无变压器光伏并网系统拓扑仿真与特性比较

无变压器光伏并网系统拓扑仿真与特性比较

苏昆仑1，谢桦2

（北京交通大学 电气工程学院，北京市，海淀区 100044）

摘要：对单相无隔离变压器光伏并网系统共模电流的产生机理进行简要分析，并对单相全桥拓扑的两种控制方式分别进行仿真。同时对多种能够消除共模电流的单相无隔离变压器光伏并网系统的拓扑进行分析与仿真。从拓扑器件数量、控制复杂程度、功率损耗、滤波效果、系统共模电流五个方面比较各种拓扑的优劣，最后，分析结果表明，H5拓扑结构最优，适合未来实际发展与推广。

关键词：共模电流；仿真；光伏并网；无隔离变压器；开关损耗 中文分类号：TM401; TM403 文献标识码：A

Simulation Research and Features Comparison of Transformerless PV Inverters Topology

SU Kun-lun，XIE Hua

（School of Electrical Engineering，Beijing Jiao Tong University，Beijing 100044，China）

Abstract: It is analyzed briefly the mechanism of common mode current generation for the single phase transformerless photovoltaic(PV) grid system and simulate for the two kinds of control methods of single phase full bridge topology. analyse and simulate for lots of transformerless single-phase PV inverter topologies and these topologies can eliminate the common mode current. They are compared in device number, control complexity, power loss, filtering effect, the common mode current. Finally, the analysis results show that H5 topology is optimal, suitable for the actual development and promotion.

Key word：common-mode current；simulation；photovoltaic grid-connected；switching loss

0引言

随着分布式发电的日益发展，小功率单相逆变器有着广泛的市场，因此我们的研究对象是单相逆变器，传统的光伏并网逆变器通常是带有隔离变压器，起电气隔离作用。变压器又分为工频变压器、高频变压器，然而，工频变压器体积庞大，成本高昂，损耗大且增加系统安装难度。高频变压器使系统能量等级增加，降低发电效率。去掉变压器可以弥补上述缺点，然而去除变压器后，光伏阵列与电网之间存在电气连接，导致系统产生共模电流，危机人身安全，因此研究怎样消除共模电流并对现有的无共模电流拓扑结构进行仿真、特性比较具有重要的实际意义。

[1]PV电池板S1aS3L1VPVACbS4L2220VS2OCpIcm图1.1单相全桥逆变拓扑

Fig.1.1 Single-phase full-bridge inveter topology

1共模电流产生机理

由于省去了隔离变压器，电网与光伏阵列存在直接的电气连接。而光伏阵列与地之间存在寄生电容Cp（Cp是变化的，它的大小与空气湿度，电池板表面的灰尘等因素有关，电容量在50-150nF/kW），从而形成了由电网，滤波电感，逆变器，寄生电容组成的谐振回路，寄生电容上变化的共模电压就会在谐振回路中产生共模电流。对此，2006年德国制定了目前唯一针对无隔离变压器光伏并网逆变器共模电流限定的标准：DINVDE0126-1-1标准。

以单相全桥逆变拓扑分析说明共模电流产生机理，单相全桥逆变系统拓扑如图1.1所示:

[3][2]上图中a、b两点对o点的电压在0与池板输出电压之间变化。当上管S1导通时a点对o点电位为池板输出电压，S2导通时a点与o点同电位等于0，b点对0点的电位类似。因此电路可以等效为在ao、bo两端加入两个以开关频率变化的方波电源，幅值为池板输出电压，如图1.2所示：

