CN102857084A

CN102857084A - 一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路及方法

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Publication number: CN102857084A
Application number: CN2012103718753A
Authority: CN
Inventors: 张颖
Original assignee: BEIJING JINGYI RENEWABLE ENERGY ENGINEERING CO LTD
Current assignee: BEIJING JINGYI RENEWABLE ENERGY ENGINEERING CO LTD
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明涉及一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路及方法，包括直流源，5个开关器件和4个二极管，直流源并联连接滤波电容C1，二极管D2的阳极与直流源的正极之间串联有电感L1，二极管D1与直流源负极之间串联连接电容C2。本发明的有益效果为：本发明提供的一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路及方法，共模电流对并网电流的影响较小，并网电流的THD（总谐波失真）保持3%以下。

Description

一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路及方法

技术领域

本发明涉及一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路及方法。

背景技术

非隔离的光伏逆变器由于其效率高、重量轻、体积小的优势，非常适用于小功率户型逆变器系统，但是由于省略了隔离元件，系统中可能出现较大的对地漏电流，不仅对系统的正常工作造成不利影响，更有可能对人体形成伤害，所以如何解决漏电流严重的问题是非隔离逆变器研究的热点和难点。

漏电流产生是由于平板结构的光伏电池与外壳间较大的分布电容导致的，分布电容的大小与光伏电池的生产工艺、功率等级、尺寸大小以及外部环境有关，尤其是在雨后潮湿的情况下，此时光伏系统已经正常工作，电池板表面附着的导电水膜将进一步增大电容值。一般而言，晶体硅光伏电池的寄生电容在50-150nF/kWp之间，薄膜光伏电池则可达1uF/kWp，当然，薄膜光伏电池在使用时一般要求阴极接地使用。

传统全桥逆变电路只有在应用双极性调制时才能使共模漏电流满足要求，使用单极性或单极性倍频调制方式都会产生严重的共模漏电流问题，无法正常工作。但是在电路中应用双极性调制，无论是在损耗特性，还是电流谐波特性上都远不如单极性调制方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路及方法，克服现有产品中使用单极性或单极性倍频调制方式都会产生严重的共模漏电流问题，无法正常工作的不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路，包括直流源，5个开关器件和4个二极管，其中，直流源并联连接滤波电容C1，二极管D2的阳极与直流源的正极之间串联有电感L1，二极管D1与直流源负极之间串联连接电容C2；二极管D1的阳极连接直流源的正极，二极管D1的阴极连接开关器件S3的漏极，二极管D2的阴极连接二极管D1的阴极，二极管D2的阳极连接开关器件S5的漏极，开关器件S5的源极连接直流源的负极；开关器件S1的漏极连接二极管D1的阴极，开关器件S1的源极与开关器件S2的漏极连接于节点a，开关器件S2的源极连接直流源的负极；开关器件S3的漏极连接二极管D1的阴极，开关器件S3的源极与开关器件S4的漏极连接节点b，开关器件S4的源极连接直流源的负极；节点a连接电感L_dma，电感L_dma的串联连接电感L_cma，电感L_cma连接并网，节点b连接电感L_dmb，电感L_dmb的串联连接电感L_cmb，电感L_cmb连接并网，电感L_dma和电感L_dmb为差模电感M_dm，电感L_cma和电感L_cmb为共模电感M_cm。

进一步的，所述开关器件S1由晶体管和二极管D3反并联组成，开关器件S3由晶体管和二极管D4反并联组成，开关器件S1晶体管的集电极连接二极管D3的阴极，开关器件S1晶体管的发射极连接二极管D3的阳极，开关器件S3晶体管的集电极连接二极管D4的阴极，开关器件S3晶体管的发射极连接二极管D4的阳极。

进一步的，所述直流源的负极连接电阻R_ab，电阻R_ab分别连接电容C_a和电容C_b，电容C_a与电容C_b并联，电容C_a连接电感L_cma，电容C_b连接电感L_cmb。

一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流方法，包括以下步骤：

1）电感L1与开关器件S5构成升压电路，把直流源输入的电压变换到目标直流母线电压，为后面的逆变提供稳定的电压；

2）若直流源的电压大于目标母线电压，则关掉升压电路；

3）开关器件S1、开关器件S2、开关器件S3和开关器件S4构成全桥逆变，全桥逆变通过单极性调制；

4）逆变输出先经过一个差模电感M_dm，差模电感M_dm的输出连接一个共模电感M_cm，该共模电感M_cm与电容C_a、电容C_b和电阻R_ab组合。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路及方法，共模电流对并网电流的影响较小，并网电流的THD（总谐波失真）保持3%以下。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是共模回路原理图；

