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用于抑制漏电流的单相无变压器光伏逆变器的拓扑分析和推导方法
李五华，IEE会员，顾云杰，罗浩泽，崔文峰，何香凝，IEE研究员.夏长亮，IEE高级会员
摘要 单相电压源无变压器逆变器已经有很多年的发展，并且已经成功地在分布式光伏(PV) 并网系统中进行了商业应用。此外,最近几年已经发布了许多先进的工业拓扑和最新的创新。本文的目的是对这些最近的贡献进行分类和回顾，以建立无变压器逆变器的最新技术和趋势。这可以提供对该技术的全面而有见地的概述。首先，研究漏电流的产生机理，将无变压器逆变器分为基于不对称电感器和基于对称电感器的组。然后，提出了基于直流和基于交流的去耦网络的概念，其意义是不仅涵盖了已发布的基于对称电感的对称拓扑，而且还提供了一种创新的策略来推导高级逆变器。此外，探索了基于直流和基于交流的拓扑之间的转换原理，以清晰地了解该领域的最新进展和未来趋势的一般规律和框架。最后, 衍生并测试了一系列钳位高效可靠的逆变器概念无变压器逆变器，为下一代高效经济的光伏并网逆变器提供了一些优秀的候选产品。
索引词--光伏(PV)系统，拓扑推导，无变压器逆变器。
Ⅰ介绍
PHOTOVOLTAIC(PV)源被认为是最有前途的可再生能源之一，因为它清洁、可靠且无排放[1]-[7]。根据欧洲光伏行业协会发布的全球年度光伏市场情景：2012年全球光伏市场约为31吉瓦，超过2008年的四倍。如果光伏市场仍是一项政策，则有望达到84吉瓦驱动业务。
在欧洲，具有分布式光伏系统的住宅部分在整个光伏市场中所占的比例为21%，并且在不久的将来将迅速发展[8]。
并网逆变器是光伏电池板和公用电网之间的重要接口，通常分为电流隔离系统和非隔离系统。通常使用直流侧的高频紧凑型变压器或交流电网侧的线路频率(LF)大型变压器来提供电流隔离并改善安全性。不幸的是，由于变压器和其他辅助部件造成的额外损耗，整体效率下降。如果拆除变压器，则非隔离或无变压器系统的效率可提高1%-2%[9]。此外，通过移除变压器和隔离的传感器[10]-[12],可以提高功率密度并降低成本。此外，为了更好地提高光伏电网系统的竞争力，一些世界领先的制造商宣布了20多年的光伏系统保修[13]。不幸的是，光伏逆变器的平均寿命约为五年[14]。因此，有必要将逆变器更换三到五次以保证所需的保修。这极大地负担了系统投资。从市场统计数据来看，光伏逆变器占计划外维护的37%和相关成本的59%[15]、[16]。如何提高可靠性和灵活性正成为一个大问题。
此外，并网型光伏逆变器应满足电网标准和规范，这些规范涉及网络连接标准，发电系统/网络的构造和系统保护以及系统的运行[17]-[23]。提出了电气规范,例如泄漏电流检测和保护，电网频率监视和保护，有功/无功控制以及电能质量。为了满足不断提高的安全性和系统可靠性要求，宣布了更严格的光伏标准和规范。表一总结了德国法规VDE0126-1-1(发布时间: 2006年2月)和VDE--AR--N4105(发布时间:2011年8月)之间的关键问题。
考虑到无变压器并网系统中光伏面板和公用电网之间的电气连接，应小心处理由光伏寄生电容器产生的泄漏电流。在VDE0126-1-1中，超过300 mA的泄漏电流必须在0.3s内触发中断。不论功率转换级别如何，任何突然的漏电流都应在一定时间内触发中断，如表I所示。
在更新的德国法规VDE -AR-N 4105中可能不可避免地要安装泄漏电流保护装置，该法规应分别符合IEC 60755, VDE0100-410和VDE 0100-721。为了提高电网的稳定性和可靠性，最近发布的VDE-AR-N 4105中介绍了电网频率监视和有功/无功发电，在表I中进行了详细介绍。
通过以上分析，可以从以下三个方面总结无变压器光伏逆变器的关键问题和主要关注点。
1)效率问题:高转换效率是评估光伏系统性能的最重要指标。分布式光伏系统的超高光子整体效率是Steca的StecaGrid 3600 [24]产生的97.7%。即使在宽的光伏工作电压下，Goodwe Power SupplyTechnology的GW4000-SS仍可达到96.9%的光子整体效率[25]。
