一種改進的開關(guān)箝位式非隔離型逆變.docx

1、電力電子技術(shù)Vol.52,No.62018年6月PowerElectronicsJune2018一種改進的開關(guān)箝位式非隔離型逆變范瑞祥I,李倫全2,孟艷潁3,劉斌3（1.國網(wǎng)江西省電力公司電力科學研究院，江西南昌330096；2.深圳市保益新能電氣有限公司，廣東深圳518101；3.南昌航空大學，信息工程學院，江西南昌330063）摘要：此處提出了一種基于開關(guān)管箝位的非隔離型光伏逆變拓撲，與傳統(tǒng)的H6相比，在電感續(xù)流階段將中點電壓箝位，可更好地抑制對地漏電流。由于功率開關(guān)管奇生電容的存在使電路漏電流無法得到很好的消除，針對這一問題，提出了有源箱位電路，在電感續(xù)流階段通過箝位開關(guān)管將中點電壓箝位

2、到直流母線電壓的一半，保證系統(tǒng)在各種情況下都共有續(xù)流通道，且消除了對地漏電流。通過仿真驗證了拓撲的可行性和正確性，證明了新拓撲可將共模電壓箝位從而更好地抑制對地漏電流，提高了系統(tǒng)的安全裕度。關(guān)鍵詞：逆變器；漏電流；非隔離型；有源箝位中圖分類號:TM464文獻標識碼：A文章編號：1000-100X（2018）06-0081-03ResearchonanImprovedSwitch-clampedNon-isolatedInverterFANRui-xiang1,LILun-quan2,MENGYan-ying3,LIUBin3(.StaleGridJiangxiElectricPouterCom

3、panyElectricPowtrResearchInstitute,Nonehang330096,China)Abstract:Anewkindofnon-isolatedphotovoltaicinvertertopologyisproposedbasedonactiveclamped,comparedwiththetraditionalH6topology,themidpointvoltagecanbeclampedandtheleakagecurrentcanalsobeinhibitedduringtheinductancepostproductionphase.Duetotheex

4、istenceoftheparasiticcapacitanceinthepowerswitch,itmakestheleakagecurrentcouldnotbewelleliminatedinthecircuit,inordertosolvethisproblem,theactiveclampcircuithasbeenputforward,notonlycanthemidpointvoltagebeclampedtothehalfofthedirectcurrentpowerthroughactiveclampingswitchduringtheinductivepostproduct

5、ionphase,butalsocanbeensuredcontinuecirculationwayinthecaseofapowerfactorislessthanone,hencethenewtopologycouldbettereliminatedtheleakagecurrent.Theaccuracyofnewtopologyhasbeenverifiedthroughthesimulation,notonlycanthemidpointvoltagebeclamped,butalsoitcouldinhibittheleakagecurrent,ultimately,itimpro

6、vesthesafetymarginofthesystem.Keywords:inverter；leakagecurrent；non-isolated；activeclampFoundationProject:SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61463037)1引言光伏發(fā)電領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小、重量輕及成本低的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器有著明顯優(yōu)勢，在一定程度上促進了光伏發(fā)電推廣。此處為解決非隔離型逆變器的續(xù)流通道及漏電流問題，提出了一種開關(guān)管箝位的無變壓器型光伏逆變器拓撲，通過在電路中添加開關(guān)管形成有源箝位單

7、元叫在適當?shù)拈_關(guān)時序控制下，當電路處于零電平輸出階段逆變側(cè)電路會形成續(xù)流回路，將逆變電流和光伏側(cè)的直流電流解耦，且保證系統(tǒng)在任何狀態(tài)下都有續(xù)流通道，從根本上實現(xiàn)電流的續(xù)流及對地漏電流的問題。在逆變輸出基金項目：國家自然科學基金（61463037）定稿日期：2017-08-31作者簡介：范瑞禪（1977-）,男，湖南湘潭人，博士，高級工程師，研究方向為電能質(zhì)量技制。零電位時刻將共模電壓箝位在母線電容的中點電位，從而解決共模電壓在零電平輸出時的電壓懸浮問題，提高了系統(tǒng)的工作效率和非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)運行的安全裕度。2新拓撲的結(jié)構(gòu)與原理分析2.1拓撲的分析常規(guī)的H6拓撲如圖1所示，由開關(guān)管V,