aVaooVboCpbLIcmL+AC-图1.2共模回路的等效电路

Fig.1.2 The equivalent circuit of the common mode circuit

根据叠加原理，即可得出系统的共模电流Icm。电网电压AC单独作用时共模电流，等效电路如图1.3所示：

L+ACL-CpIcm1图1.3电网单独作用时等效电路 作者简介：苏昆仑（19-），男，硕士研究生，Email：11121658@bjtu.edu.cn

Fig.1.3The equivalent circuit of the grid individual effects

IjVcm1AC

w2gLwgCp因网压频率为50HZ，相对于开关频率很小，因此由电网电压引起的共模电流可以忽略。电源Vao单独作用时，等效电路如图1.4所示：

VaoaLLoCpIcm2图1.4电源Vao单独作用时等效电路

Fig.1.3The equivalent circuit of Vao individual effects

Icm2Vao1*(jwL1jVaojwL*jwC) pwL2jwLjwCpwCpjwL1jwCp同理得电源Vbo单独作用时共模电流

Icm3jVbo wL2wCp将Icm2、Icm3两式进行叠加，等效电路如图1.5所示：

VaoVboLLIcmCp图1.5忽略电网影响后等效电路

Fig.1.5 The equivalent circuit after ignore the grid

综上所述，系统的共模电流

j1(VIIaoVbo)cmIcm2cm32 12wL1wCp定义共模电压为：

Vcm0.5(VaoVbo)（1.1） 由式1.1可以看出，要达到消除共模电流的目的，只要保证Vcm恒定即可

[4]。 2多种单相光伏并网系统拓扑共模分析

2.1无隔离变压器单相全桥逆变系统拓扑

拓扑结构如图1.1所示，对于单相全桥拓扑而言，有两种PWM控制策略：1）单极性调制，2）双极性调制 。单极性调制时，以电网电流正半周

期为例， S1、S4导通时，Va0=VPV，Vb00， S1关断后，经S4、D2续流，Va0=Vb00。可见共模电压在0.5VPV、0之间变化，根据前面分析，系统会产生较大的共模电流。双极性调制时， S1、S4开通后，Va0=VPV，Vb00，S2、S3开通后，

Va0=0，Vb0VPV，共模电压始终为0.5VPV。理

论上不会产生共模电流[5]。

2.2带有交流旁路的单相全桥光伏并网系统拓扑（HERIC）结构

拓扑如图2.2所示[6]：

S1S3PVaL1电池板VPVS6220VACbS5S2S4L2CpoIcm图2.2 HERIC拓扑

Fig.2.2 HERIC topology

开关管S1-S4均以开关频率动作，S5、S6分别在正负半周期各自导通。以正半周期为例，有源状态S1、S4导通，Va0=VPV，Vb00。S1、S4关断后，经S5、D6续流，由于反并联二极管的钳位作用使得Va0=Vb0=0.5VPV，因此共模电压

Vcm0.5(Va0Vb0)=0.5VPV，在一个周期内保持

不变，不会产生共模电流。

2.3带直流旁路的单相全桥光伏并网系统拓扑（FBDC）

拓扑结构如图2.3所示

[7]：

S5D5S1S3PV0.5VpvaL1电池板VpvACD6S2S4b0.5VpvL2OS6CpIcm图2.3 FBDC拓扑

Fig.2.3 FBDC topology

正半周期，S1、S4始终导通，当S5、S6导通时，Va0=VPV，Vb00，S5、S6关断后，经S4、D2或S1、D3续流。此时，a、b两点电位由D7、D8钳位在0.5VPV，共模电压为0.5VPV，保持不变，理论上不会产生共模电流。 2.4 H5拓扑结构

拓扑结构如图2.4所示

[8]:

S5S1S3PVaL1电池板VPV220VACbS2S4L2OCpIcm图2.4 H5拓扑

Fig.2.4 H5 topology

以正半周期为例， S1、S4、S5导通时，Va0=VPV，Vb00。S4、S5关断后，经S1、D3续流，由于D2、D4、D5二极管的钳位作用，Va0=Vb0=0.5VPV，可见在一个周期内共模电压压保持VPV不变，理论上不会产生共模电流。 2.5 H6拓扑结构

拓扑结构如图2.5所示

[9]:

S3S1abL1PV电池板VPVS6D1D2S5AC220VS4S2L2OCpIcm图2.5 H6拓扑 Fig.2.5 H6 topology

以正半周期为例，有源状态S1、S4、S6导通，Va0=VPV，Vb00。S4、S5关断后，经S6、D1

续流, Va0=Vb0=0.5VPV。共模电压在一个周期内保持0.5VPV不变，不会产生共模电流。

3多种无隔离变压器单相全桥光伏并网系统拓扑仿真

上一节对多种拓扑进行了理论分析，在此基础上对这几种拓扑在matlab中搭建仿真模型进行仿真,逆变系统采用电压外环，电流内环双闭环控制[11]

