新型非隔离型三相三电平光伏并网逆变器及其漏电流抑制研究

前言

燕山大学电气工程学院河北省电力电子节能与传动控制重点实验室的研究人员郭小强、朱铁影，在2018年第1期《电工技术学报》上撰文，在二极管中点钳位型逆变器（NPC）的基础上，提出一种新型非隔离型三相三电平光伏并网逆变器，并对其工作特性和漏电流特性进行研究。

与NPC逆变器相比，新型逆变器的拓扑仅由十二个开关管和两个直流侧母线电容组成，比NPC逆变器少用了六个功率二极管，拓扑结构得到了简化。为抑制其漏电流，在分析共模电压和开关状态关系的基础上，改进了传统两电平载波调制方案，提出一种新型单载波调制方案。分别通过并网仿真、并网实验和感性实验，验证了所提出拓扑的可行性与新型单载波调制策略的有效性。

在光伏并网系统中，光伏逆变器将光伏板产生的直流电转换成交流电，并入电网或者供给负载。根据光伏逆变器中是否含有变压器，可以分为隔离型光伏逆变器和非隔离型光伏逆变器。隔离型光伏逆变器由于变压器的存在，使得整个逆变系统体积大、安装难度大、成本高、系统效率低。

非隔离型光伏逆变器克服了隔离型光伏并网逆变器的上述缺点，但变压器的移除使得非隔离型光伏逆变器的光伏板和电网存在直接的电气连接，产生漏电流问题[1-7]。漏电流的存在增加了光伏系统的损耗，增大了并网电流的谐波含量，产生了严重的电磁干扰，影响其他设备的正常运行，甚至可能威胁人身安全[8,9]。因此，解决非隔离型光伏逆变器的漏电流问题成为了一个研究的热点[10-15]。

在高电压、大功率的场合，非隔离型三相三电平光伏逆变器具有开关应力小，损耗低，输出电压更接近正弦波，谐波含量小等特点。随着电压等级和功率等级的提高，非隔离型三相三电平光伏逆变器在学术界和工业界得到了研究和应用。

目前，三相三电平逆变器典型的拓扑结构主要有中点钳位型（Neutral-Point-Clamped,NPC）三电平逆变器、飞跨电容型（Fly Capacitor, FC）三电平逆变器、级联型三电平逆变器等拓扑结构。

NPC逆变器是提出较早、技术较成熟的三电平逆变器，克服了两电平逆变器在高电压大功率场合的诸多缺点。但是为实现三电平的输出，NPC三电平逆变器使用了较多的功率二极管[16]；FC三电平逆变器使用电容替换了NPC逆变器的六个钳位二极管，简化了三相三电平逆变器，但是FC逆变器的飞跨电容的电压均衡问题制约着这类逆变器的推广[17]；级联型三电平逆变器既无NPC逆变器的钳位二极管，又无FC逆变器的飞跨电容，拓扑结构得到简化，但是级联型三电平逆变器需要多路光伏板[18]。

近年来，有学者相继提出了ANPC逆变器[19]和SI-NPC逆变器[20]。ANPC逆变器解决了NPC型逆变器的开关损耗不均衡分布问题，但增加了开关管数量，增大了逆变器的损耗；SI-NPC逆变器解决了NPC逆变器桥臂直通问题，但是每相使用两个电感，增大了逆变器的体积和损耗。

综上分析，上述非隔离型三相三电平光伏逆变器为实现三电平输出，除开关管和直流侧母线电容外，都需要额外的辅助器件，如功率二极管、电容、电感等。辅助器件的使用会增加逆变器的硬件成本，增大逆变器的体积和损耗，降低系统的功率密度。因此，拓扑结构更简洁、体积更小的新型非隔离型三电平逆变器有待研究。

依据NPC逆变器，提出了一种结构简单的新型非隔离型三相三电平光伏并网逆变器，该逆变器的拓扑结构由十二个开关管和两个直流侧电容组成，不需要额外的辅助器件。

为抑制该逆变器的漏电流，在分析其工作状态和共模模型的基础上总结出共模电压和开关状态的关系，基于传统的两电平载波调制方案，设计了一种新型的单载波调制策略。最后通过并网仿真和带载实验验证了该逆变器的可行性和新型单载波调制策略的有效性。

图1  本文提出的NPSC光伏并网逆变器拓扑

结论

本文提出了一种新型非隔离型中点钳位型三相三电平光伏并网逆变器NPSC，分析了其工作原理和共模模型，设计了有效抑制漏电流的新型单载波调制方案，并分别进行了并网仿真、并网实验和感性实验。

依据其实验结果及其分析，可得出如下结论：①逆变器拓扑由十二个开关管和两个直流母线电容组成，进一步简化了传统三电平逆变器的拓扑结构，节约了硬件成本，减小了逆变器的体积；②在传统IPD和OPD调制方案下，NPSC1逆变器的漏电流不能得到有效抑制，而在新型单载波调制方案下，NPSC逆变器有效抑制了漏电流，具有较好的三电平输出和较小的输出电流谐波含量等特性。

综合以上考虑，本文提出的NPSC逆变器具有一定的应用前景。