一种新型HERIC光伏逆变器漏电流抑制技术研究

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硬件与结构 Hardware and Architecture 微型机与应用 2017 年第 36 卷第 1 期欢迎网上投稿 www． pcachina ．com一种新型 HEＲ IC 光伏逆变器漏电流抑制技术研究袁颖，马海啸（南京邮电大学自动化学院，江苏南京 210046）摘要针对已有的无变压器光伏逆变器存在共模电压威胁人身安全的问题，在非隔离光伏逆变器（ Highly Efficient Ｒ eliableIn-verter Concept， HEＲ IC）拓扑的基础上，提出了一种新型的箝位型 HEＲ IC拓扑。箝位型 HEＲ IC拓扑是在逆变器直流输入电容的中点加入了另一个开关管，使整个工作过程中共模电压保持不变。通过仿真发现这一理论是可行的。然后分别搭建 HEＲ IC逆变电路和箝位型 HEＲ IC逆变电路，通过对比实验和数据分析验证了仿真结果，证明了箝位型 HEＲ IC拓扑的有效性和低漏电流特性。关键词光伏逆变器；非隔离；拓扑；共模电压；箝位中图分类号 TM464 文献标识码 A DOI 10． 19358 /j ．issn ．1674-7720 ．2017 ． 01． 011引用格式袁颖，马海啸．一种新型 Heric 光伏逆变器漏电流抑制技术研究［ J］．微型机与应用， 2017， 36（ 1） 35-37， 43．A new HEＲ IC PV inverter for restraining the leakage currentYuan Ying ， Ma Haixiao（ Schoolof Automation， Nanjing University of Postsand Telecommunications， Nanjing 210046， China）Abstract The existing photovoltaic inverters without transformer still have commonmode voltage， which is the threat to life ．In order to solvethis problem， a novel non-isolated photovoltaic inverter called clamped-HEＲ IC topology is proposed， which is based on HEＲ IC topology ．Thisphotovoltaic inverter has added a power switch at the point of the DC input capacitanceto make the voltageunchangedthroughoutthe course ofthe work ． This theory is feasible by simulation ．Then we respectively set up HEＲ IC inverter circuit and the clamped-HEＲ IC inverter circuit ．The simulation results are validated by experiments and data analysis ．The experiment verifies the validity and low leakage current of theclamped-HEＲ IC topology ．Key words PV inverter； non-isolated； topology； common modevoltage； neutral point clamped0 引言图 1 HEＲ IC 拓扑结构随着新能源的兴起，太阳能已经得到了广泛应用，这其中包括光伏发电。传统的光伏并网逆变器都是采用变压器来进行电隔离的，以此保障人身安全。但是，这也存在变压器的使用大大降低了系统效率的缺点。近几年来人们提出了多种无变压器光伏逆变器拓扑，这其中包括HEＲ IC 拓扑（如图 1），该拓扑是在 H 桥的桥臂两端加上两个反向的开关管进行续流，以达到续流阶段电网与光伏电池隔离的目的，这一创新具有极大的意义［ 1-4］。虽然较之前的变压器其效率有很大提升，但该拓扑的共模电压还是存在的，对人身安全还是有很大威胁。因此本文在HEＲ IC 拓扑上进行改进，在其续流通道的中点接一开关管在直流输入电容的中点，以达到箝位的目的，使得整个工作过程中共模电压保持不变。1 新型 HEＲ IC 拓扑原理介绍1． 1 控制方法新型 HEＲ IC拓扑如图 2 所示。图 2 新型 Heric 拓扑结构开关管驱动信号时序图如图 3 所示。 ugs1 ～ ugs7分别对应 S1 ～ S7 开关管的控制信号。其采用 PWM 控制方法［ 5-8］。三角波进行上下平移。上三角载波 vc1与调制波 vr（正弦波）交截产生控制波形 ugs1和 ugs4，下三角载波 vc2 与调制波 vr 交截产生控制波形 ugs2和 ugs4。 ugs1和 ugs2取或非得到 ugs5、 ugs6、 ugs7。53硬件与结构 Hardware and Architecture 微型机与应用 2017 年第 36 卷第 1 期图 3 驱动信号时序图1． 2 工作原理该拓扑的工作过程有 4 个模态［ 9］，如图 4 所示。图 4 各模态等效电路图（ 1）模态 1，正半周期，如图 4 （ a）所示，开关管 S1、 S4导通，其余关断。电流从正极出发，经过 S1、 Lf1 、Ｒ、 Lf2 、 S4，最后流回电源负极。该过程中 uAN VPV， uBN 0，故共模电压 ucm （ uAN uBN ） /2 0． 5 V PV。（ 2）模态 2，正半周续流阶段，如图 4 （ b）所示， S5、 S6和 S7 导通，其余关断。由于电感存在电流续流，依次流经Lf1、Ｒ、 Lf2、 S6 、 S5，该过程中太阳能电池与电网隔离。