学术︱基于有源钳位的无变压器型单相光伏并网逆变器
浙江大学电气工程学院、苏州市职业大学电子信息工程系的研究人员崔文峰、胡森军等，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文，为了抑制无变压器型光伏并网系统中的高频共模漏电流，传统的无变压器型逆变拓扑通常在并网电感续流阶段切断交流侧与直流侧的电气连接，减少共模电压的高频脉动。但是，由于系统的共模电压在并网电感续流阶段处于悬浮状态，受到共模回路的电路寄生参数的影响，不可避免地引起高频共模漏电流。
本文从漏电流抑制原理出发，提出了一种新型的无变压器型单相光伏并网逆变电路，该电路通过将并网电感续流阶段的共模电压钳位至母线电容中点的方式，消除系统共模电压扰动，从而有效抑制系统的共模漏电流。此外，该电路的器件损耗低，可以获得较高的电能转换效率。文中详细分析了电路的几种工作模态，给出了一种适用于该电路的PWM控制方法。同时，通过理论分析，将该电路与已有的拓扑进行了性能比对。最后，搭建了2kW的实验原理样机，验证了该电路在光伏并网系统中的有效性。
近年来，随着光伏并网发电系统成本的不断降低，分布式光伏并网发电得到了广泛的应用和迅速的发展[1-6]。然而，光伏并网系统前期投入高、成本回收周期长，因此如何进一步降低系统发电成本、提高系统的发电效率和系统可靠性成为关注的热点。
作为电能转换的重要接口，光伏并网逆变器方案的选择直接关系着系统的效率、可靠性以及成本。在1～5kW的小型光伏并网系统中，为了追求高效的电能转换效率以及降低系统成本，系统通常采用不带工频变压器隔离的单相光伏并网逆变器。然而，失去了变压器的电气隔离之后，并网逆变器与光伏电池板的寄生电容以及电网构成共模回路。
资料显示，晶硅光伏电池的平板结构与大地之间存在寄生电容约为50～150nF/kW，其容值远大于功率器件的对地寄生电容[7]。因此，如果系统的共模电压vCM中存在高频脉动，那么共模回路中就会产生较大的共模漏电流。该共模漏电流不仅会引起严重的EMI问题，同时会降低并网电流品质，并且给光伏电池维护人员的人身安全带来隐患[8-10]。
为了抑制无变压器型光伏并网系统中存在的共模漏电流问题，工业界和学术界提出了多种具有漏电流抑制能力的电路拓扑和结构。文献[8]将传统的半桥型电路的直流母线中点与输出的零线直接相连，因此，光伏电池寄生电容两端的电压始终保持恒定，从而确保了共模漏电流的有效消除。但是，半桥电路逆变所需要的直流母线电压是全桥型电路的两倍，通常需要引入前级升压电路来提升母线工作电压。前级升压电路的引入，不仅增加了系统成本，同时也降低了系统的电能转换效率。
相对而言，全桥电路结构所需的母线输入电压低，可以降低系统对前级升压电路的依赖，更适合应用在组串型单相小功率光伏并网系统中。全桥电路结构有两种PWM（pulsewidth modulation）调制方式：双极性PWM调制和单极性PWM调制。
文献[9]指出，双极性PWM调制下的全桥电路结构的共模电压始终保持恒定，能够有效抑制无变压器型光伏系统中的共模漏电流。但是相对于单极性PWM调制下的全桥电路而言，双极性PWM调制下的全桥电路存在输出电流纹波大、转换效率低的缺点，影响了该调制的实际应用。单极性PWM调制的全桥电路具有并网电流纹波小以及系统转换效率高的优点，但是电路中存在共模漏电流过大的问题。
图1为全桥无变压器型光伏并网逆变系统的示意图。
图1 非隔离光伏并网系统示意图
单极性输出的逆变电路在工作时存在两种电路模态：能量传递模态以及交流侧电感续流模态。在能量传递模态时，A、B两点分别与直流母线电压的正负极相连，此时，共模电压恒定在母线电压的一半；在交流电感续流模态时，A、B两点通过功率开关短接，此时的共模电压vCM等于vAN和vBN，为了保持共模电压保持不变，A、B点必须与直流的正、负极断开，并且恒定在母线输入电压的一半。
在传统的全桥电路中，受到电路结构的限制，无法实现交流侧与直流侧的电气解耦，导致系统的共模电压在此时等于零或者等于直流母线输入电压。因此，共模电压vCM中含有很大的高频扰动。该共模电压扰动会在共模回路中引起很大的共模漏电流，进而导致逆变器不符合安规标准中关于漏电流不得超出300mA的规定[11]。
为了抑制共模漏电流，通常在全桥单极性调制逆变电路的基础上进行电路结构改造与优化，切断电感续流阶段交流侧与直流侧的电气连接，从而实现对高频共模电压扰动的抑制[12-17]，包括H5拓扑、H6-type拓扑、H6拓扑等，其交流侧电感续流阶段的工作示意图如图2所示。此时电路中共模电压vCM的实际电位相对于直流负极为悬浮电位，并非恒定在直流侧输入的1/2。
进一步考虑电路中存在的非理想因素，如功率开关的结电容、电路中的分布电感等寄生参数的存在，会引起共模回路的高频谐振，破坏共模电压恒定的工作条件，引起不可忽视的共模漏电流。
图2 电感续流阶段的电路工作示意图
文献[18,19]中提出的o-H5电路以及FB-DCBP衍生拓扑可以通过电压钳位的方式实现共模电压的有效钳位，抑制高频共模漏电流。但是，上述电路与德国Sunways公司的HighlyEfficient and Reliable Inverter Concept（HERIC）电路[20]相比，功率器件的损耗相对较高。HERIC电路的结构简单，是公认的具有高效率、高可靠性的无变压器型逆变电路。但是，由于交流侧电感续流阶段的共模电压vCM悬浮[21]，不可避免地引起高频共模漏电流。
本文从漏电流抑制原理出发，提出了一种基于有源电压钳位的无变压器型光伏并网逆变电路（Active Voltage Clamp HERIC，AVC-HERIC）。该电路通过有源电压钳位的方式，确保了电路工作时共模电压保持恒定不变，从而有效消除了并网系统中的共模漏电流。同时，相对于H5、H6结构的单相非隔离拓扑而言，AVC-HERIC电路工作时导通的器件个数少，导通损耗低，转换效率高。
结论
本文分析了传统无变压器型光伏逆变电路中存在的共模电压高频扰动问题，在此基础上提出了基于有源钳位的AVC-HERIC电路。该电路可将并网电流续流阶段的共模电压钳位至母线电容中点电压，从而消除了电路中的共模电压扰动，有效抑制了系统的共模漏电流。
通过实验验证，AVC- HERIC电路的共模漏电流抑制效果强，电能转换效率高，输出电流品质好，适合应用在单相无变压器型光伏并网系统中。
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