8、-V6組成全橋逆變、二極管VD,和VD2構(gòu)成續(xù)流通道。其工作原理為：當逆變電壓,為正時，開關(guān)管VV2和V3導通，此時電流流經(jīng)VLmL,開關(guān)管v2,v3；當濾波電感續(xù)流時，V2導通，電感電流流經(jīng)LHug,L2,V2,續(xù)流二極管VD”，只有在系統(tǒng)功率因數(shù)為1的情況下，系統(tǒng)才有此續(xù)流通道。在功率因數(shù)小于1時，由于此時電流流經(jīng)到達VDn時，由于二極管的單向?qū)ㄌ匦裕@個續(xù)流通道不存在；當虬為負時，V】，Vs和V6導通；此時電流流經(jīng)知知VV6;當濾波電感續(xù)流時，V5第52卷第6期2018年6月導通，電感電流流經(jīng)如知乙工、續(xù)流二極管VD”；只有在系統(tǒng)的功率因數(shù)為I的情況下，系統(tǒng)才有此續(xù)流通道。在功率因數(shù)小

9、于I時，由于此時電流流經(jīng)如峋,匕2,到達VD”時，由于二極管的單向?qū)ㄌ匦?，這個續(xù)流通道不存在。因此，常規(guī)的H6拓撲續(xù)流通道存在問題。乜刀pJ，、PowerElectronics針對以上問題，此處提出了一種開關(guān)管箝位式的非隔離型光伏逆變器拓撲，如圖2所示，該拓撲是在常規(guī)H6拓撲基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化，由兩個等容等壓的濾波電容G,G代替原來光伏側(cè)的單個濾波電容;V,V6為功率開關(guān)管，構(gòu)成全橋逆變拓撲；V7,V.為兩個反向串聯(lián)的箝位開關(guān)管，在電感續(xù)流階段將共模電壓箝位在直流母線電壓的一半；V9,V2為續(xù)流開關(guān)管，在電感續(xù)流階段提供續(xù)流通道jVD.-VD.o為功率開關(guān)管對應的反并聯(lián)體二極管為并網(wǎng)濾波電感。勺

10、Qvmvd4圖IH6拓撲Fig.IH6topology2.2原理分析為更好地理解新拓撲，下面將完整地介紹拓撲的工作模態(tài)，該拓撲采用單極性正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方式，其馭動波形如圖3所示，逆變輸出為，電感電流4的參考方向如圖2所示。當為正時,V2tV3高頻動作，V4一直開通，V,V.和V9與V2,V3動作信號相反；當嶼為負時，V,V6高頻動作，一直開通,V7tV8和V】。與V,V6動作信Fig.2Theproposednewtopology工作模態(tài)l嶺為正,v2,v3,v4導通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。并網(wǎng)電流依次流過V3,Va,L,電網(wǎng)，心和V2。此時共模電壓表示為：圖3電路的驅(qū)動波形Fig.3

11、Circuitdrivewaveforms圖3電路的驅(qū)動波形Fig.3Circuitdrivewaveforms叱)m=(如v+uv)/2=(pv+)/2=pv/2(I)工作模態(tài)2濾波電感續(xù)流，V,及V7,V8導通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。根據(jù)逆變橋臂“mm與直流母線電壓一半的關(guān)系來選擇開關(guān)管的導通。當岫，岫的電壓大于直流母線電壓的一半時，V8導通，V7關(guān)斷；當5瞄小于直流母線電壓的一半時，V7導通，V8關(guān)斷。由于上一個工作模態(tài)的逆變輸出電壓為正，當功率因數(shù)等于I,即續(xù)流的電流也為正時，電流的方向由4到8,因此V9關(guān)斷，續(xù)流通道為電網(wǎng),l2,vd9,v4；當功率因數(shù)小于I,即續(xù)流的電流為負，電流的方

12、向由8到彳，因此V9導通，續(xù)流通道為匕2,電網(wǎng),l,vd4,v9o此時的共模電壓表示為：叱)=(陽v+u&v)/2=(pv/2+t/pv/2)/2=t/pv/2(2)工作模態(tài)3逆變電壓為負,VltV3,V6導通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。并網(wǎng)電流依次流過V】，濾波電感心，電網(wǎng)，濾波電感L和開關(guān)管V5,V6O此時的共模電壓表示為：UcoM=(UA.v+uav)/2=(0+”pv)/2=L/pv/2(3)工作模態(tài)4濾波電感續(xù)流，Vs以及V7,V8導通，其余的開關(guān)管關(guān)斷。根據(jù)逆變橋臂“AN,U&N與直流母線電壓一半的關(guān)系來選擇開關(guān)管的導通。當四g大于直流母線電壓的一半時，覽導通，V,關(guān)斷；當3,皿小于直流母