图2是共模谐振电路简化模型；

图3是单极性调制下共模电压的基波分析；

图4是单极性调制下共模电压的高频谐波分析；

图5是共模电流抑制电路图；

图6是共模回路等效模型图；

图7是本发明实施例所述的一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路的电路图。

具体实施方式

如图1所示为共模电路原理图，其中，C_pvg为光伏电池组件与地接点之间的杂散电容，与电池板安装方式、气候条件有关，由于其远大于其他杂散元件，对漏电流起主要作用；C_ag、C_bg为桥臂中点与接地点之间的电容，主要表现为模块与散热器之间的安装方式；R_a、R_b为滤波电感的等效串联阻抗，在几毫欧到几十毫欧之间；R_cg为系统接地点与实际大地间的连接阻抗，一般为1Ω~10Ω。

谐振模型可进一步简化如图2所示，其中，R为所有线路阻抗和接地阻抗的综合，Cp为电池板对地分布电容。首先对模型中的共模电源进行分析，单极性调制方式下，对共模电压进行FFT（快速傅里叶变换）分析，如图3所示，由于共模电压的正负半周对称，所以基波为100Hz，并含有很大的直流成分；如图4所示，高频分析显示，共模电压主要成分集中在开关频率次的整数倍及其附近，其他频率下的成分很小。

对谐振模型进行频域分析，电路的传递函数和谐振频率如式（1）、（2）所示：

Figure 2012103718753100002DEST_PATH_IMAGE001

(1)

(2)

当参数变化时，影响共模漏电流大小的因素主要有直流电压、开关频率、分布电容、滤波电感、回路电阻，其中直流电压一般集中在350V~400V之间，变化范围不大，对共模电流的大小不起决定作用。而对于其它几个方面有如下情况：

1) 共模电压的频率越接近电路的谐振点时，所激发的共模电流越大，此时共模回路的阻抗表现为回路电阻；

2) 分布电容和滤波电感共同决定线路的谐振频率，谐振频率随二者的增大而减小，其中分布电容决定低频段的线路增益，分布电容越小，低频段对共模电流的抑制能力越强；滤波电感决定高频段的线路增益，滤波电感越大，高频段对共模电流的抑制能力越强；

3) 开关频率决定共模电压的频谱分布，在开关频率的整数倍及其附近具有较大的共模电压分量，共模电流最严重的情况是当线路谐振频率正好与开关频率整数倍点重合；

4) 回路电阻对谐振电流具有明显的抑制作用，回路电阻越大，谐振点激发的共模电流越小，但是受并网系统对线路阻抗及接地电阻的要求，为减小损耗和安全接地考虑，回路电阻一般较小，光伏并网系统标准规定光伏阵列接地电阻不大于10Ω。

因此，要使线路中的共模漏电流尽量小，需要让线路的谐振点频率尽量远离开关频率整数倍次，并加强共模电流的抑制能力。其中，开关频率一般根据线路的功率回路特性选择，且集中在数kHz附近，如系统设计为16kHz。同时，线路的对地寄生电容并不固定，电容值分布在10nF/kWp~150nF/kWp，若不加以控制，系统的谐振频率一般集中在10kHz到100kHz之间，而这个频率范围包含着开关频率的低10次倍数，也即共模电压分布最大的频率段，随着对地寄生电容的变化，系统的谐振频率总会与开关频率的低次倍次重合，此时将激发很大的共模电流。若设定仿真参数为：L=1.5mH，Cp=64nF，fr =16.24kHz，此时，对地漏电流峰值将达到10A，且主要部分集中在谐振频率点处。

为了限制谐振频率的变化范围，我们只有在共模回路中主动的加入电容使其与电池板对地分布电容并联，且前者的容值要远大于后者，以减小分布电容对谐振频率的影响，显然这个方案是可行的，而这时，共模回路中的电流必将大部分转移到所加入的大电容上，需要在并联支路中加入限流电阻，以抑制谐振峰值的电流。同时，为增大共模回路高频段的抑制能力，单靠并网差模滤波电感是远远不够的，在并网侧加入共模电感可以解决这个问题。

如图5所示，由于并网滤波差模电感体积一般需要较大，且根据前面理论分析，需要对称设置两个桥臂输出侧的电感，为了节省体积和重量，将两个桥臂输出线的电感设计为共绕于一个磁芯的差模电感，假设差模电感的两个线圈完全耦合，即L_dma=L_dmb=M_dm，则此时差模电感对共模电流将不起抑制作用，所以不出现在共模回路等效模型中，它的值根据并网电流的纹波设计。

