伏并网发电系统中不可缺少的部分，传统逆变器带有工频变压器或高频变压器。工频变压器安装在交流输出侧，体积庞大，安装不方便，并降低了逆变器的效率；高频变压器虽然使逆变器体积缩小，但安装在直流侧，增加了主电路的复杂程度，降低系统稳定性，影响系统效  率[1]。

为了克服这些缺点，提高逆变器的效率，目前在一些小容量、家用光伏逆变器中普遍采用无变压器结构。虽然无变压器结构缩小了逆变器体积，提高了系统的效率，降低了成本，但是由于光伏系统与电网之间缺少电磁隔离[2]，系统中光伏组件和地之间产生的寄生电容与电网形成共模回路，产生共模电流，对整个系统的安全性产生不利影响。

目前抑制共模电流的方法主要有两种：

①采用具有抑制共模电流特性的逆变拓扑结构和改进调制方式[3]。文献[4,5]中的带直流旁路的全桥拓扑、半桥拓扑、带交流旁路的全桥拓扑等和文献[6]提出的抑制共模电流拓扑等结构在PWM调制的续流阶段对电网侧与直流侧具有解耦作用，保证了共模电压的恒定。文献[7]中的中性点钳位型拓扑也具有抑制共模电流的能力；

②交流侧增加电磁干扰（Electro MagneticInterference, EMI）滤波器。EMI滤波器增加了共模回路中的阻抗，对并入电网的共模电流具有抑制作用，能有效抑制共模回路的电流。目前实行的并网标准要求并网运行中共模电流不超过30mA[5,8,9]。

通过以上两种方法共模电流大小一般情况下低于30mA，但共模电流中存在大量的高频分量，高频分量流经电网造成供电质量下降，大量的高频分量给逆变器带来较大的电磁干扰，使整个系统的稳定性降低，也会使逆变器内部的电力电子器件寿命降低，导致逆变器的寿命缩短。

逆变器为了防止由于对地共模电流过大而产生触电事故，通常在逆变器输出侧安装有漏电保护装置，在外界环境发生变化特别是在阴雨等天气造成寄生电容值变化较大时，共模电流中高频分量将会急剧变大从而引起漏电保护装置动作，使系统停止工作；这往往给用户带来不必要的损失。若未来分布式光伏发电普及程度较高，众多家庭安装的光伏并网系统因此而同时停止工作，将造成电网电压产生跌落，从而影响电网的稳定性。

近年来，有学者提出在系统的输出侧设置共模内回路的方法来抑制共模电流。文献[10]中提出将交流侧电压中点与直流侧电压中点连接构成一路共模内回路。文献[11,12]在输出端与直流负母线之间增加RC吸收支路构成单共模内回路。但是文献[10-12]均没有对共模电流做进一步分析，也没有对比分析共模内回路对共模电流高频分量的抑制作用。并且单共模内回路法易使共模电路产生高频谐振，在谐振频率段产生较大共模电流。

本文从共模电流的高频分量出发，通过建立共模等效电路深入分析共模电流的高频分量及其产生的原因。针对共模电流中存在的高频分量，提出一种构建双共模内回路抑制共模电流高频分量的方法。该方法不改变原有的拓扑结构，并且参数整定简单。通过Matlab/Simulink仿真证明了其能够有效抑制共模电流的高频分量。最后通过实验证明了所提方法对抑制共模电流中的高频分量有明显效果。

结论

本文借助光伏并网系统共模电路模型分析了H6桥拓扑的两级光伏并网系统对地共模电流主要分量及其产生原因。通过实验证明了共模电流主要包括工频分量以及低次谐波分量、谐振频率段分量、前级Boost工作频率段分量和后级逆变器工作频率段分量。分析发现了单共模内回路易发生剧烈的电路谐振导致对高频分量抑制效果变差。

最后提出构建双共模内回路抑制外部寄生回路中共模电流高频分量的新方法，使共模电流在满足并网要求的前提下高频分量得到很好的抑制。通过仿真和实验证明了该方法对共模电流谐波的抑制效果优于单共模内回路和无共模内回路的情况，具有良好的应用前景。