级联非隔离光伏发电系统漏电流抑制方法

闫海云，王萍，薛利坤，韩富强，亓才（天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）



级联非隔离光伏发电系统漏电流抑制方法

闫海云，王萍，薛利坤，韩富强，亓才
（天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）

摘要：在非隔离光伏系统中，漏电流的抑制是需要解决的关键问题之一。基于H桥级联逆变器电路，对级联非隔离光伏发电系统漏电流的产生机理和流通路径展开分析。为了探讨不同调制策略对系统漏电流的抑制作用，搭建4种调制策略的系统仿真模型。在此基础上提出在各模块直流侧增加EMI滤波器以及适当提高开关频率的解决方法，最后搭建PSIM仿真模型，并对漏电流波形及其有效值进行了对比分析，证明了上述理论和方法的有效性。

关键词：级联逆变器；共模；漏电流；光伏系统

光伏发电系统在新能源领域占据主导地位。光伏逆变器作为连接光伏电池板与电网的核心设备，对光伏发电系统起决定性作用。隔离型光伏逆变器虽然通过电气隔离抑制了漏电流的流通，但会导致系统成本和损耗的增加，同时不利于大功率应用，因此非隔离型光伏逆变器一直是人们关注的热点［1］。

H桥级联多电平逆变器（H-bridge cascaded multilevel inverter—HB-CMI）电路是由多个两电平H桥逆变器结构单元串联构成［2］，这种逆变器具有诸多优点：1）设计灵活、易于模块化、容易扩展，直流侧的直流电源相互独立；2）更适合高功率、高电压电路；3）逆变器的输出电平数可更加灵活；4）随着逆变器级联数目的增加，逆变器的输出电压将更加接近于正弦，有利于滤波器的体积减小，因此HB-CMI应用于较大功率光伏并网系统中具有一定的优势。但是非隔离型HB-CMI和电网无电气隔离，会形成具有较低阻抗的漏电流循环路径，产生的漏电流不仅会引起电磁干扰（electromagnetic interference—EMI）、并网电流的畸变等问题，同时也会对设备和人身安全造成危害。

目前对漏电流抑制方法的研究，单相拓扑的研究相对较多，级联多电平拓扑研究较少。文献［3-5］中通过改进拓扑结构使得共模输出电压保持不变来消除漏电流，文献［6］中通过考虑单相全桥并网逆变器寄生参数高频等效模型，采用合适的SPWM调制技术抑制漏电流，文献［7］中提出插入共模电感和共模变压器抑制漏电流的方法，文献［8］中提出了一种调制策略抑制HB-CMI光伏系统产生的漏电流，同时设计合适的电磁干扰滤波器能有效抑制开关电源中的电磁干扰［9］。开关频率的高低对EMI滤波器的设计起着决定性作用，文献［10］中揭示了开关频率的升高会提高共模滤波器和差模滤波器的截止频率，从而影响滤波效果；同时随着变换器工作频率的升高，滤波器的体积会大幅度减小，但是对开关管的特性要求也就越高，导致系统效率降低。

本文通过分析HB-CMI光伏发电系统漏电流的产生原因，建立了系统共模等效电路，从调制策略、改进EMI滤波器参数和位置以及适当提高工作频率3个方面，探讨其对共模干扰的抑制作用，最后得出结论。

1　系统漏电流的形成机理

在非隔离型光伏发电系统中，组件与电网之间存在直接的电气连接，使寄生电容、光伏发电变流系统和电网三者之间形成回路从而产生漏电流。非隔离型HB-CMI光伏发电系统电路及其等效模型如图1a所示，光伏电池板与大地之间的寄生电容为Cpvi，i=1，2，…，n。在逆变器的输出端有2个对称的差模滤波电感：L1，L2。寄生电容的大小与系统所处的外部环境、光伏电池板的尺寸以及安装结构等因素有关，一般为50～150 nF/kW［1］，在潮湿环境下可达200 nF/kW，德国VDE0126—1—1标准规定：当漏电流超过300 mA时，并网逆变器必须与电网断开［9］。为了揭示漏电流的产生原因，首先建立了系统共模模型，级联非隔离型光伏发电系统的等效电路如图1b所示，全桥拓扑的每个桥臂可等效为1个电压源（即噪声源），并分别定义为Vai，Vbi，i=1，2，…，n，可以看出Vai和Vbi实际为PWM脉宽调制电压。

由于存在多个共地点和多个寄生电容，在级联多电平变换器中会形成多个漏电流的循环回路，如图1b虚线框所示。这些回路可以分成两种：一种是通过寄生电容、逆变桥、滤波电感和电网之间形成的回路；另一种是在逆变器桥臂之间形成的内部回路，在这种回路中忽略电感，只考虑寄生电容的作用，高频PWM电压会产生脉冲式的漏电流。与传统逆变器相比，第2种漏电流回路只有在级联型逆变器中存在，因此如果采用在逆变器输出侧增加EMI滤波器的抑制方法将不能有效地消除系统漏电流。

