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单相无变压器光伏逆变器漏电流抑制的拓扑综述及推导方法
摘要
单相电压源无变压器逆变器在分布式光伏并网系统中已有多年的发展和成功的商业应用。此外，许多先进的工业拓扑和最近的创新已经在最近几年出版。本文的目的是分类和回顾这些最近的贡献，以建立目前的艺术状态和无变压器逆变器的趋势。这可以为这项技术提供全面而深刻的概述。首先研究了漏电流的产生机理，将无变压器逆变器分为不对称电感组和对称电感组。然后，提出了基于dc的解耦网络和基于ac的解耦网络的概念，不仅涵盖了已发表的基于对称电感的拓扑结构，而且提供了一种创新的策略来获得先进的逆变器。此外，本文还探讨了基于dc和基于ac拓扑之间的转换原理，以明确该领域最新进展和未来趋势的一般规律和框架。最后，本文提出了一种夹持式高效、可靠的无变压器逆变器概念，并对其进行了测试，为下一代高效、经济的光伏并网逆变器提供了良好的选择。
发表于:IEEE工业电子学报(卷:62期，2015年7月7日)
第一部分
介绍：
光伏(PV)源因其清洁、可靠、无排放的[1]-[2][3][4][5][6][7]而被认为是最有前途的可再生能源之一。根据欧洲光伏产业协会发布的全球光伏市场年度情景，2012年全球光伏市场规模约为3100万千瓦，是2008年的4倍多。如果光伏市场仍然是政策驱动的业务，预计将达到8400万千瓦。在欧洲，拥有分布式光伏系统的住宅市场份额占整个光伏市场的21%，在不久的将来[8]将快速发展。
并网逆变器是光伏板与电网之间的重要接口，一般分为电隔离系统和非隔离系统。通常采用直流侧高频紧凑型变压器或交流侧线频(LF)大体积变压器来提供电流隔离，提高安全性。不幸的是，由于变压器等辅助部件的额外损耗，整个效率下降。如果去掉变压器，非隔离或无变压器系统的效率可提高1%-2%。通过去除变压器和隔离传感器[10]-[11][12]，提高了功率密度，降低了成本。此外，为了更好地提升光伏电网系统的竞争力，一些世界领先的制造商宣布对光伏系统[13]的保修超过20年。不幸的是，PV逆变器的平均寿命大约为5年。因此，更换逆变器三到五次以上是必要的，以保证所需的保修。它极大地加重了系统投资的负担。根据市场统计，PV逆变器占计划外维护费用的37%，占相关费用的59%[15]，[16]。如何提高可靠性和灵活性已成为人们关注的一大问题。
此外，并网光伏逆变器应满足电网标准和规范，其中涉及网络连接标准、发电系统/网络建设和系统保护，以及系统[17]-[18][19][20][21][22][23]的运行。介绍了漏电电流检测与保护、电网频率监测与保护、有功/无功控制、电能质量等电气规范。更严格的光伏标准和规范，以满足加速安全和系统可靠性的要求。表一总结了德国代码VDE 0126-1-1(发布时间:2006年2月)和VDE- ar - n 4105(发布时间:2011年8月)在关键问题上的一些比较。
表1德国VDE代码比较
考虑到无变压器并网系统中光伏板与电网之间的电气连接，光伏寄生电容产生的泄漏电流应谨慎处理。在VDE 0126-1-1中，超过300ma的泄漏电流必须在0.3 s内触发断路。电力转换水平,无论任何突然泄漏电流应触发休息在一个特定的时间列在表i漏电保护装置的使用可能是不可避免的在德国更新代码VDE-AR-N 4105,应该按照IEC 60755,VDE 0100 - 410,分别和VDE 0100 - 721。为了提高电网的稳定性和可靠性，最近发表的VDE-AR-N 4105对电网的频率监测和有功/无功发电进行了研究，详细介绍如表1所示。
通过以上分析，无变压器光伏逆变器存在的主要问题和主要关注可以归纳为以下三个方面：
1.效率问题:高转换效率是评价光伏系统性能的最重要指标。分布式光伏系统的超高光子总效率是由Steca的StecaGrid 3600[24]生产的97.7%。即使有较宽的PV工作电压，Goodwe供电技术的GW4000-SS[25]的光子总效率也达到了96.9%。
2.可靠性问题:平均故障间隔时间和平均首次故障间隔时间是评价系统可靠性的两个关键参数[26]-[27][28][29][30]。对光伏逆变器进行最优可靠性设计，不仅可以提高客户满意度和品牌价值，而且可以降低维护成本。此外，更新后的光伏电网标准和规范要求高可靠性光伏逆变器支持电网稳定[21]。
3.成本问题:美国能源部发布的这份报告展示住宅光伏系统的安装价格(le;10 kW)拒绝了从8美元/ W / W到2009年的4.8美元在2013年[31]。考虑到光伏逆变器占初始系统成本[32]的10%-20%，光伏逆变器价格的下降无疑可以提升光伏产品的竞争力。