13、線電壓的一半時，V,導通，V-關(guān)斷。由于上一個工作模態(tài)的逆變輸出電壓為負，當功率因數(shù)等于1,即續(xù)流電流也為負時，電流的方向由8到4,因此V】。關(guān)斷，續(xù)流通道為乙2,電網(wǎng),V5,VDi0；當功率因數(shù)小于1,即續(xù)流電流為正，電流方向由4到B,因此Vq導通，續(xù)流通道為電網(wǎng),L2,V10,VD5o此時的共模電壓為：g=(%+%、)/2=(必/2+，/2)/2=/*2(4)由以上分析可得，通過V9,V10可保證無論功率因數(shù)的正負，濾波電感都有續(xù)流通道；通過在電路中增加兩個反串聯(lián)的箝位開關(guān)管，保證橋臂中點電壓在電感續(xù)流階段實現(xiàn)電壓的箝位，很好地減少因開關(guān)管寄生電容引起的共模電壓波動，保證了共模電壓在整個工

14、作模式中都恒定在直流母線電壓的一半，有效減少了漏電流，達到了對地漏電流的標準。無論輸出功率因數(shù)的正負都可提供續(xù)流回路，更好地提高了系統(tǒng)的安全性能,優(yōu)于常規(guī)的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變拓撲。3仿真及實驗分析仿真與參數(shù)為驗證新拓撲的有效性，通過Simulink搭建2kW的仿真電路，且與常規(guī)H6拓撲在共模電壓和漏電流性能方面進行對比，仿真參數(shù)為：電網(wǎng)頻率后50Hz；開關(guān)頻率兀=20kHz；額定功率P=2kW；輸入電壓(/i=500V；電網(wǎng)電壓=220V；母線電容G=C2=4700|xF；Z/=Zr2=1.2mH；死區(qū)時間7j=1.5piso根據(jù)上述參數(shù)搭建仿真實驗平臺。3.1 仿真結(jié)果在Simulink仿

15、真中，將開關(guān)管的寄生參數(shù)、光伏板寄生電容及調(diào)制波形都設(shè)置為實際實驗參數(shù)，對H6拓撲和新拓撲進行仿真，按照圖1措建H6拓撲，得到逆變電壓、電流和漏電流如圖4a所示，可見，H6拓撲在功率因數(shù)為1時，具有續(xù)流通道；在功率因數(shù)小于1時，電路不存在續(xù)流通道，此時電流會發(fā)生突變直接為零，直到功率因數(shù)等于1時才有續(xù)流電流。新拓撲的逆變電壓、電流和漏電流波形如圖4b所示，可見，新拓撲不僅在功率因數(shù)為1時，具有續(xù)流通道；且在功率因數(shù)小于】時，也存在續(xù)流通道。A00W!ill匚一n=V:-一LJPk一(筆V0CM(5ms/格)/(5ms/格)(a)H6拓撲(b)新型拓撲圖4H6拓撲與新拓撲的仿真波形Fig.4Si

16、mulationwaveformsofH6andthenewtypology3.3實驗結(jié)果在實際搭建的2kW樣機中，對所提新型拓撲在穩(wěn)定共模電壓、抑制漏電流效果及在不同功率因數(shù)情況下的續(xù)流通道進行了驗證，在實際系統(tǒng)中測量逆變電壓、電流和漏電流波形如圖5所示。仿真和實驗結(jié)果都說明，新型拓撲在任何功率因數(shù)下都有很良好的續(xù)流通道，減小了寄生參數(shù)的影響，有效抑制了系統(tǒng)的共模電壓和漏電流，提高了非隔離型逆變系統(tǒng)的安全裕度與可彝性。/(IOms/f)5逆變電壓、電流和漏電流Fig.5Theinvertervoltage9currentandleakagecurrent(垸、0OZ;垣4結(jié)論在實際電路中，開

17、關(guān)管中存在寄生電容，使得常規(guī)無變壓器型解耦拓撲中仍存在諧振回路及續(xù)流通道的問題。所提拓撲通過引入箝位電路，在零電平輸出階段將橋臂的中點電壓箝位到直流母線電壓的一半，使得在整個開關(guān)周期內(nèi)共模電壓保持恒定；保證系統(tǒng)在任何工作情況下都具有續(xù)流通道，還能將逆變側(cè)和直流側(cè)的電流解耦，最終有效解決系統(tǒng)續(xù)流及對地漏電流；提高了系統(tǒng)的工作效率和無變壓器型光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)運行的安全裕度。參考文獻王叢，惠晶種新型單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器J.電力電子技術(shù)，2013,47(4)：61-63.1 SchmidtH,BurgerB,SiedleC.GefahrdungsPotentialTra-nsformatorloserWechselrichte:FaktenUndGemchteA.SymposiumPhotovoltaischeSoIareneriererC.2003:89-98.31張興,孫龍林，許頗，等.單相非隔離型光伏并網(wǎng)