无变压器非隔离型光伏并网逆变器漏电流抑制技术 邬伟扬郭小强 电力电子节能与传动控制河北省重点实验室，燕山大学电气工程学院，河北省秦皇岛市066004 Email:guoxq@ 摘要漏电流抑制是无变压器型光伏并网系统需要解决的关键问题之一.VDE-0126-1-1标准规定漏电流高于300mA 时光伏并网系统必须在0.3s内从电网中切除.
为了解释漏电流的根源，建立了系统共模电压数学模型，在此基础上分析了 漏电流产生的原因，探讨了不同调制策略对漏电流的影响，然后介绍了几种典型的、能够有效抑制漏电流的电路拓扑结构， 并分析了各种拓扑的工作原理和特点.
最后对漏电流抑制技术方面的发展趋势做了展望.
关键词无变压器，光伏并网逆变器，漏电流
1.引言100With Tnmsfomer ewahout Transfoesr 太阳能发电是能源有效利用的重要手段之一，自98 从1954年第一块实用光伏电池间世以来，光伏发电技8". 术取得了长足的进步.
据国际能源机构IEA94 (International Energy Agency）统计数据，1992年至92 2008年之间，光伏发电系统容量呈逐年递增趋势，如90 图1所示，并网型光伏系统增长趋势较快，是目前广8805 泛采用的发电方式.
系统输出功率(kW） 000图2系统输出功率与欧洲效率
虽然去掉工频变压器可以使光伏并网系统整体效 率得到一定改善，但却带来一些新的问题，如漏电流 光伏发电容量（MW），漏电流的本质为共模电流，其产生原因是光伏系
统和大地之间存在寄生电容，当寄生电容-光伏系统- 00电网三者之间形成回路时，共模电压将在寄生电容上
产生共模电流.
当光伏系统中安装有工频变压器时， 由于回路中变压器绕组间寄生电容阻抗相对较大，因 此回路中共模电压产生的共模电流可以得到一定抑 图11992-2008年光伏发电容量制.
然而在无变压器的光伏系统中，回路阻抗相对较 为了实现光伏系统并网运行，需要通过电力电子小，共模电压将在光伏系统和大地之间的寄生电容上 装置进行功率变换.
其中，逆变器作为光伏系统和电形成较大的共模电流，即漏电流.
网之间的接口，起着至关重要的作用.
通过逆变器无变压器非隔离型光伏系统中的漏电流会引起并 的控制不仅可以保证光伏并网系统高质量地向电网输网电流畸变、电磁干扰等问题，还可能对人身安全构 送功率，在电网故障时还可以实现有效的孤岛保护.
成威胁I451.德国VDE-0126-1-1标准规定，漏电流高 传统的并网逆变器系统输出端一般安装工频隔离变压于300mA时光伏并网系统必须在0.3s内从电网中切 器，以实现电压调整和电气隔离.
然而，工频隔离变除.
目前，漏电流抑制技术已成为光伏并网系统研究 压器体积大，成本高，损耗大，影响系统整机效率.
中的热点问题.
本文首先分析漏电流产生的原因，然 因此，无工频隔离变压器的并网逆变器系统成为目前后从调制和拓扑角度对漏电流抑制技术进行分析.
最 研究热点.
图2为两种类型光伏递变器的欧洲效率测后对无变压型光伏并网系统漏电流抑制技术的发展趋 试结果，总体而言无变压器型结构系统效率较高.
势做了展望.
国家自然科学基金项目（资助号： ）
2.漏电流产生原因分析当并网接口电感相同时，式（4）可简化为： 图3为典型的三相无变压器型光伏并网逆变器原U U U(5) 理图.其中，EEE、和LLL分别为三相电网3 电压和并网接口电感，C为三相桥路输出端和大地之由上图可知，当U为常量（直流）时，电感被短路， 间的寄生电容，L为逆变器和电网之间的接地电感，电容承受电压U.根据im=C（dUm/dr）可知系统 C为光伏PV和大地之间的寄生电容，其值与外部环共模电流（漏电流）为0.表1给出三相逆变器开关状态 境条件、光伏电池板尺寸结构等因素有关，一般在和共模电压U的关系.