除上述问题外，系统的配置和/或建模、最大功率点跟踪(MPPT)调节的部分遮阳、有功/无功控制、容错等问题也因光伏并网系统的重要性而备受关注。为了对光伏并网系统有一个全面的了解，我们撰写了《单相并网逆变器的拓扑和控制概述》([37]-[38][39][40][41][42][43])。对两级拓扑结构、伪直流链路和单级变换器进行了研究，并与之进行了比较，以确定适用于光伏交流模块[37]的合适方案。然而，对无变压器光伏系统中存在的泄漏电流的研究还不够深入。提出了一种考虑系统可靠性的无变压器光伏拓扑优化设计方法。遗憾的是，只有H5、H6、中性点箝位(NPC)、主动中性点箝位(ANPC)和conergy-NPC逆变器进行了比较和讨论。在[1]中对单相无变压器光伏并网逆变器进行了详细的对比分析。然而，对于无变压器逆变器的拓扑生成规律和转换方法还没有进行研究。
本文简要分析了单相无变压器光伏逆变器漏电电流的产生机理和抑制原理，并对目前国内外无变压器光伏逆变器漏电电流的分类、概况和比较进行了阐述，以期对其有一个深刻的认识。提出了基于dc的解耦网络和基于ac的解耦网络，不仅覆盖了已有的对称电感无变压器逆变器，而且为下一代逆变器的推导建立了一种创新的方法。此外，还揭示了基于dc和基于ac的解耦逆变器之间的拓扑变换原理，形成了一幅系统的幺正图。更重要的是，基于HERIC (HERIC)的钳位式高效可靠逆变器概念得到了验证，为高效、经济的光伏系统提供了一些优秀的备选方案。
第二部分
VSI逆变器泄漏电流的产生
在分布式光伏并网系统中，电压源逆变器(VSIs)因其性价比高、控制简单、技术成熟等优点，比电流源逆变器(CSIs)得到了更广泛的应用。此外，由于对偶原理，虽然在[47]、[48]等文献中提出并分析了一些先进的无变压器电解加工技术，但并没有对其进行详细的讨论，本文主要强调了单相无变压器电解加工技术。
图1所示：典型的单相无变压器VSI配置。
图2所示：单相无变压器VSI分类。
典型的单相逆变器是图1中所示,其中VPV是PV电压,CPVg PV寄生电容,P和N是积极的和消极的终端,L1和L2是两个可能的滤波电感,Lcm,清洁发展机制,和Ccm电磁干扰(EMI)滤波器,vg的交流电网电压,ZGcGd PV寄生电容和地面之间的阻抗。共模电压vcm和微分模电压vdm由下式定义：
其中v1N、v2N为端子1、2对端子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回路[49]。结果表明，电压差模可对漏电流的产生产生明显的影响。额外的共模电压vdminus;minus;c,从差模电压,通过下式派生而来：
由(3)知、不对称的差动电压滤波电感(L1ne;L2)可能有一些贡献共模电压,导致额外的泄漏电流。高频共模电压vtcm的计算方法为
若L1=0或L2=0，则vtcm简化为
在不对称电感配置下(L1=0或L2=0)，消除泄漏电流的充分条件是端电压v1N或v2N保持恒定。
如果L1=L2，则vtcm简化为
当VSIs具有对称电感配置(L1=L2)时，消除漏电流的充分条件是总高频共模电压vcm无高频变化。
因此，无变压器电压互感器可分为不对称电感组和对称电感组。最近开发的无变压器逆变器和提出的拓扑的概述如图2所示。详细的分析和讨论将在下面几节中讨论。
图3所示：网格状的无变压器的逆变器。(a)两电平半桥逆变器。(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。
第三部分
不对称Inductor-Based逆变器
在本节中，我们将对最先进的基于非对称电感的无变压器逆变器(L1=0或L2=0)进行全面的介绍和讨论。这些拓扑可以分为以下几个子组:半桥逆变器、双buck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。
半桥式无变压器逆变器
假设图1中L2=0，终端N直接连接到终端2，总高频共模电压为零，不存在高频泄漏电流。一般来说，传统的两电平半桥逆变器[图3(a)]由于只需要两个电源开关和一个电感器，所以可以简化配置消除泄漏电流[图3(a)]。然而，直流链路电压应该是电网峰值电压的两倍，半导体应该承受高的直流链路电压应力。此外，双极逆变器的输出电压增加了滤波器的尺寸和成本。
为了增加等效开关频率，减小滤波器尺寸，减小半导体电压应力，可以采用三电平NPC逆变器[图3(b)]，利用箝位二极管实现开关动态电压平衡[51]-[52][53][54]。三电平NPC逆变器的主要缺点之一是内、外电源开关间的不平衡导通损耗。