图1　HB-CMI光伏系统电路及其等效电路Fig.1 HB-CMI photovoltaic system circuit and its equivalent circuit

对于HB-CMI，定义第i个逆变器的差模电压为Vdmi=Vai-Vbi，共模电压为Vcmi=（Vai+Vbi）/2。将图1b的等效电路简化为如图2所示，Vai，Vbi用Vdmi和Vcmi代替，得到系统的共模等效模型。由于在级联多电平变换器中逆变器桥臂之间会产生漏电流，由图2可以看出该漏电流不仅由逆变器的共模输出电压决定，同时与差模电压有关。

图2　级联变换器光伏系统的共模等效模型Fig.2 The common-mode equivalent model of the cascaded inverter photovoltaic system

2　多载波调制策略

级联逆变器常用的调制技术主要包括空间矢量调制技术、优化阶梯波宽度技术、多载波SPWM调制技术（也称为载波层叠调制技术）和载波移相SPWM调制技术等［11］。其中多载波调制技术使用同一个调制波与多个载波进行比较，根据载波相位可以分为以下3种方式：1）PD（phase disposition）调制；2）PO（phase opposition）调制；3）APO（alternative phase opposition）调制。

2.1 PD调制

如图3a所示，PD调制原理是调制波与多个频率、幅值、相位相同并按照连续的带宽排序的三角波进行比较后得到PWM信号。以调制波的中心为零轴，在正半周期，当调制波幅值大于载波时，输出便增加一个正电压，否则电压不变；在负半周期，当调制波幅值小于载波时，输出便增加一个负电压。因此如果输出电压电平数为2N+1（N为正整数），则需要2N个频率、幅值、相位相同、位置上下连续错开的载波，且零轴上下载波个数相同。

2.2 PO调制

如图3b所示，PO调制与PD调制相似，也需要多个频率、幅值、相位相同并按照连续的带宽排序的三角载波。但是零轴以上的载波与零轴以下的载波相位相反，而且载波正负方向层叠方式所需要的载波个数与级联逆变器的单元个数的关系和载波正负方向层叠方式相同。

2.3 APO调制

如图3c所示，APO调制与以上两种方式相似，同样的以零轴为对称轴，只是上下相邻的三角载波相位相反。

载波移相PWM控制的基本原理是采用具有相同的频率调制比、幅度调制比和共同的正弦调制信号，但是各个逆变器单元的三角波相差θ（相对于载波信号），其中θ=π/N。此方法原理简单并易于理解，方法也相对比较成熟，一般适用于各级联单元相同的逆变器。两单元HB-CMI电路中，一相输出的多个移相载波与同一正弦波的调制方法如图3d所示，其中Ts是三角载波周期。

图3　多载波调制和载波移相调制Fig.3 Multicarrier modulation and carrier phase shift modulation

3　不同调制策略的仿真分析

根据上节对HB-CMI调制策略的介绍与分析，为了进一步对比研究载波移相调制技术和多载波调制技术对HB-CMI电路漏电流的抑制作用，基于PSIM仿真软件搭建了二重HB-CMI电路仿真模型（如图1所示）。仿真参数如下：单元光伏板容量1 kW，单元直流电压相等且Vdc=120 V，寄生电容Cpv=150 nF，输出滤波电感L=1.8 mH，三角载波频率是3 kHz/6 kHz，调制波正弦波的频率是50 Hz，电网电压是220 V/50 Hz，系统仿真时间为0.06 s，仿真步长为100 ns。输出漏电流波形和寄生电容电压波形如图4所示。其中，I1为漏电流；I2为漏电流局部放大；Vcp为寄生电容电压。而不同调制策略下系统漏电流的有效值IL（RMS）如表1所示。

图4　fs=3 kHz时不同调制策略的仿真波形Fig.4 The simulation waveforms based on different modulation strategies when fs=3 kHz

表1　不同调制方式下的漏电流IL（RMS）Tab.1 Leakage current ILunder different modulation modes

由表1可以看出，PD调制控制下的HB-CMI电路的漏电流最大，PO调制控制方式下的输出漏电流最小，由图4d中可以看出PO调制控制下寄生电容两端电压变化范围为固定值60 V，根据i=Cdu/dt，从而降低共模电流。仿真结果表明采用适合的调制策略对漏电流有一定的抑制作用，但是仍无法满足漏电流小于300 mA的安全阈值要求。

4　漏电流抑制方法研究

在上节中仿真结果表明即使是相对较优的调制策略仍不能使得系统漏电流降低至安全范围内。同时，本文在研究HB-CMI光伏发电系统漏电流产生机理时已知系统存在两种漏电流流通回路。由于其存在内部漏电流的循环路径，因此该系统不能简单套用在逆变器的交流并网侧增加EMI滤波器的抑制方法。