为了增大高频段对共模电流的抑制能力，在并网侧加入共模电感，同样假设两个线圈完全耦合，即L_cma=L_cmb=M_cm=L，在共模回路等效模型中将表现为感值为L的电感L_cm。在并网侧L、N线上分别对直流负极接入电容C_L、C_N 以及限流电阻R_cm，此时共模回路等效模型如图6所示，其中，C_cm=C_L+C_N。模型中依然忽略电网工频电网对共模电流的影响。注意电路中的限流电阻一般阻值较小，在1Ω~10Ω之间，所以共模回路的谐振频率分析可以忽略电阻的影响。

对图6所示等效模型进行分析，其中C_pvg与电池板阵列容量及气候环境有关，以5kW系统容量为例，电容数值大致在50nF~500nF之间，要使分布电容对谐振频率点不产生较大的影响，所并联的电容应至少大于10uF，同时，这里的电容不能过大，否则将影响低频段的抑制能力，使低频段的共模电流过大，所以本系统内设计C_L=C_N =6.3 uF，即C_cm=12.6uF。

共模电压的交流主要成分为100Hz基波及开关频率（16kHz）整数倍次的谐波，理想的谐振点频率应越低越好，这样才能发挥电感对高频谐波的抑制能力，但是受实际电感设计对于磁芯饱和磁通、体积等的限制，电感不可能设计的太大，所以实际设计中使谐振频率在100Hz至1kHz之间较为合理，设计L_cma=L_cmb=M_cm=4mH，不考虑分布电容支路对谐振频率的影响，此时谐振点频率：

(3)

因为加入了限流电阻以及并联了分布电容的缘故，以上的计算公式其实并不严格准确，只能大致反映谐振点频率所在的范围。

基于以上的参数设计对共模回路列写传递方程进行频域分析，忽略较小的R_cg，

(4)

Figure 2012103718753100002DEST_PATH_IMAGE005

(5)

电路设计的目标是使icm和icm2都尽量小，即保持对共模电压最大的衰减能力，当C_pvg在50nF~500nF之间变化时，分布电容的变化对总共模电流icm2几乎不产生影响，在50nF~500nF间变化时谐振点频率没有明显偏移；分布电容的变化对地回路的共模电流icm产生影响，低频率段谐波抑制能力有一定削弱，当分布电容增大时对地电流将增大。

分别对于电容为50nF和500nF电容值的电流波形及FFT，当分布电容达到最大500nF时对应运行最恶劣的情况，此时对地共模电流峰值为100mA，有效值小于30mA，满足标准要求。在正常50nF运行条件下，共模电流峰值仅为10mA，基本可以忽略。共模吸收回路的电流峰值可达2A，谐波含量同样集中在100Hz，700Hz，16kHz三处，且谐振频率处的电流含量较大，这主要受共模限流电阻的影响，若增大限流电阻的阻值，则吸收回路的电流峰值可减小，但是对地回路的共模电流相应地增加，所以电阻的选值需要平衡两条支路的电流，既要使吸收回路的共模电流尽量小，以减小在电阻上的功率损耗，同时也要考虑对地回路共模电流的影响。

按照此方法搭建的逆变器的拓扑结构如图7所示：

本发明实施例所述的一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路，包括直流源，5个开关器件和4个二极管，其中：直流源并联连接滤波电容C1，二极管D2的阳极与直流源的正极之间串联有电感L1，二极管D1与直流源负极之间串联连接电容C2；二极管D1的阳极连接直流源的正极，二极管D1的阴极连接开关器件S3的漏极，二极管D2的阴极连接二极管D1的阴极，二极管D2的阳极连接开关器件S5的漏极，开关器件S5的源极连接直流源的负极；开关器件S1的漏极连接二极管D1的阴极，开关器件S1的源极与开关器件S2的漏极连接于节点a，开关器件S2的源极连接直流源的负极；开关器件S3的漏极连接二极管D1的阴极，开关器件S3的源极与开关器件S4的漏极连接节点b，开关器件S4的源极连接直流源的负极；节点a连接电感L_dma，电感L_dma的串联连接电感L_cma，电感L_cma连接并网，节点b连接电感L_dmb，电感L_dmb的串联连接电感L_cmb，电感L_cmb连接并网，电感L_dma与电感L_dmb为差模电感M_dm，电感L_cma与电感L_cmb为共模电感M_cm。