，电压外环直接用电压源代替，省去了电压外环，同时为了消除电网电压的扰动对并网电流造成的影响，引入了电网电压前馈控制[12]

。所有拓扑的仿真都是基于相同的电路参数与调节器参数，其中系统仿真功率都为5kW，池板输出电压VPV=400V，开关频率为15kHZ，电网电压220V，寄生电容Cp=16nF，滤波电感L=4mH，P=30。单极性调制时单相全桥拓扑仿真模型与仿真结果如图3.1所示

50并网电流InetA/ten0I-500.50.550.60.650.70.750.8time/s600逆变器输出电压VoV400/oV0-400-6000.50.550.60.650.70.750.8time/s两倍的共模电压2VcmV600/m400cV2-1000time/s0.50.550.60.650.70.750.8共模电流Icm0.5A/0mcI-0.500.20.40.60.81time/s图3.1 仿真模型、仿真波形

Fig.3.1 The simulation model and simulation waveform

其余拓扑仿真结果如图3.2所示：

并网电流Inet50A/t0neI-500.50.550.60.650.70.750.8time/s600逆变器输出电压Vo400Vo/0V-400-600time/s0.50.550.60.650.70.750.8600两倍的共模电压2VcmV/m400cV200.50.550.60.650.70.750.8time/s共模电流Icm2x 10-4A/m0cI-200.20.40.60.81time/s

并网电流InetA50/ten0I-500.50.550.6time/s逆变器输出电压0.65Vo0.70.750.8V600/400oV0-400-6000.50.55600两倍的共模电压0.60.652Vcm0.70.750.8time/sV/m400Vc20time/s0.5-30.550.60.650.70.750.82x 10共模电流InetA/ten0I-200.20.40.60.81time/s

并网短路Inet50A/ten0I-500.50.550.60.650.70.750.8time/s逆变器输出电压Vo600V400/oV0-400-6000.50.550.60.650.70.750.8time/s两倍的共模电压2Vcm600V/m400cV20time/s0.50.550.60.650.70.750.8x 10-3共模电流Icm5A/m0cI-5time/s00.20.40.60.81并网电流Inet

A50/etn0I-500.50.550.6time/s逆变器输出电压0.65Vo0.70.750.8V600400o/V0-400-600time/s0.50.550.60.650.70.750.8V两倍的 共模电压2Vcm/m600Vc400200.50.550.60.650.70.750.8time/sx 10-3共模电流IcmA2/mc0I-200.20.40.60.81time/s

并网电流InetA50/25etnI-250-500.50.550.60.650.70.750.8time/s500逆变器输出电压V0V3000/V-3000-5000.50.550.6time/s两倍的共模电压0.65V2Vcm0.70.750.8/m1000Vc400200.50.550.60.650.70.750.8time/s-3A4x 10/mc0I-40.50.550.60.650.70.750.8time/s图3.2其余拓扑仿真结果

Fig.3.2 The simulation waveform of other topological

图3.2至上而下分别为双极性调制时的单桥

全桥、HERIC、FBDC、H5、H6拓扑仿真结果 从图中可以看出，采用单极性调制的单相全桥拓

扑共模电压在0与200交替变化，共模电流达到500mA。超出DINVDE0126-1-1标准。而另外四

种拓扑并网效果良好，共模电压基本不变，共模

电流小于DINVDE0126-1-1标准，在matlab中进

行THD分析，五种拓扑的THD分别为11.00%、

2.50%、3.86%、3.06%、2.52%。

4、多种无隔离变压器单相全桥光伏并网系统拓扑特性比较 本节从拓扑器件数量、控制复杂程度、功率

损耗、滤波效果、系统共模电流五个方面对各种

拓扑进行特性比较，为了方便分析，用①②③④

⑤分别代表双极性调制的全桥拓扑、HERIC拓扑、

FBDC拓扑、H5拓扑、H6拓扑。

4.1拓扑器件数量比较

表4.1五种拓扑的器件数量比较

Tab.4.1 The device number comparison of these topological 拓扑类型 ① ② ③ ④ ⑤ 二极管数目 0 0 2 0 2 IGBT数目