为此，本文提出在各单元模块的直流侧增加EMI滤波器的漏电流抑制方法，加入EMI滤波器（如图5中虚线框内的电路）之后HB-CMI光伏发电系统如图5所示。

图5　HB-CMI光伏系统电路结构Fig.5 HB-CMI photovoltaic system circuit

图5中的EMI滤波器包括差模电感Ldm1，Ldm2，差模电容Cdm1，Cdm2，共模电感Lcm1，Lcm2，共模电容Ccm1，Ccm2，Ccm3，Ccm4。为了验证EMI滤波器对共模电流的影响，搭建了基于PSIM的系统仿真模型，在文献［12］中揭示了EMI滤波器参数的确定，滤波电容的容量要求越大越好，一般用于交流滤波器时，共模电容必须小于0.01 μF，如2 200～4 700 pF，差模电容要求取值在0.1～0.5 μF之间，差模电感和共模电感由插入损耗计算得出，仿真参数同上节，其中EMI滤波器的参数如下：差模电感Ldm1=Ldm2=100 μF，差模电容Cdm1=0.1 μF，Cdm2=0.2 μF，共模电感Lcm1=Lcm2=0.01 H（互感Mcm=0.009 H），共模电容Ccm1=Ccm2=Ccm3=Ccm4=2.2 nF。在fs=3 kHz条件下，漏电流的仿真输出波形如图6所示，其漏电流IL有效值如表2所示。

图6　改进后仿真实验波形（fs=3 kHz）Fig.6 The simulation waveforms after improved

表2　改进后的漏电流IL（RMS）Tab.2 The leakage current IL（RMS）after improved

比较表1和表2输出漏电流的有效值，表明加入EMI滤波器之后的HB-CMI电路对漏电流有很好的抑制作用，并且在PO方式控制下输出的漏电流最小，在PD调制控制下输出的漏电流最大。对图5和图6的漏电流仿真波形进行对比可以看出，加入EMI滤波器之后，削除了由于过高du/dt和di/dt引起的漏电流尖峰，缓解了漏电流的周期脉动，使漏电流在较小的范围内波动，对高频开关引起的干扰信号有较好的抑制作用。

在此基础上，在不明显降低系统效率的前提下，开关频率适当的升高，有利于增强EMI滤波器对共模电流的抑制作用并减小EMI滤波器体积。为了验证开关频率对EMI滤波器滤波效果的影响，本文分别对开关频率为3 kHz和6 kHz时系统输出的漏电流有效值进行了对比研究，不同工作频率下系统漏电流有效值如表2所示。

仿真结果表明适当的提高开关频率，采用合理的调制控制方法，以及合理配置EMI滤波器位置与参数，将实现比较理想的漏电流抑制效果，从而保证系统在各种不同安装环境和容量下均能满足漏电流安全阈值的要求。

5　结论

通过分析HB-CMI光伏发电系统漏电流的产生机理，建立了系统的共模等效模型；在4种传统调制技术基础上，对比研究表明PO调制技术对漏电流的抑制效果最佳，但是仍无法保证漏电流降低至安全阈值范围内；在此基础上提出在系统的每个单元直流侧加入EMI滤波器，并且考虑开关频率对EMI滤波器的影响，结果表明在选择较优的调制策略前提下，通过在单元直流侧增加合适的EMI滤波器，同时优化设计系统开关频率，即可对HB-CMI光伏发电系统的漏电流起到较好的抑制效果，保证不同安装环境和容量下系统漏电流均满足安全阈值要求。

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修改稿日期：2015-07-29

Leakage Current Suppression Method of Cascaded Transformerless PV System

YAN Haiyun，WANG Ping，XUE Likun，HAN Fuqiang，QI Cai
（School of Electrical Engineering & Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract:In the transformerless PV system，the inhibition of the leakage current is one of the major problems to be resolved. Based on the H-bridge cascade inverter circuit，the mechanism and path of the leakage current for the cascaded transformerless PV generation system were analyzed. In order to investigate the inhibitory effect of different modulation strategies on the leakage current，we set up a system simulation model based on four kinds of modulations. On this basis，a solution was put forward in which an EMI filter was set on the DC side of the module and the switching frequency was increased properly. Eventually，a simulation model based on PSIM was built，and the leakage current waveform and its effective value were analyzed in comparison，which can prove the effectiveness of the aforementioned theoretical research as well as processes.

Key words:cascaded inverter；common mode；leakage current；photovoltaic system

收稿日期：2015-04-28

作者简介：闫海云（1989-），女，硕士研究生，Email：914589712@qq.com

基金项目：国网总部科技项目《户用光伏发电系统关键技术研究与示范应用》（SGTJDK00DWJS1500098）

中图分类号：TM464

文献标识码：A