2)可靠性问题:两次故障之间的平均时间和首次发生故障的平均时间是评估系统可靠性的两个关键参数[26]一[30]。光伏逆变器的最佳可靠性设计不仅可以提高客户满意度和品牌价值，还可以降低维护成本。此外，更新的光伏电网标准和规范要求使用高可靠性的光伏逆变器来支持电网稳定性[21]。
3)成本问题:美国能源部发布的报告显示，住宅光伏系统的安装价格(10千瓦)已从2009年的8美元/瓦降至2013年的4.8美元/瓦[31]。考虑到光伏逆变器要承担初始系统成本的10%至20% [32],光伏逆变器的价格下降无疑可以提高光伏产品的竞争力。
除上述问题外，系统配置或建模，具有最大功率点跟踪(MPPT) 调节的部分阴影、有功/无功功率控制、故障容错等[33]-[36]由于光伏并网系统的重要性也引起了更多关注。为了提供对光伏并网系统的全面理解,作者撰写了有关单相并
图一 典型的单相无变压器VSI配置
网逆变器的拓扑和控制的概述[37]- [43]。调查并比较了两级拓扑，伪直流链路电路和单级转换器，以研究适用于PV交流模块的候选器件[37]。但是，没有很好地探索无变压器光伏系统中存在的泄漏电流。针对无变压器光伏拓扑，提出了一种考虑系统可靠性的最佳设计方法[40]。不幸的是，仅比较和讨论了H5、 H6中性点钳位(NPC)、有源中性点钳位( ANPC)和conergyNPC逆变器。在[1]中分析了单相无变压器光伏并网逆变器的详细比较。但是，没有探讨无变压器逆变器的拓扑生成规律和变换方法。
本文简要分析了单相无变压器光伏逆变器中漏电流的产生机理和抑制原理，并介绍了最新技术的无变压器光伏逆变器的分类、调查和比较，以给出一种有见地的认知。此外，提出了基于直流和基于交流的去耦网络，不仅涵盖了己发布的带有对称电感的无变压器逆变器，而且还建立了一种创新的方式来推导下一代逆变器。此外，揭示了基于直流和基于交流的去耦逆变器之间的拓扑变换原理，以形成系统的整体图。更重要的是，派生并测试了一系列基于钳位的高效可靠的逆变器概念(HERIC) 的逆变器，它们为高效、高性价比的光伏系统提供了一些出色的候选产品。
II.vsi逆变器中的泄漏电流产生
在分布式光伏并网系统中，电压源逆变器(VSI)比电流源逆变器(CSI)更受采用，因为它们具有成本效益高,易于控制且技术成熟的优点[44]-[46]。此外，由于对偶原理，尽管在文献[47]，[48]中提出并分析了一些高级的无变压器CSI，但并未对其进行详细讨论，而本文主要强调了单相无变压器VSI。
典型的单相VSI如图1所示。是PV电压，是PV寄生电容器, P和N为正负端子和.是两种可能的滤波器电感，，和形式电磁干扰(EMI)滤波器，是交流电网电压，是PV寄生电容之间的阻抗
电容器和地。共模电压和差模电压由下式义：
图2 单相无变压器VSI分类
(1)
(2)
其中和是端子1和2到端子N的电压
用定义的共模和差模电压代替，可以得到高频差模和共模电压环路[49]。结论是差模电压可能对泄漏电流的产生有明显的影响。由差模电压转换而来的附加共模电压由下式得出:
（3）
根据(3)，具有非对称滤波电感的差分电压()可能对共模电压有一定贡献，从而导致额外的泄漏电流。可以通过以下公式计算总的高频共模电压
(4)
如果或,则简化为
（5）
（6）
当VSI具有非对称电感器配置(或)时，消除泄漏电流的充分条件是端子电压或保持恒定。
如果,则简化为
(7)
一旦VSI具有对称的电感器配置()，消除泄漏电流的充分条件是高频共模总电压无高频变化。
因此，无变压器的VSI可以分为基于不对称电感器组和基于对称电感器组。总结了最近开发的无变压器逆变器的概述和建议的拓扑结构,并在图2中突出显示了详细的分析和讨论。
Ⅲ.基于非对称电感器的逆变器
在本节中，将对最先进的基于不对祢电感器的无变压器逆变器（或）进行全面概述。审查的拓扑被分为一下几组：双降压逆变器，虚拟直流母线逆变器，LF展开拓扑和Karschny无变压器逆变器。
图3.半桥无变压器逆变器 （a）两级半桥逆变器 （b）三电平NPC逆变器
（c）三电平ANPC逆变器。 （d）三电平T型逆变器
A.半桥无变压器逆变器
假设且端子N直接连接到图1中的端子2,则总高频共模电压为零，无高频泄漏电流。一般而言，传统的两电平半桥逆变器[图3(a)]可以通过简化的配置消除泄漏电流，因为只需要两个电源开关和一个电感器即可[50]。但是直流母线电压应为电网峰值电压的两倍，并且半导体应承受较高的直流母线电压应力。而且，双极逆变器输出电压增加了滤波器的尺寸和成本。