当 Q点电位高于输入电容中点电位时，二极管 D1 承受正向电压导通， Q 点电位被箝位至输入电压的一半。当 Q 点电位低于输入电容中点电位时，开关管 S7 的导通使 Q 点电位被箝位至输入电压的一半。整个续流阶段， uAN 0． 5 VPV ，uBN 0． 5 V PV，故共模电压 ucm 0． 5 V PV。（ 3）模态 3，负半周期，如图 4 （ c）所示，开关管 S2、 S3导通，其余关断。电流从正端流出经过 S3 、 Lf2 、Ｒ、 Lf1、 S2。该过程中 uAN 0， uBN V PV，故共模电压 ucm 0． 5 V PV。（ 4）模态 4，负半周续流阶段，如图 4（ d）所示，开关管S5、 S6 和 S7 导通，其余关断。电流经过 Lf2、Ｒ、 Lf1、 S5 和 S6。原理同模态 2。整个阶段 uAN 0． 5 V PV， uBN 0． 5 VPV ，故共模电压 ucm 0． 5 V PV。经过分析可知，整个工作过程中共模电压保持不变，故不会产生共模漏电流。2 仿真结果通过 saber仿真软件仿真的 S1 ～ S7 开关管的控制信号波形如图 5 所示。其中 ugs1， 4 是 S1 和 S4 两个开关管的的控制信号， ugs2， 3是 S2 和 S3 的控制信号， ugs5， 6， 7是 S5 、 S6、S7 的控制信号。仿真输出的电压波形如图 6 所示，为幅值在 220 V 左右的正弦波。图 5 控制信号图 6 输出电压波形图 7 为共模电压分析图， uAN、 uBN 是桥臂中点 A、 B 对负端 N 的电压，共模电压 ucm （ uAN uBN ） /2 ， uo 为逆变器输出电压，通过计算得知共模电压 ucm维持在 180 V 左右。从 saber仿真软件得到的仿真波形来看，实验设想是可行的，通过波形数值分析可知，是能够保证整个工作过63硬件与结构 Hardware and Architecture 微型机与应用 2017 年第 36 卷第 1 期欢迎网上投稿 www． pcachina ．com图 7 共模电压波形程中共模电压保持不变的。3 实验结果为了验证实验的正确性，现分别搭建 HEＲ IC逆变电路和箝位型 Heric 逆变电路，并在相同功率下比较实验结果。实验样机参数如表 1 所示［ 10-11］。表 1 实验样机参数实验参数数值输入电压 / V 200 ～ 500输出电压 / V 220输出频率 / Hz 50额定功率 / W 300直流母线电容 Cdc1 、 Cdc2 / μ F 330开关频率 / kHz 22滤波电感 Lf1 、 Lf 2 / mH 4滤波电容 Cf /μ F 2开关管 I Ｒ FP450对地电容 C1 、 C2 / nF 100图 8 HEＲ IC 拓扑共模电压及漏电流图 8、图 9 分别是 HEＲ IC 逆变电路和箝位型 HEＲ IC图 9 箝位型 HEＲ IC 拓扑共模电压及漏电流逆变电路的实验波形。 I cm为漏电流，通过示波器对漏电流 I cm进行频谱分析（ FFT）。通过比较图 8 （ a）和图 9 （ a）的波形可知，箝位型HEＲ IC逆变器拓扑的共模电压较 HEＲ IC逆变器拓扑得到很好控制，波形更加平稳，共模电压始终维持在直流输入电压的 1 /2 左右。比较图 8（ b）和图 9（ b）， FFT 分析结果显示， HEＲ IC拓扑的漏电流大小为 7 mA，而箝位型 HEＲ IC拓扑只有 3． 5 mA。4 结论本文提出的新型箝位型 HEＲ IC 逆变器拓扑在整个周期可产生恒定的共模电压，且比 HEＲ IC 拓扑具有更好的共模电压抑制作用，降低了漏电流。参考文献［ 1］马琳．无变压器结构光伏并网逆变器拓扑控制研究［ D］．北京北京交通大学， 2011 ．［ 2］张犁，孙凯，冯兰兰，等．一种低漏电流六开关非隔离全桥光伏并网逆变器［ J］．中国电机工程学报， 2012， 32（ 15） 1-7．［ 3］惠晶，方光辉．新能源转换与控制技术［ M］．北京机械工业出版社， 2008 ．［ 4］肖华锋，刘隰蒲，兰科．一种零电压转换 H6 结构非隔离光伏并网逆变器［ J］．中国电机工程学报， 2014， 34（ 3） 363-370 ．［ 5］吴学智，尹靖元，杨捷．新型的无隔离变压器单相光伏并网逆变器［ J］．电网技术， 2013， 37（ 10） 2712-2718 ．［ 6］ GONZALEZ Ｒ， GUBIA E， LOPEZ J， et al ． Transformerlesssin-gle-phase multilevel-based photovoltaic inverter ［ J］． IEEETransactions on Industrial Electronics， 2008， 55 （ 7 ） 2694-2702．（下转第 43 页）73图像与多媒体 Image and Multimedia 微型机与应用 2017 年第 36 卷第 1 期欢迎网上投稿 www． pcachina ．com对于运动平缓和场景简单的视频序列中模型参数的预测准确度有待提高。同时，模型参数的预测所需的视频特征仅仅通过 YUV 视频序列本身进行提取，不需要相应的 264码流，在传输分组丢失的情况下，接收端无需重新估计运动矢量信息，在尽可能保障模型参数预测准确度的同时使得计算更为简单，可有效地用于视频质量评价和视频传输端到端的保障。参考文献［ 1］蒋刚毅，朱亚培，郁梅，等．基于感知的视频编码方法综述［ J］．电子与信息学报， 2013， 35（ 2） 474-483 ．［ 2］ LEE J， EBＲ AHIMI T． Perceptual video compression asurvey［ J］． IEEE Journal of SelectedTopics in Signal 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－），女，硕士研究生，主要研究方向交流多单元伺服或变频控制、新型电源及能量传递方法。34