将NPC逆变器中的无源二极管替换为有源开关，产生ANPC逆变器[55][图3(c)]。由于夹持开关可控，提供了额外的开关模式，使得当前的自由旋转路径更加丰富。其拓扑结构完全可控，可以很容易地提供无功功率，提高了平衡和不平衡电网故障运行[55]、[56]的适应性和灵活性。然而，对于NPC或ANPC逆变器，在任何开关间隔都有两个开关在通电，这在低压应用(如Vbus=650 V)中造成了相当大的通电损耗。
为了保持多电平拓扑的主要优点，降低低压系统的导通损耗，可以采用t型逆变器，也称为conergy-NPC逆变器或过渡箝位逆变器[57][图3(d)]。在半桥逆变器的中点与分路电容之间插入双向开关，实现ANPC逆变器类似的箝位功能和三级电压产生。t型逆变器的开关电压应力不同。逆变器上下两个串联开关均应承受高直流链路电压，用于产生零电压电平的有源箝位开关仅承受高直流链路电压的一半。在[58]中对两电平半桥、三电平鼻咽癌和t型逆变器的低压应用进行了详细的分析和效率比较。结果表明，NPC逆变器和t型逆变器比两级半桥逆变器具有更高的转换效率。此外，在一定的开关频率以上，由于半导体的现代特性，t型拓扑结构优于NPC电路。图4所示：Dual-buck无变压器的逆变器。(a)串联配置。(b)并行配置。
图5所示：基于虚拟直流母线的无变压器逆变器。(a)虚拟直流母线概念。(b)Switched-capacitor-based逆变器。
在上述半桥逆变器中，直流链路电压应为电网峰值电压的两倍。不幸的是，光伏板的输出电压相对较低。为了满足高直流链路电压的要求，许多光伏板应该是串联的。然而，由于模块不匹配和部分遮阳，光伏阵列的发电量大大降低，尤其是在城市区域[59]-[60][61]。或增加高阶升压变流器，加重前端dc/dc变流器的负担[61]-[62][63][64]。
双buck无变压器逆变器
集成两个buck变换器模块，实现无变压器逆变器，其中一个buck产生正半周电压，另一个buck产生负半周电压。这两个buck模块可以是串联配置，也可以是并行配置。
采用串联方式，[65]中引入了分裂电感NPC逆变器，如图4(a)所示。开关S1和二极管D1构成上降压模块。开关S2和二极管D2组成降压模块。在正向半周LF周期内，开关SL1保持接通状态，开关S1高频工作，产生正向半周电压。较低的buck模块被关闭以断开连接。另外，在负半周LF周期内，上降压模块不工作，只有下降压转换器工作，产生负半周电压。开关SL1和SL2切断与线路频率阻断反向电感电流。串联型双buck逆变器的优点是避免了半桥逆变器存在的射穿问题，提高了系统的可靠性。然而，直流链路的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，可以采用并联方式。并联配置的双buck逆变器如图4(b)所示，工作方式类似[66]。所需的直流链路电压减半，以减少串联光伏板的数量，并改善系统安全问题。在双降压逆变器中，需要两个电感，它们是交替操作的。据报道，滤波器电感在成本和功率密度问题中起着重要作用[67]。从而影响了双降压逆变器的系统成本和功率密度。为了减小电感器的尺寸，文献[68]提出了交错双buck逆变器。采用耦合电感进一步减小磁芯尺寸。
基于虚拟直流母线的无变压器逆变器
为了降低所需的直流链路电压，[69]和[70]中提出了虚拟直流母线的概念，如图5(a)所示。通过将电网中性线直接连接到光伏板的负端，将共模电压箝位到零。对于地N，将B点的端电压斩波为 Vbus或0。负输出电压由虚拟直流母线产生，将能量从真实母线传输到虚拟母线。绘制在图5(一个),正极的虚拟直流总线连接到地面N,这使得终端电压点转向是minus;通风装置或零。通过插入LF选择开关，推导出一种低直流链路电压的逆变器。图6所示：LF展开无变压器逆变器。(a) LF展开逆变器示意图。(b) Buck展开逆变器。(c)三级buck类型。(d)逆buck-boost类型。(e)非逆buck-boost类型。(f)双阶段的类型。
虚拟直流母线可以通过开关电容技术实现[69]，如图5(b)所示。它由五个绝缘栅双极晶体管(igbt)S1sim;S5和只有一个滤波器电感L1。真实的直流母线由光伏板和电容C1组成，虚拟的直流母线由开关电容C2实现，通过开关S1和S5充电保持直流电压
资料编号：[5768]
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