4

6

6

5

6

从上表可以看出拓扑①④所用器件较少。 4.2拓扑控制复杂程度比较

拓扑①中所有开关器件都以开关频率调制，S1、S3与S2、S4完全对称，控制简单。拓扑②中S1-S4以开关频率动作，S5、S6以工频动作，相对于拓扑①增加了两个以工频控制的开关管，控制变的复杂。拓扑③S1-S4均工作在工频，S5、S6以开关频率调制，较拓扑②控制相对简单。拓扑④S2、S4、S5工作在高频，S1、S3工作在工频，较拓扑②、③控制相对简单。拓扑⑤S5、S6以工频动作，S1-S4以高频动作。控制最为复杂，与拓扑②控制类似。 4.3功率损耗比较

在仿真分析中，开关频率都设为15kHZ，因此由开关频率差异引起的开关损耗可以忽略，直流侧电压取400V。具体分析如表4.2所示：

表4.2五种拓扑的开关损耗分析

Tab.4.2 The switching loss comparison of these topological 拓扑类型 ① ② ③ ④ ⑤ 有源状态S1 S1 S1、S4 S1 S1 导通器件 S4 S4 S5、S6 S4 S4 S5 S5 续流状态无 S5 S1、D3S1 S6 导通器件 D6 或S4、D3 D1 D2 参与调制两个同 两个都一个同④ 的开关管都为① 为400V 800V，额定电压 800V 一个400V 换 流 时 承 2 个 1 个 1个 1个 1个 受开关损耗器件数 从上表可以得出，拓扑①中开关管额定电压较高，功率损耗损耗最大，拓扑②因每次换流只

有一个开关管承受开关损耗，损耗相对较低。拓

扑③开关管的额定电压减小一倍，但是有源状态

导通器件较多，功率损耗没有明显变化。拓扑④

中开关管的额定电压有所降低，同时有源状态导

通器件的数目有所减少，功率损耗明显降低，拓

扑⑤与拓扑④类似。

4.4拓扑滤波效果比较

为了增加可比较性，在仿真分析中，5种拓扑

的滤波电感取相同值（2mH），对并网电流进行

THD分析，结果如表4.3所示：

表4.3五种拓扑并网电流THD比较

Tab.4.3 The THD comparison of these topological 拓扑类型 ① ② ③ ④ ⑤ THD值 11% 2.5% 3.86% 2.% 2.52%

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[10] 马琳，孙凯，Remus Teodorescu等，高效率中点钳位型光伏逆变器拓扑比较,电工技术学报，从上表可以看出拓扑②④⑤滤波效果较好。 4.5系统共模电流比较

由控制原理得拓扑①输出只有+Vpv、-VPV两种电平，共模电压保持不变，不会产生共模电流，从图3.2中可以得到验证。由于拓扑②④没有的钳位器件，在续流状态时只是通过H桥上IGBT的反并联二极管起钳位作用，存在一定的共模电流，但是小于30mA，能够满足DINVDE0126-1-1标准。拓扑③⑤存在的钳位器件（二极管），在续流状态时能够很好的将Va0与Vb0钳位在0.5VPV，共模电流消除效果较好。

5结论

本文首先说明了无隔离变压器光伏并网系统的优点，指出无隔离变压器光伏并网系统存在的主要问题。然后分析了共模电流产生机理，对现有能够消除共模电流的多种隔离变压器光伏并网系统拓扑进行了理论分析并在matlab中进行仿真验证。最后本文首次对这几种拓扑在拓扑器件数量、控制复杂程度、功率损耗、滤波效果、系统共模电流五个方面详细分析了各种拓扑的优劣，通过五个方面的比较得出： H5拓扑结构最优，所用开关器件少，控制相对简单，系统功率损耗低，滤波电感相同时的并网电流良好，共模电流几乎为0（小于0.5mA）。适合未来在实际中发展与推广。对于无隔离变压器光伏并网系统在实际中的应用具有重要意义。

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