为了提高等效开关频率，减小滤波器尺寸并最小化半导体电压应力，可以使用三电平NPC逆变器[图3(b)],其中使用钳位二极管来实现开关动态电压平衡[51]一[54]。 三电平NPC逆变器的主要缺点之一是內部和外部电源开关之间的传导损耗不平衡。
通过用有源开关代替NPC逆变器中的无源二极管，可以生成ANPC逆变器[55] [在图3(c)中]。由于可控制的夹紧开关，提供了附加的开关模式，并且当前的续流路径变得更加丰富。结果，可以平衡功率损耗的分布，并且由于完全可控的拓扑结构，可以容易地提供无功功率，从而提高了平衡和不平衡电网故障运行中的适应性和灵活性[55],[56]。但是，对于NPC或ANPC逆变器，在任何开关间隔下都有两个导通的开关，这会导致在低压应用中NPC或ANPC的导通损耗相当大(例如)。
为了保持多层次的主要优势拓扑结构并降低低压系统中的传导损耗，可以采用T型逆变器，称为conergy -NPC逆变器或晶体管钳位的in-转换器[57][在图3(d)中]。双向开关插入半桥逆变器的中点和分流电容器之间，以实现类似的钳位功能和在ANPC逆变器中产生三电平电压。T型逆变器中的开关电压应力不同。逆变器上部和下部的两个串联开关应承受高的直流母线电压，而用于产生零电压电平的有源钳位开关仅承受高的直流母线电压的一半。在[58]中对低压应用的两电平半桥，三电平NPC和T型逆变器进行了详细的分析和效率比较。结论是，NPC和T型逆变器的转换效率高于两电平半桥逆变器。而且，由于现代的半导体特性，在-定的开关频率以上，T型拓扑优于NPC电路。
在上述半桥逆变器中，直流母线电压应为电网峰值电压的两倍。不幸的是，PV面板的输出电压相对较低。为了满足高直流母线电压要求，许多光伏面板应串联使用。但是,由于模块不匹配和部分阴影，光伏阵列的输出功率大大降低，尤其是在城市地区[59]-[61]。或应添加高升压升压转换器，这会给前端dc / dc转换器带来负担[61]一[64]。
B.双降压无变压器逆变器
可以集成两个降压转换器模块来实现无变压器逆变器,其中一个降压用于生成正半周电压，另一个降压用于负半周电压。两个降压模块可以串联配置或并联配置。
图4 双降压无变压器逆变器 （a）具有串联配置 （b）具有并行配置
图5 基于虚拟直流总线的无变压器逆变器 （a）虚拟直流母线概念 （b）基于开关电容器的逆变器
对于串联配置，在[65]中引入了分体电感NPC逆变器,如图4(a)所示。开关S1和二极管D1组成上部降压模块。开关S2和二极管D2组成下部降压模块。在正半个LF周期内,开关SL1保持导通状态，而开关S1则以高频工作以产生正半周期电压。下降压模块关闭以断开连接。此外，在负半个LF周期内，高降压模块不工作，只有低降压转换器工作以产生负半周期电压。开关SL1和SL2用线路频率斩波以阻止反向电感器电流。具有串联配置的双降压逆变器的优点在于:避免了半桥逆变器中存在的直通问题，从而提高了系统可靠性。但是，直流母线电压也应该是电网峰值电压的两倍。
为了降低直流链路电压，可以采用并联配置。具有相似配置模式的双降压逆变器在图4(b)中给出[66]。将所需的直流母线电压减半，以减少串联光伏面板的数量并改善系统安全性。在双降压逆变器中，需要两个电感器，并且它们可以交替工作。据报道,滤波电感在成本和功率密度问题中起着重要作用[67]。因此，双降压逆变器的系统成本和功率密度会受到影响。文献[68]提出了一种交错式双降压逆变器，以减小电感器尺寸。耦合电感器用于进一步减小磁芯尺寸。
C.基于虚拟DC总线的无变压器逆变器
为了降低所需的直流链路电压，虚拟直流总线的概念在[69]和[70]中提出，如图5(a)。通过将电网中性线直接连接到光伏面板的负极端子，将共模电压钳位为零。相对于地面N，点B的端电压被斩波为 或零。负输出电压由虚拟直流母线产生,将能量从真实总线传输到虚拟总线。如图5(a)所示，虚拟dc总线的正极端子连接到地面N，这使A点的端子电压切换为或零。通过插入一个LF选择开关，可以得到直流母线电压低的逆变器。虚拟直流总线可以通过图5(b)所示的开关电容器技术[69]实现。它由五个绝缘
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