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摘 要：传统光伏并网系统中常采用有输出变压器的隔离型光伏并网逆变器，确保了电网和光伏系统之间的电气隔离，从而避免了光伏系统和地之间的漏电流。然而，若采用工频变压器，其体积大、重量重且价格昂贵若采用高频变压器，功率变换电路将被分成数级，使控制复杂化，降低了系统效率。为克服上述不足，需研究无变压器的非隔离型逆变器拓扑。该拓扑的一个突出优点是能提高整个系统的效率`。本文主要介绍新型的无隔离变压器单相光伏并网逆变器，进而提出以下内容。
关键词：无隔离变压器；光伏并网；逆变器
1导言
由于传统的光伏并网逆变器中存在开关器件的高频开关动作，会产生对大地的共模电压[1]。受光伏电池板的面积、结构、环境及其安装方式等因素影响，光伏池板阵列对大地存在约为50-200 n F/k Wp的分布电容。光伏池板阵列与大地间分布电容的存在，使得光伏并网逆变器引起的共模电压通过分布电容形成共模电流，引起电网电流畸变、电磁干扰等问题，甚至还可能危及人身安全。
2高压倍频双极NPC拓扑
为实现光伏池板较宽的发电范围和最大功率点跟踪，传统拓扑中采用如图1所示双级变换的方式。图1中：L1、L2为直流侧和交流侧滤波电感，C1为直流侧原边支撑电容，C3、C4为NPC拓扑上下直流电容，Udc为直流母线电压。利用前级升压斩波电路实现光照强度较低情况下提升直流侧电压和实现MPPT功能，后级的NPC三电平逆变器实现了并网发电功能。
图1典型的双级中点箝位三电平并网逆变器拓扑
针对上述拓扑存在的漏电流以及中点脉动问题，提出基于高频倍压电路的NPC三电平双级式并网逆变器拓扑，其拓扑如图2所示，其中，C2为DC/DC副边支撑电容。采用了前级的DC/DC电路实现光伏池板的MPPT和倍压功能，后级NPC三电平逆变器实现并网发电。由于光伏池板负极直接与电网零线连接，池板与大地间不存在共模电压。无论并网电流为正或者为负，输出能量主要由存在高频切换的电容C2提供，因此大大降低了NPC三电平逆变器直流侧2只串联电容C3、C4的容量。
图2新型的双级中点箝位三电平并网逆变器拓扑
3 DC/AC变换器的工作原理
3.1工作过程分析
双级光伏并网逆变器中后级NPC三电平逆变器工作原理如图3所示。以交流电压正半周期为例，无论交流电流方向为流入或流出，T7、T8导通时，变流器输出正电平，输出电压0.5Udc；T8、T9导通时，变流器输出零电平，输出电压为零，这个过程只存在对电容C3的充放电。同理，在交流电压负半周期内，无论交流电流的方向如何，输出状态在负电平和零电平间切换，只存在对电容C4的充放电。在交流侧正半周期时，由于只存在对电容C3的充放电，C4电压维持不变，传统的双级式光伏并网逆变器会引起中点电位存在波动。在本文所提出的拓扑中，由于存在前级DC/DC部分的高频箝位，C3、C4的电压被C2箝位，中点电位基本维持不变。
图3交流正半周期DC/AC输出状态图
3.2控制方式分析
DC/AC部分采用双闭环并网控制策略，电压外环稳定中间直流电压，电流内环实现对并网电流相位和并网质量的调节，控制框图如图7所示。图7中：GPI(s)为电压环PI控制器，其输出与网压基波角频率ω0的正弦乘积得出交流电流指令值grid；GPR(s)为比例谐振控制器，与网压前馈信号ugrid相加后经过线路阻抗Gf(s)得到并网电流grid，形成反馈控制系统。
4逆变器控制策略及软件控制流程
可采用光伏池板阵列与电网间增加工频或高频隔离变压器抑制共模电流，但变压器的存在会导致光伏发电系统成本增加、效率降低，因此无工频隔离变压器的光伏并网逆变器引起广泛的关注。目前单相无变压器结构的拓扑包括交流旁路拓扑拓扑，H5拓扑、中点箝位(neutral point clamped，NPC)三电平拓扑等。由于NPC三电平拓扑具有器件耐压低、滤波电感小、开关损耗低和并网电流谐波小等优点，得到了广泛的应用。由于并网电流为50 Hz的单相交流电流，在并网电流正半周期只有逆变器上侧电容放电，负半周期只有逆变器下侧电容放电，导致中性点电位存在二次低频脉动，造成输出电流中含有较大低次谐波，且中性点电位波动也会通过光伏阵列的分布电容产生共模电流。为抑制中点二次脉动的电压幅值，直流侧电容的容值必须很大。