50-150nF/kW左右的下面分析不同调制方法对共模电流的影响，传统 如上文所述，漏电流的本质为共模电流.
为了揭空间矢量调制SVM方法一般可分为连续SVM和非连 示漏电流产生的原因，首先建立系统共模模型如图4续SVM.
一般而言，连续SVM在一个开关周期内 所示.
其中，变量i=（ab c)，=（a b c）且i≠j.分配零矢量U和U，而非连续SVM在一个开关周期 内只分配零矢量U或者U 表1三相逆变器开关状态和共模电压关系 S S S. U U U U U0600000 U 100Ua00Us/3 U110Us Us02U/3 C U0100Uac0UaJ3
U0110Uac2U/3 图3三相无变压器型光伏并网逆变器U 00100Us U/3
U6101Us0U2U/3 U 111Ua Uac Uac Uac -P根据表1可知，上述两种SVM产生的共模电压
U在U/3、2U/3、U或0之间变化，根据 图4系统共模模型i=C（dU/dr）可知系统将产生共模电流，即漏电 U = UU流，其值与寄生电容C和共模电压变化率dU/d 2(1)成正比.
Ua_0 =(UUμ)(L L)(2)为了保证共模电压U为常量，可以根据表1选 2(L L)择非零矢量U-U-U来合成参考矢量U，如图5 L = LL (3)所示.
此时共模电压为常量（U/3）.
同理，选择非零 LL矢量U-U-U来合成参考矢量U也可以保证共模 根据上图可得系统总共模电压为：电压为常量（2U/3）.由于上述两种方法均可保证共模 U = Um_ U∞_ Um_a Ua_e U/a_x U_电压U恒定，根据=C（dU/dr）可知此时共模 33电流i=0，从而实现了共模电流（漏电流）的抑制.
U U U 3 Ua（LL)Us(LL）U(L-L) 2（LL)2(LL)2（LL)
3
(4) 由式（4）可知，当并网接口电感LLL三者取值 不同时，差模电压U、U和U.
也会对总共模电压图5非零矢量U-U；-U合成参考矢量U U产生影响，因此实际应用中需尽量保证电感取值 一致.
下面分析单相系统，图6为典型单相全桥无变压
器型光伏并网逆变器原理图.其中，E和LL分别极性调制采用非零矢量U和U，共模电压为常量 为电网电压和并网接口电感，C为光伏PV和大地之（U/2）：单极性调制中含有零矢量U和U，使得共 间的寄生电容，C为单相桥路输出端和大地间的寄生模电压在Ua/2、U和0之间变化.
因此，根据 电容，L，为逆变器和电网间的接地电感，单相系统共i=Cp（dU/dr）可知单极性调制时共模电流不为 模模型如图7所示.
其中，0.而双极性调制时共模电流i=0，可以实现共模电 流（漏电流）的抑制.
由上述分析可知，对于传统单/三相无变压器型光 伏并网逆变器拓扑，共模电流（漏电流）有效抑制的两个 基本条件为：（1）各桥臂电感值选取一致：（2）采用非 零矢量合成参考矢量，使得共模电压保持恒定.
3.拓扑对漏电流的影响 C由上节分析可知，通过非零矢量调制技术可以有
效地抑制漏电流，然而此类方法具有不足之处，如三 图6单相无变压器型光伏并网逆变器相系统中采用非零矢量U-U-U合成参考矢量虽 然能够有效抑制漏电流，但是此种调制方法直流电压 利用率比传统SVM低.
另一方面，单相系统中采用非 零矢量的双极性调制可以抑制漏电流，但输出电压纹 C;波和开关损耗比单极性调制大，从而导致滤波电感大、
系统效率低.
