燕山大學電氣工程學院的研究人員郭忠南、郭小強、李建等,在2017年第18期《電工技術學報》上撰文指出,傳統無變壓器非隔離光伏并網逆變器系統中,通常采用增加交流旁路開關或直流旁路開關的方式解決系統漏電流問題。然而系統中加入旁路開關增加了系統成本,同時需要增加旁路開關的驅動電路,系統電路結構和控制方式復雜。
為了解決該問題,提出一種基于旁路電容的漏電流抑制方案。首先以典型L濾波的光伏逆變器為研究對象,在分析其共模模型的基礎上,提出旁路電容法實現漏電流抑制,并對不同旁路電容對系統共模特性的影響進行分析。
該方案通過引入旁路電容改變系統共?;芈?,有效地濾除共模電壓高頻分量,消除系統寄生電容電壓高頻分量,從而實現漏電流的有效抑制。最后對提出的方案進行仿真和實驗研究,驗證了提出方案的可行性和有效性。
隨著世界能源危機以及環境污染狀況的不斷加劇,光伏發電等清潔可再生能源得到各國政府、學術界以及工業界的廣泛關注。在光伏發電系統中,逆變器起著較為關鍵的作用,其主要負責將光伏板發出的直流電變換成為工頻交流電,進而根據負載或電網需要完成電能變換。
目前光伏逆變器分為兩大類。其中一類是隔離型光伏逆變器,該類逆變器中帶有工頻或高頻變壓器,其主要作用是電壓調節和電氣隔離。然而,工頻或高頻變壓器主要由互感的一個或多個線圈構成,體積大、成本高,且變壓器能量傳輸過程中存在功率損耗,造成逆變器整體轉換效率的降低。因此國內外學者及研發人員提出另一類無變壓器型光伏逆變器方案,以達到減小系統體積、降低成本、提高整機能量轉換效率的目的[4]。
但在無變壓器型光伏發電系統中,電網、逆變器、光伏板及其對地寄生電容之間會形成共?;芈?,回路中系統共模電壓作用于寄生電容,引起漏電流問題,產生電磁干擾、影響輸出電流質量,并威脅設備與人員安全。因此,無變壓器光伏發電系統中漏電流抑制技術成為亟待發展的關鍵技術之一。
針對上述問題,德國VDE 0126 1 1標準要求光伏發電系統中漏電流有效值低于30mA、最大值低于300mA。為了解決無變壓器單相光伏逆變器系統中的漏電流問題,國內外學者和研究機構相繼提出H5逆變器、H6逆變器、Heric逆變器、HB-ZVR逆變器等新型單相拓撲[5,6],此類改進型逆變器結合相應的調制策略可以保證共模電壓恒定,從而消除共?;芈芳钤矗行б种坡╇娏鳌?br />
值得注意的是,上述方案通常采用增加交流旁路開關或直流旁路開關的方式解決系統漏電流問題。然而系統中加入旁路開關增加了系統成本,同時需要增加旁路開關的驅動電路,系統電路結構和控制方式復雜。
針對三相系統中的漏電流抑制問題,一種思路是通過改進空間矢量調制策略或改進載波調制策略的形式實現漏電流抑制。通過合成等效零電壓矢量,避免使用傳統零電壓矢量,從而減小共模電壓幅值波動范圍[7]。該方案主要適用于三相兩電平逆變器,能夠一定程度上減小系統漏電流,但由于系統共模電壓依然存在高頻變化,漏電流未能得到有效抑制。
文獻[8,9]針對中點鉗位(Neutral PointClamped, NPC)三相三電平逆變器分別采用改進空間矢量調制策略和改進載波調制策略的形式,將逆變器限定在共模電壓恒定的六個中矢量和一個零矢量狀態,有效實現漏電流抑制。然而該方案會增加開關管開通關斷次數,造成額外的開關損耗,且只適用于三電平逆變器。
第二類方案通常采用增加交流旁路開關或直流旁路開關的方式解決系統漏電流問題。比如三相直流旁路拓撲和三相交流旁路拓撲[10,11]。值得注意的是,系統中加入旁路開關增加了系統成本,同時需要增加旁路開關的驅動電路,系統電路結構和控制方式復雜。
除上述方案外,文獻[12]提出利用無源濾波器進行漏電流抑制,將輸出濾波電容中點連接到直流側電容中點構成共模回路,有效地解決了漏電流問題。文獻[12]方案中直流側需要兩個獨立的電容,高頻漏電流將經過兩個電容,不僅存在直流側電容中點電位振蕩和均壓問題[13],還對電容的壽命和可靠性帶來負面影響[14]。
為解決上述問題,本文提出一種基于旁路電容的漏電流抑制方案,該方案無需改變系統原有的調制策略和控制結構,不需要加入旁路開關和相應的驅動電路,直流側不需要兩個獨立的電容,不存在電容中點電位振蕩和均壓問題,也不會對電容壽命和可靠性有影響,易于實現。最后對提出的方案進行了實驗驗證。
為了解決該問題,提出一種基于旁路電容的漏電流抑制方案。首先以典型L濾波的光伏逆變器為研究對象,在分析其共模模型的基礎上,提出旁路電容法實現漏電流抑制,并對不同旁路電容對系統共模特性的影響進行分析。
該方案通過引入旁路電容改變系統共?;芈?,有效地濾除共模電壓高頻分量,消除系統寄生電容電壓高頻分量,從而實現漏電流的有效抑制。最后對提出的方案進行仿真和實驗研究,驗證了提出方案的可行性和有效性。
