一款可抑制漏电流的两级单相非隔离型逆变器设计

本文针对传统单相非隔离型全桥光伏并网逆变器的不足，研究并设计了一种新型、高效率且具备漏电流抑制能力的两级式单相非隔离型光伏并网逆变器。该逆变器拓扑电路由前级Boost变换器与后级H6结构逆变拓扑级联而成。电流控制环采用比例谐振(PR)控制器来无静差跟踪给定的正弦电流，以提高并网电流质量。最后，通过一台2 kW的单相光伏并网逆变器样机，对理论分析结果进行了实验验证，结果表明该新型单相非隔离型光伏并网逆变器具有控制简单，变换效率高，可靠性高等优点。

引言

与传统的输出端安装工频隔离变压器的并网逆变器相比，两级式单相非隔离型光伏并网逆变器具有体积小、成本低、效率高等优点，尤其适合应用在近几年各国提出的“屋顶计划”等小功率光伏发电场合。由于传统的单相全桥光伏并网逆变器不具备漏电流抑制能力，国内外一些专家学者提出了一系列新的拓扑结构来解决漏电流的产生问题，比如H5拓扑、HerIC拓扑、带交流旁路拓扑等。这些拓扑结构均可有效抑制漏电流的产生，但都存在专利保护及转换效率较低等问题。

基于此，研究了一种新型、高效率且具备漏电流抑制能力的两级式单相非隔离型光伏并网逆变器。其前级为Boost电路，后级为新型H6拓扑结构。详细分析了该电路拓扑的工作原理及能有效抑制漏电流产生的原因，提出了相应的控制算法。最后，通过实验验证了该新型逆变器具有优良的性能。

电路结构及工作原理

1、电路结构

图1为提出的新型、高效单相非隔离型光伏并网逆变器的拓扑结构。

图1 两级式单相光伏并网逆变器

其中，Boost电路主要功能为：①升高光板输出的较低电压；②方便实现最大功率点跟踪(MPPT)控制。单相光伏并网逆变器中，Boost电路将光板输出的电压升至约400 V。后级的逆变电路采用具有漏电流抑制能力的H6拓扑结构，与传统的全桥逆变电路相比，增加了两个IGBT和两个二极管。滤波电路则由两个滤波电感及一个滤波电容组成，以滤除交流侧的谐波，保证并网电流的品质。

2、工作原理

图2为新型非隔离型单相光伏并网逆变器的开关管驱动逻辑图。下面结合图1，2来说明该新型逆变器的工作原理。

图2 逆变器驱动逻辑图

工作模式1 电网电压正半周时，V1’一直导通，V2，V5以相同的高频驱动信号导通与关断。V2’，V3，V4一直处于关断状态。V2，V5导通时，输入电源经V2，V1’，滤波电感L2，交流电网，滤波电感L3，V5构成回路向电网供电。此时，桥臂输出电压uAB=Udc，其中，Udc为升压后的直流母线电压。

工作模式2 V2，V5关断时，并网电流经V1’，L2，交流电网，L3，VD2构成续流回路维持并网电流。此时，uAB=0。

工作模式3 电网电压负半周时，V2’一直导通，V3，V4以相同的高频驱动信号导通与关断。V1’，V2，V5一直处于关断状态。当V3，V4导通时，输入电源经过V3，V2’，L3，交流电网，L2，V4构成回路向电网供电。此时，uAB=-Udc。

工作模式4 V3，V4关断时，并网电流经V2’，L3，交流电网，L2，VD3构成续流回路维持并网电流。此时，uAB=0。

下面分析H6拓扑结构的共模电压。如图3所示，电网电压正半周，当V2，V5导通时，A点对直流地电压为输入电压Udc，B点对直流地电压为零。此阶段共模电压压ucm=0.5(Udc+0)=0.5Udc。

图3 共模电压

当V2，V5关断时，V1’，VD2续流。此时利用关断的V2，V4的结电容实现均压，A点对直流地电压为0.5Udc。同样，利用关断的V3，V5的结电容实现均压，B点对直流地电压也为0.5Udc。此阶段，uCM=0.5(0.5Udc+0.5Udc)=0.5Udc。

电网电压负半周期的共模电压分析与正半周期类似，其值也是0.5Udc。漏电流可表示为：ICm=Cpvducm/dt。可知，ucm在整个周期都保持不变，则其漏电流为零，因此，该拓扑能够抑制漏电流的产生。

并网控制方法

为实现逆变并网，采用如图4所示的控制策略，在此重点研究PR控制算法。PI控制器在电网基波频率处的增益为有限值，系统存在稳态跟踪误差。PR控制器的传递函数DPR(s)=kp+2krs/(s2+ω02)。PR控制器在基波频率处的增益为：

可见，PR控制器在基波频率处的增益趋近于无穷大，可实现对某一固定频率正弦指令信号的无静差跟踪控制。而逆变器并网运行时，要求控制逆变器的输出电流与电网电压频率和相位一致，以实现单位功率因数并网发电。因此，在并网逆变系统中，PR控制器比PI控制器，具有更好的跟踪效果，更适用于对逆变器并网电流的控制。

实际系统中，由于理想PR控制器难以实现，可采用一种易于实现的准PR控制器，其传递函数为：

其中，ω0=314 rad/s，只需适当地选择3个控制参数kp，kr和ωc。

图4

实验结果

根据上述分析，设计了一台2 kW的单相光伏并网逆变器实验样机。实验参数为：输入电压UPV为200～380 V；升压后的Udc=400 V；输出电压ug=220 V；输出频率fac=50 Hz;Boost电感L1=1.2 mH；光伏阵列输入电容C1=190μF;直流母线电容C2=1 500μF；输出滤波电感L2=L3= 1 mH；输出滤波电容C3=4.7μF。此外，核心控制板采用浮点型DSP：TMS320F28335。

通过WT3000功率分析仪测量得到的单相光伏并网逆变器的输入电压Upv输入电流Ipv、并网电压uac、并网电流iac的波形如图5a所示。其中，该样机在功率近似2 kW时效率可达96.822%，且近似单位功率因数运行，具有较好的性能。

图5

图5b示出iac的总谐波柱状图。电流总谐波含量在功率为2 kW时，其值为1.206%，远优于国际专用标准IEEE Std.2000—929和UL1741对谐波的要求，从而验证了PR算法的优越性。

结论

研究了一种新型两级式单相非隔离型光伏并网逆变器，该逆变器由前级Boost升压电路和后级H6桥式拓扑结构组成，有效抑制了 漏电流 的产生。通过采用跟踪性能更好的PR控制算法，提高了并网电流的品质。最后通过实验结果证明了该电路拓扑在消除漏电流的同时，具有优良的入网波形质量和高转换效率。