图7单相系统共模模型为了解决上述方案的不足，国内外专家学者开始 (UU）（LL)研究更为有效的漏电流抑制解决方案.
其中一种简单 Ua_ =2(L L)(6)有效的方法是将光伏阵列直流侧中点、网侧中点与大 LL地三者连接，如图8所示.
La = Ll(7) 根据图7可得系统总共模电压为： U =Un_aU_ UUU（L-L)(8)
2（7） 由式（8）可知，当并网接口电感LL两者取值不 同时，差模电压U会对总共模电压U产生影响.
另 一方面，当并网接口电感LL两者取值相同时，式（8) 可简化为：
U = UUw(9)
2 表2给出此时单相逆变器开关状态和共模电压 U的关系.
下面分析调制方法对共模电流的影响.
表2三相逆变器开关状态和共模电压关系 SSU U Uo Ua000 U 0U0Uw/2 U00Uac Us/2 Bipolar
Us. Uac Uaa（b）单相
图8直流侧/网侧中点接地拓扑 单相全桥逆变器PWM调制一般可分为双极性由图8可知，根据基尔霍夫电压定理，忽略大地 Bipolar调制和单极性Unipolar调制.
如表2所示，双之间阻抗L和直流侧/交流侧中点之间阻抗Z，光伏阵
列直流侧/交流侧中点与大地连接可以使得寄生电容和0，此时共模电压u=U/2:当S和S关断时， 两端电压为常量（-U/2），根据上节分析可知系统漏电电流经S、S反并联二极管续流，U和u电压均 流为0U/2.此时共模电压U=U/2 实际应用中，杂散参数影响使得Z和L不为0.
另一方面，负半周期内（N），开关S；始终导通， 如图8b所示，由于阻抗L和Z两端电压高频分量受S和Ss以开关频率调制-当S和Ss导通时，U和U 开关S影响而变化，使得电容C两端电压中同样含电压分别为0和U，此时共模电压U=U/2：当S 有高频分量，从而导致系统漏电流不为0.因此，工和S关断时，电流经S、S反并联二极管续流，U和 程应用中应尽量减小阻抗L和Z.
上述方法还可扩展U电压均U/2，此时共模电压U=U/2.表3列出 至多电平拓扑，如图9所示.
H5直流旁路拓扑开关状态与共模电压的关系.
很明 显，该拓扑整个周期内共模电压保持恒定为U/2，因 此漏电流可以得到有效抑制.
(b)H6 图10直流旁路拓扑 表3H5拓扑开关状态和共模电压关系 (b)单相ss U= U/on U 图9直流侧/网侧中点接地多电平拓扑 第二类解决方案是采用改进的拓扑形式，比如从1U0Us/2 单相全桥拓扑演变出的改进拓扑，此类拓扑主要特点0Us/2 U/2 Us/2 有：（1）桥路输出电压纹波小（类似单极性调制）：（2）系00Uac Ua/2 N 统共模电压为常量（无漏电流）.
上述特点一般通过辅9U/2 UJ2 U/2 助电路实现类似单极性调制中的署矢量，从而解决双图10b为H6直流旁路拓扑，其工作原理如下： 极性调制输出电压纹波大的问题，同时将直流侧和交正半周期内(P)，开关S和S始终导通，S、S和S 流侧隔离，使得零矢量作用期间系统共模电压保持恒S交替导通.
当S、S导通，S、S关断时，U和U 定.
此类拓扑一般可分为2类：直流旁路拓扑和交流电压分别为U和0，此时共模电压U=U/2：当S 旁路拓扑.
S导通，Ss、S关断时，电流续流路径有2条：（1)S、 图10a为H5直流旁路拓扑，其工作原理如下：S反并联二极管，（2）S、S反并联二极管.
二极管 正半周期内（P)，开关S始终导通，S和S 以开关频D和D将电压U和U钳位至U/2，此时共模电压 率调制.当S和S导通时，U和U电压分别为UU= U/2.
