一种开关管钳位式的非隔离型逆变拓扑研究

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摘 要：一种基于开关管钳位的非隔离型光伏逆变拓扑，与传统的H6相比，在电感续流阶段将中点电压钳位，可以更好的抑制对地漏电流，提高了系统的安全裕度。

关键词：漏电流；非隔离型；有源钳位

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.126

1 引言

在光伏发电领域中，结构简单、效率高以及成本低的非隔离型光伏并网逆变器有着明显的优势。由于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[1]。传统的全桥逆变拓扑系统的共模电压不能稳定有很大的高频波动不能达到漏电流小于300mA的安规标准[2]。

2 新拓扑的结构与原理分析

常规的H6拓扑在续流阶段的共模电压处于悬浮状态共模电压不固定，当开关管处于高频动作时，会有高频的共模电压，导致系统产生对地漏电流[3]。本文提出一种开关管钳位式的非隔离型光伏逆变器拓扑如图1所示，C1、C2为等容等压的滤波电容；S1～S6为功率开关管；S7和S8是两个反向串联的钳位开关管，在电感续流A段将共模电压钳位在直流母线电压的一半；S9和S10是续流开关管，在电感续流阶段提供续流通道；功率开关管对应的反并联体二极管D1～D10；L1和L2是并网滤波电感。

该拓扑采用单极性SPWM的调制方式，逆变输出为Ug，电感电流IL的参考方向如图2所示。当Ug为正的时候，开关管S2、S3高频动作，S4一直开通，S7、S8和S9与S2、S3动作信号相反；当Ug为负的时候，开关管S1、S6高频动作，S5一直开通，S7、S8和S10与S1、S6动作信号相反；在零电平时，开关管S9或者S10导通，为滤波电感提供续流回路，同时开关管S7和S8导通，将共模电压强制钳位在直流母线电压的一半。

工作模态一：逆变电压Ug为正，功率开关管S2、S3、S4导通，其余的开关管关断。并网电流依次流过开关管S3、S4、滤波电感L1、电网、滤波电感L2和开关管S2。

工作模态二：滤波电感续流，功率开关管S4、续流开关管S9以及钳位开关管S7、S8导通，其余的开关管关断。续流通道会依据功率因数的正负选择滤波电感L1、电网、滤波电感L2、体二极管D9和开关管S4；或者滤波电感L2、电网、滤波电感L1、体二极管D4和开关管S9。钳位开关管会根据VAN、VBN电压与直流母线一半的电压大小关系选择开关管S8、体二极管D7；或者开关管S7、体二极管D8。

工作模态三：逆变电压Ug为负，开关管S1、S5、S6导通，其余开关管关断。并网电流依次流过开关管S1、滤波电感L2、电网、滤波电感L1和开关管S5、S6。

工作模态四：滤波电感续流，功率开关管S5、续流开关管S10和钳位开关管S7、S8导通，其余的开关管关断。续流通道会依据功率因数的正负选择滤波电感L1、电网、滤波电感L2、功率开关管S10和体二极管D5；或者滤波电感L2、电网、滤波电感L1、开关管S5和体二极管D10。钳位开关管会根据VAN、VBN电压与直流母线一半的电压大小关系选择开关管S8、体二极管D7；或者开关管S7、体二极管D8。

3 仿真及结果分析

通过运用Matlab中的Simulink仿真，得到H6拓扑的共模电压波形和漏电流波形分别如图2（a）、2（b）所示：H6拓扑的共模电压存在高频振荡，振荡的幅值约为250V，漏电流的峰值为140mA左右；新拓扑仿真得到波形分别如图2（c）、2（d）所示：新拓扑的共模电压振荡幅值为10V，漏电流得到了很好的抑制，漏电流的峰值在15mA以内。

4 结论

本拓扑引入钳位电路，在零电平输出阶段将桥臂中点电压钳位到母线电压的一半，使得在整个开关周期内共模电压保持恒定，削弱了由于功率开关管中寄生电容引起的共模振荡；同时还能将逆变侧和直流侧电流解耦，最终有效抑制了系统对地漏电流，提高了系统工作效率和无变压器型光伏并网逆变器系统运行的安全裕度。

参考文献：

[1]稽保健，洪峰，赵剑锋.一种不隔离三电平双Buck光伏并网逆变器[J].中国电机工程学报，2012，32（12）：7-13.

[2]VDE0126-1-1.Automatic disconnection device between a generator and the public low-voltage grid[S].2006.

[3]王丛，惠晶.一种新型单相非隔离型光伏并网逆变器[J].电力电子技术，2013，47（04）：61-63.

作者简介：赵明（1990-），男，湖北襄阳人，硕士研究生，研究方向：新能源及开关电源。