隨著世界能源危機以及環境污染狀況的不斷加劇,光伏發電等清潔可再生能源得到各國政府、學術界以及工業界的廣泛關注。在光伏發電系統中,逆變器起著較為關鍵的作用,其主要負責將光伏板發出的直流電變換成為工頻交流電,進而根據負載或電網需要完成電能變換。
目前光伏逆變器分為兩大類。其中一類是隔離型光伏逆變器,該類逆變器中帶有工頻或高頻變壓器,其主要作用是電壓調節和電氣隔離。然而,工頻或高頻變壓器主要由互感的一個或多個線圈構成,體積大、成本高,且變壓器能量傳輸過程中存在功率損耗,造成逆變器整體轉換效率的降低。因此國內外學者及研發人員提出另一類無變壓器型光伏逆變器方案,以達到減小系統體積、降低成本、提高整機能量轉換效率的目的[4]。
但在無變壓器型光伏發電系統中,電網、逆變器、光伏板及其對地寄生電容之間會形成共?;芈?,回路中系統共模電壓作用于寄生電容,引起漏電流問題,產生電磁干擾、影響輸出電流質量,并威脅設備與人員安全。因此,無變壓器光伏發電系統中漏電流抑制技術成為亟待發展的關鍵技術之一。
針對上述問題,德國VDE 0126 1 1標準要求光伏發電系統中漏電流有效值低于30mA、最大值低于300mA。為了解決無變壓器單相光伏逆變器系統中的漏電流問題,國內外學者和研究機構相繼提出H5逆變器、H6逆變器、Heric逆變器、HB-ZVR逆變器等新型單相拓撲[5,6],此類改進型逆變器結合相應的調制策略可以保證共模電壓恒定,從而消除共?;芈芳钤矗行б种坡╇娏鳌?br />
值得注意的是,上述方案通常采用增加交流旁路開關或直流旁路開關的方式解決系統漏電流問題。然而系統中加入旁路開關增加了系統成本,同時需要增加旁路開關的驅動電路,系統電路結構和控制方式復雜。
針對三相系統中的漏電流抑制問題,一種思路是通過改進空間矢量調制策略或改進載波調制策略的形式實現漏電流抑制。通過合成等效零電壓矢量,避免使用傳統零電壓矢量,從而減小共模電壓幅值波動范圍[7]。該方案主要適用于三相兩電平逆變器,能夠一定程度上減小系統漏電流,但由于系統共模電壓依然存在高頻變化,漏電流未能得到有效抑制。
文獻[8,9]針對中點鉗位(Neutral PointClamped, NPC)三相三電平逆變器分別采用改進空間矢量調制策略和改進載波調制策略的形式,將逆變器限定在共模電壓恒定的六個中矢量和一個零矢量狀態,有效實現漏電流抑制。然而該方案會增加開關管開通關斷次數,造成額外的開關損耗,且只適用于三電平逆變器。
第二類方案通常采用增加交流旁路開關或直流旁路開關的方式解決系統漏電流問題。比如三相直流旁路拓撲和三相交流旁路拓撲[10,11]。值得注意的是,系統中加入旁路開關增加了系統成本,同時需要增加旁路開關的驅動電路,系統電路結構和控制方式復雜。
除上述方案外,文獻[12]提出利用無源濾波器進行漏電流抑制,將輸出濾波電容中點連接到直流側電容中點構成共模回路,有效地解決了漏電流問題。文獻[12]方案中直流側需要兩個獨立的電容,高頻漏電流將經過兩個電容,不僅存在直流側電容中點電位振蕩和均壓問題[13],還對電容的壽命和可靠性帶來負面影響[14]。
為解決上述問題,本文提出一種基于旁路電容的漏電流抑制方案,該方案無需改變系統原有的調制策略和控制結構,不需要加入旁路開關和相應的驅動電路,直流側不需要兩個獨立的電容,不存在電容中點電位振蕩和均壓問題,也不會對電容壽命和可靠性有影響,易于實現。最后對提出的方案進行了實驗驗證。
圖 旁路電容方案及共?;芈纺P?/div>
結論
本文提出基于旁路電容的光伏并網逆變器漏電流抑制方案,完成了理論分析和實驗研究,得出以下結論:系統共模漏電流主要取決于共模電壓及共?;芈纷杩梗门月冯娙菘梢愿淖兿到y回路阻抗,電容值越大,系統共模漏電流越小。
和傳統增加旁路開關的解決方案相比,本文提出的方案無需改變系統原有的調制策略和控制結構,也不需要加入旁路開關和相應的驅動電路,原理簡單、易于實現,具有一定工程應用價值。本文提出的方案應用于LCL型濾波逆變器時存在共模諧振問題,有待進一步深入研究。

結論
本文提出基于旁路電容的光伏并網逆變器漏電流抑制方案,完成了理論分析和實驗研究,得出以下結論:系統共模漏電流主要取決于共模電壓及共?;芈纷杩梗门月冯娙菘梢愿淖兿到y回路阻抗,電容值越大,系統共模漏電流越小。
和傳統增加旁路開關的解決方案相比,本文提出的方案無需改變系統原有的調制策略和控制結構,也不需要加入旁路開關和相應的驅動電路,原理簡單、易于實現,具有一定工程應用價值。本文提出的方案應用于LCL型濾波逆變器時存在共模諧振問題,有待進一步深入研究。

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本文標題: 基于旁路電容的L型濾波光伏并網逆變器漏電流抑制方法
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