另一方面，负半周期内(N），开关S和S始终导 通，Ss、S和S、S交替导通.
当Ss、S导通，S、 S关断时，U和U电压分别为0和U，此时共模 电压u=U/2：当S、S导通，Ss、S关断时，电流 续流路径有2条：（1)Ss、S反并联二极管，（2)S、S4 反并联二极管.
二极管D和D将电压u和u钳位 至Ua/2，此时共模电压U=U/2.表4列出此种直 流旁路拓扑开关状态与共模电压的关系，可以看出，(b)HB-ZVR 该拓扑整个周期内共模电压保持恒定为U/2.因此漏图11交流旁路拓扑 电流可以得到有效抑制.
图11b为HB-ZVR交流旁路拓扑I2，其工作原理 表4H6拓扑开关状态和共模电压关系如下：正半周期内(P)，S、S和S交替导通.
当S SSS SSsS U U/和S导通，S关断时，U和u电压分别为U和0， 011Ua0UJ2 P此时共模电压u=U/2:当S和S关断，S导通时， 00U/2 U/2 U2电流经S和整流桥续流，U和u电压均U/2，此 00U UJ2时共模电压u=U/2 U/2U/2U2另一方面，负半周期内（N），S、S和Ss交替导通.
下面介绍交流旁路拓扑.
图11a为HERIC交流旁当S和S导通，S关断时，U和u电压分别为0 路拓扑，其工作原理如下：正半周期内（P)，开关S和U，此时共模电压u=U/2：当S和S关断， 始终关断而S始终导通、S 和S以开关频率调制.
当S导通时，电流经S和整流桥续流，U和u电压均 S和S导通时，U和u电压分别为U和0，此时 U/2，此时共模电压Ua=Ua/2.表6列出HB-ZVR 共模电压U=U/2:当S和S关断时，电流经S、拓扑开关状态与共模电压的关系，很明显，该拓扑整 S反并联二极管续流，U和u电压均U/2.此时共个周期内共模电压保持恒定为U/2，因此漏电流可以 模电压u=U/2.得到有效抑制.
另一方面，负半周期内（N)，开关S.
始终关断而表6HB-ZVR拓扑开关状态和共模电压关系 S始终导通、S和S以开关频率调制.当S和 S、S: S ss U U U S导通时，U和U电压分别为U和0.此时共模01Uac0Ua/2 P 电压U=U/2:当S和S关断时，电流经S、S反0001Ua/2 Ua/2 Ua2 并联二极管续流，U和U电压均U/2，此时共模电000Us U/2 N 压U=U/2.表5列出HERIC拓扑开关状态与共模0U2U2U2 电压的关系，可以看出，该拓扑整个周期内共模电压上述四种拓扑均可以实现漏电流抑制，目前部分 保持恒定为U/2，因此漏电流可以得到有效抑制.
拓扑已成功应用于商业产品，如德国SMA公司的 Sunny Mini Central系列和 SunnyBoy TL系列的光伏并 网递变器采用H5 拓扑，德国Sunways公司生产的NT 系列的光伏并网逆变器采用HERIC拓扑.
从系统效率来看，上述四种拓扑最大效率均可达 到96%以上.
从半导体器件数量来看，H5拓扑所需开 关最少.
从有功/无功控制来看，H5拓扑和HERIC拓 扑控制无功时需要对开关调制策略做相应地改进，而 (a)HERICHB-ZVR拓扑可以较为方便地运行于非单位功率因数 表5HERIC拓扑开关状态和共模电压关系模式，但HB-ZVR拓扑所用半导体器件较多，因此系 S2 S; S4 SsS U U统效率比H5拓扑和HERIC拓扑略低.
001Us0Us/2 P 00Uu/2 Us/2 Ua2
000Ua Ua/2 N 00Uac/2 Ua/2 Ua2
