随着光伏电池的快速发展，光伏并网逆变系统发展也越来越快。光伏发电作为新兴绿色能源，从一定程度上缓解了公用电网超大负荷的压力，成为改善传统电力能源结构的一大亮点。但由于光伏逆变控制技术还处于不断完善中，光伏并网逆变系统内部含有电力开关器件，较高的开关频率会导致电磁辐射干扰，致使逆变输出电流中不可避免地含有大量谐波，若不加以控制，则存在污染电网的隐患。因此，各国对光伏并网逆变系统的电磁兼容性能均有明确要求。相关认证有：欧盟CE认证、加拿大CSA认证、美国UL认证、澳洲CEC认证和中国金太阳认证等。

    光伏并网逆变系统的核心光伏并网逆变器主要有带变压器的隔离逆变器和不带变压器的非隔离逆变器两种类型。非隔离并网逆变器由于其体积小、质量轻、效率高等优点被广泛应用于光伏并网逆变系统中。但由于非隔离并网逆变器不带变压器，导致光伏阵列与电网没有电气隔离，给共模电流形成了回路，容易导致EMC干扰与安全隐患。

图1  非隔离光伏并网逆变系统的共模电流和寄生电容

1 共模电流形成的原因

    影响非隔离型光伏并网逆变器EMC性能的因素有共模干扰、高频开关管和高频开关电源产生的开关噪声，其中影响最大的是共模干扰，而共模干扰又是形成共模电流(即漏电流)的最主要的原因[1]。图1所示，光伏阵列与地之间存在着寄生电容，而寄生电容C、滤波器元件L、电网阻抗R形成了共模谐振电路，在寄生电容上变化的共模电压可以激励这个共模谐振电路从而形成共模电流[2]。而非隔离型光伏并网逆变器不带变压器，光伏阵列与电网之间没有电气隔离，正好给这个共模电流形成了回路，易产生EMC干扰并存在安全隐患[3]。

2 共模分析

2.1 全桥逆变共模分析

    如图2所示，光伏阵列与逆变器输出端(即电网)没有直接的电气隔离，所以光伏阵列对地寄生电容等同于逆变器输出端对地寄生电容，寄生电容的大小由直流源和环境因素决定[4-5]，在光伏系统中，寄生电容的大小一般为微法到毫法量级。Udc为光伏阵列电压Upv经过boost升压后的电压，ucm为寄生电容Cp两端的电压，ug为电网电压，uao、ubo分别为逆变器输出端a、b对接地端O的电压，icm为回路中的共模电流。

图2  全桥电路的非隔离型逆变结构及其共模分析

由基尔霍夫电压定律可得：

-uao+uL+ug+ucm=0(1)

-ubo-uL+ucm=0(2)

由式(1)和(2)可得：

2ucm=uao+ubo-ug(3)

共模电流icm的大小与共模电压的变化率成正比例关系：

    由于电网频率为50 Hz，电网电压变化率引起的共模电流很小，可以忽略，所以共模电流icm的大小可以表示为：

(5)

因此，决定共模电流的共模电压ucm可以近似表示为：

(6)

    而由式(5)可知，共模电流的大小主要由输出线对地电压之和的变化率决定。因此，要抑制共模电流，应尽量控制共模电压为一定值，即：

uao+ubo=定值(7)

对于单相全桥逆变，常用的调制方式有单极性调制与双极性调制；对于使用单极性调制的电路，逆变拓扑结构一般有全桥拓扑和H6桥拓扑。以下对这3种情形一一进行分析比较。

2.1.1 全桥逆变单极性调制共模分析

单极性调制下各个开关管的驱动波形如图3所示。

图3  单极性调制下四个开关管的驱动波形

    在电网的正半周期时，V4长期导通。当V1导通时，电流的回路为：V1-L1-Grid-L2-V4，此时共模电压ucm为：

(8)

    当V1关断时，开关管V2的反并联二极管起续流作用，可以看作V2导通。此时电流回路为：L1-Grid-L2-V4-V2，共模电压ucm为：

(9)

    由式(8)和(9)可知，在电网的正半周期，共模电压ucm随着开关管V1的开关状态迅速变化，幅值在零与0.5Udc之间来回变化，这个电压变化率会对寄生电容进行快速充放电从而形成共模电流。

2.1.2 全桥逆变双极性调制共模分析

双极性调制下各个开关管的驱动波形如图4所示。

图4  双极性调制下4个开关管的调制波形

    当开关管V1、V4导通时，V2、V3关断，此时电流回路为：V1-L1-Grid-L2-V4，共模电压ucm为：

(10)