为解决传统拓扑中存在的漏电流问题以及直流侧的二次脉动，提出一种无隔离变压器结构的单相逆变器拓扑。该拓扑通过中性点与电网零线的互连解决共模电压问题，使得系统不存在漏电流隐患，同时直流侧通过有效的高频倍压方式，较好地抑制了中点电位的二次脉动，降低了直流侧滤波电容容值。
开关管的驱动信号由三角波和正弦波比较匹配得到，在常规SPWM中，开关频率与输出脉冲频率相等。开关频率越高，则输出的电流波形中谐波含量越小，但开关频率过高会导致开关损耗增大；开关管发热严重且开关器件高速通断，会产生很高的电压尖峰，有可能造成开关管或其他元件被击穿。开关频率降低会使输出波形中谐波含量变高，不能满足最终指标要求。因此本逆变器采用了一种单极性倍频SPWM调制方式，使一个载波周期内输出脉冲的频率是开关频率的两倍。
5仿真和实验结果分析
5.1仿真研究
传统拓扑由于电流的正负半周期存在单侧放电使得中点电位发生偏移。低频脉动和中点电位的偏移会导致较大的并网电流低次谐波，通过傅立叶分析后2次谐波含量达到1.36%采用本文所提出的高压倍频双级NPC拓扑后，由于箝位二极管的作用，中点电位偏移现象得到缓解。其电压与传统NPC拓扑相比存在较明显的高频脉动，但高频分量对并网电流质量影响很小。经傅里叶分析后，2次谐波含量为0.51%，得到了明显的改善。
传统拓扑和新型拓扑漏电流比较，其中模拟对地漏电容采用200 n F无感电容，上图为传统拓扑，下图为新型拓扑。可以看出在传统结构中，由于中点电压的脉动，存在明显的漏电流，而高压倍频拓扑中完全实现漏电流为零。
5.2实验验证
最后，通过搭建5 k W单相光伏并网逆变器样机对本文提出的新型双级拓扑和传统双级NPC拓扑进行了对比实验。池板利用光伏模拟电源进行模拟，主控DSP芯片为TI公司TMS30F28335，样机参数同仿真参数一致。传统NPC并网逆变器和本文所提出新型并网逆变器的中间直流电压和并网电流波形。同仿真结果类似，传统并网逆变器上下组电容直流电压存在基波脉动，且有电压不平衡现象发生，并网电流也存在较大的畸变；而采用本文提出的并网逆变器拓扑后，中点电位基本平衡，并网电流基本没有低次谐波。
6结论
本文提出的新型无隔离变压器的双级式NPC三电平单相光伏并网逆变器，具备以下特点：一是将光伏池板负端与电网零线同时连接至直流侧中点，完全消除系统共模电压，进而保证了共模漏电流为零。二是NPC逆变器的正负组直流电容分别被DC/DC变换器的输出电容高频箝位，避免了中点电位出现二次脉动，降低了直流侧电容的容值需求。三是并网电流控制环采用了PR控制器，实现了对交流信号的无静差控制。最后，验证了所提出拓扑的可行性和优点。
参考文献
[1]刘鸿鹏.基于Z源网络的光伏并网逆变系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2011.
[2]吴春华.光伏发电系统逆变技术研究[D].上海大学，2008.
[3]余学进.基于DSP2812的光伏并网逆变器研究与设计[D].山东大学，2010.
[4]郭晓瑞.光伏并网逆变系统控制策略研究[D].浙江大学，2014.
[5]陈一诚.基于Z源网络的400W单相光伏并网逆变器设计[D].上海交通大学，2014.
论文作者:任静
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第5期
论文发表时间:2017/7/17
标签：拓扑论文; 逆变器论文; 光伏论文; 电流论文; 电压论文; 电容论文; 中点论文; 《电力设备管理》2017年第5期论文;