所述开关器件S1由晶体管和二极管D3反并联组成，开关器件S3由晶体管和二极管D4反并联组成，开关器件S1晶体管的集电极连接二极管D3的阴极，开关器件S1晶体管的发射极连接二极管D3的阳极，开关器件S3晶体管的集电极连接二极管D4的阴极，开关器件S3晶体管的发射极连接二极管D4的阳极。

所述直流源的负极连接电阻R_ab，电阻R_ab分别连接第三电容C_a和第四电容C_b，第三电容C_a与第四电容C_b并联，第三电容C_a连接第三电感L_cma，第四电容C_b连接第五电感L_cmb。

本发明实施例所述的抑制非隔离型逆变器共模漏电流方法，包括以下步骤：

2）若直流源的电压大于目标母线电压，则关掉升压电路，则电流从二极管D1流过，降低了升压电路的损耗，从而提高了系统的转换效率；

3）开关器件S1、开关器件S2、开关器件S3和开关器件S4构成全桥逆变，全桥逆变通过单极性调制，可以提高系统的转换效率，同时可以降低并网电流的谐波；

4）逆变输出先经过一个差模电感M_dm，差模电感可以把全桥输出的方波虑成完美的正弦波，采用差模电感代替两个单独的电感减小了电感的感值，同时提高了效率；差模电感M_dm的输出连接一个共模电感M_cm，该共模电感M_cm与电容C_a、电容C_b和电阻R_ab组合，可以很好的抑制由于采用单极性调制方法而带来的共模漏电流。

直流源并联一个电容C1，对输入的电源起到滤波作用。电容C2容值比较大，由于逆变所需的能量较大，较大的容值会降低母线的电压脉动。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路，其包括直流源、5个开关器件和4个二极管，其特征在于：所述直流源并联连接滤波电容（C1），二极管（D2）的阳极与直流源的正极之间串联有电感（L1），二极管（D1）与直流源负极之间串联连接电容（C2）；二极管（D1）的阳极连接直流源的正极，二极管（D1）的阴极连接开关器件（S3）的漏极，二极管（D2）的阴极连接二极管（D1）的阴极，二极管（D2）的阳极连接开关器件（S5）的漏极，开关器件（S5）的源极连接直流源的负极；开关器件（S1）的漏极连接二极管（D1）的阴极，开关器件（S1）的源极与开关器件（S2）的漏极连接于节点（a），开关器件（S2）的源极连接直流源的负极；开关器件（S3）的漏极连接二极管（D1）的阴极，开关器件（S3）的源极与开关器件（S4）的漏极连接节点（b），开关器件（S4）的源极连接直流源的负极；节点（a）连接电感（L_dma），电感（L_dma）串联连接电感（L_cma），电感（L_cma）连接并网；节点（b）连接电感（L_dmb），电感（L_dmb）串联连接电感（L_cmb），电感（L_cmb）连接并网，电感（L_dma）和电感（L_dmb）为差模电感（M_dm），电感（L_cma）和电感（L_cmb）为共模电感（M_cm）。

2.根据权利要求1所述的抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路，其特征在于：所述开关器件（S1）由晶体管和二极管（D3）反并联组成，开关器件（S3）由晶体管和二极管（D4）反并联组成，开关器件（S1）的晶体管的集电极连接二极管（D3）的阴极，开关器件（S1）的晶体管的发射极连接二极管（D3）的阳极，开关器件（S3）的晶体管的集电极连接二极管（D4）的阴极，开关器件（S3）的晶体管的发射极连接二极管（D4）的阳极。

3.根据权利要求1所述的抑制非隔离型逆变器共模漏电流电路，其特征在于：所述直流源的负极连接电阻（R_ab），电阻（R_ab）分别连接电容（C_a）和电容（C_b），电容（C_a）与电容（C_b）并联，电容（C_a）连接电感（L_cma），电容（C_b）连接电感（L_cmb）。

4.一种抑制非隔离型逆变器共模漏电流方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）电感（L1）与开关器件（S5）构成升压电路，把直流源输入的电压变换到目标直流母线电压，为后面的逆变提供稳定的电压；

2）若直流源的电压大于目标母线电压，则关掉升压电路；

3）开关器件（S1）、开关器件（S2）、开关器件（S3）和开关器件（S4）构成全桥逆变，全桥逆变通过单极性调制；以及

4）逆变输出先经过一个差模电感（M_dm），差模电感（M_dm）的输出连接一个共模电感（M_cm）该共模电感（M_cm）与电容（C_a）、电容（C_b）和电阻（R_ab）组合。