    当开关管V2、V3导通时，V1、V4关断。此时电流回路为：V3-L1-Grid-L2-V2，共模电压ucm为

(11)

    由式(10)和(11)可知，在一个开关周期内，共模电压ucm都为0.5Udc，而Udc的变化率很小，说明双极性调制的全桥拓扑共模电压几乎恒定不变。

2.2 六桥逆变单极性调制共模分析

    H6桥拓扑结构如图5所示。单极性调制各个开关管的驱动波形如图6所示。

图5  H6桥拓扑结构

图6  六桥逆变单极性调制6个开关管的驱动波形

在电网的正半周期，V2始终导通。当V1、V6导通时，电流回路为V1-V2-L2-Grid-L1-V6，此时共模电压ucm为：

(12)

    当开关管V1、V6关断时，经过二极管D3进行续流，电流回路为L1-D3-V2-L2-Grid，此时共模电压ucm为：

(13)

    由式(12)和(13)可知，在一个开关周期内，共模电压ucm都保持为0.5Udc，共模干扰得到了很好的抑制。

从以上的分析可知，全桥逆变单极性调制存在着很大的共模干扰，抑制这种共模干扰最有效的两种方式是改变调制方式与拓扑结构，即改为全桥逆变双极性调制以及六桥逆变单极性调制方式。通过分析得知这两种情形都能很好地抑制共模干扰[6-7]。以下通过实验验证这一思路。

3 共模电流抑制对比测试

3.1 全桥逆变单极性与双极性调制共模电流测试对比

    以一款3 kW非隔离型光伏并网逆变器为实验平台，拓扑结构为全桥逆变，工作在满载(即3 kW)的情况下对共模电流进行测试。测试实验结果如图7所示。

(a)全桥单极性调制共模电流

(b)全桥双极性调制共模电流

图7  全桥逆变共模电流

    由图7(a)可知，全桥逆变器在单极性调制下存在较大的共模电流，大小为102 mA。这是由于在单极性模式下，共模电压随着开关管的高频动作而周期性地改变，使光伏阵列与大地间的寄生电容周期性地充放电而产生了较大的共模电流。

    由图7(b)可知，全桥逆变在双极性调制下的共模电流大小为61 mA。这是因为与单极性调制相比，由于双极性调制的特殊开关形式，使寄生电容两端共模电压恒为定值，从而使共模电流得到很好的抑制。

3.2 H6桥逆变与全桥逆变在单极性调制下共模电流测试对比

以一款5 kW非隔离型光伏并网逆变器为实验平台，拓扑结构为H6桥逆变，为了与全桥逆变拓扑结构形成对比，使其输出功率为3 kW。共模电流测试波形如图8所示。

由图8(b)可知，H6桥单极性调制下共模电流大小为32 mA。这是由于H6桥拓扑借助了逆变电路的开关管关断阻抗高的特性，阻断了寄生电容的放电，从而使共模电流得到了很好的抑制。共模电流测试情况如表1所示。

图8  单极性调制不同拓扑结构共模电流

    由以上数据可知，全桥逆变单极性调制模式的共模电流较大，全桥逆变双极性调制模式和H6桥单极性调制模式下的共模电流都能较好地抑制共模电流，尤以H6桥逆变单极性调制抑制共模电流效果最佳。

本文分析了单相非隔离型光伏并网逆变器共模电流的产生机理，比较了不同调制策略在全桥逆变拓扑结构上共模电流的差异以及同一调制策略在不同拓扑结构上共模电流的差异，通过实验验证了全桥逆变双极性调制以及H6桥逆变单极性调制都能很好地抑制共模干扰。

参考文献

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[3] 邬伟扬，郭小强.无变压器非隔离型光伏并网逆变器漏电

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[5] 苏娜.光伏逆变器地电流分析与抑制[D].杭州：浙江大学，

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     流抑制机理分析及改进[J].电力系统自动化，37(18)：

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[8] 王兆安，刘进军.电力电子技术(第五版)[M].北京：机械

     工业出版社，2009.

(收稿日期：2014-02-18)  

作者简介：

薛家祥，男，1962年生，教授，博士生导师，主要研究方向：光伏新能源，数字化高性能焊接电源。

李丽妮，女，1989年生，硕士，主要研究方向：数字化电源及光伏逆变器。