三相无变压器光伏逆变器拓扑结构的评估
摘要：本文分析和比较了三种无变压器光伏逆变器拓扑结构，用于三相rdw322d电网连接，主要关注由于缺少电流隔离而导致的安全问题。 采用共模模型，有效频率低于50 kHz，用于研究漏电流路径。 该模型通过模拟和实验结果进行验证。这些将用于比较选定的拓扑结构，并解释系统不平衡和中性导体电感对漏电流的影响。将证明后者具有至关重要的影响力。最后，根据所采用的调制，中性点与其电感的连接，不平衡条件的影响，元件额定值，输出电压电平和滤波器尺寸，对所选择的拓扑结构进行了比较。
关键词：逆变器 漏电流 脉冲宽度调制（PWM）逆变器
Ⅰ 简介
并网光伏系统在分布式发电中具有重要作用。随着在政府激励措施的帮助下，它们的使用在社区内变得越来越普遍。根据最新的国际能源署光伏发电系统报告，国家累计装机容量的年增长率在2006年为36％，略低于前一年,大约是42％。德国仍然是并网光伏市场的领导者，2006年的装机容量超过950 kWp，略高于上一年（860 kWp）。 这些装置中的大多数是屋顶系统，因为“可再生能源市场法案”的高回购率确定了上网电价。新光伏装置的情况下为0.518欧元/千瓦时，该速率可保证20年。
大多数单相安装都是小型PV系统，最高可达5-6 kWp。单相系统意味着输出端有一个脉动交流电源，而输入端是一个平滑的直流电源。需要大直流电容器，这会降低整个系统的寿命和可靠性。另一方面，在三相系统中，输出端具有恒定的交流电源，这意味着不需要大电容器，从而导致成本更低，并且整个系统的可靠性和寿命更高。此外，这些系统的功率输出可以更高，在屋顶应用的情况下可达到10-15 kWp。
出于安全原因，大多数光伏系统都采用电流隔离，无论是在高频变压器形式的DC-DC升压转换器中，还是在交流输出侧，都是笨重的低频变压器。这两种增加的电流隔离都增加了整个系统的成本和尺寸，并降低了整体效率。
在省略隔离变压器的情况下，可以实现更高的效率，更小的尺寸，更低的重量以及逆变器价格。这些无变压器解决方案具有上述所有优点，但是太阳能电池板寄生电容对地造成了一些安全问题，这些电容是在光伏阵列端子和通常接地的框架之间形成的。 图1显示了一个典型的并网光伏系统，其具有模拟的寄生电容。如所述，在光伏阵列的直流 和直流端子处出现灰色线条标记的Ttt-PV（Ctt-PV）。德国标准VDE0126-1-1涉及并网光伏系统，并提出了有关接地泄漏和故障电流限制的要求。
图1. 含有光伏阵列的接地寄生电容的并网光伏系统
本文的目的是针对漏电流问题对三相无变压器转换器进行全面分析。比较了三种拓扑结构：三相全桥直流/交流电压源逆变器（VSI）（3FB），这是最简单和最广泛使用的拓扑结构之一。 第二个是三相全桥VSI，输入侧有一个分离电容（3FB-SC），与3FB相同，但在这种拓扑结构中，直流环节电容的中点连接到电网中性。第三种拓扑结构是三相模块化中性点钳位VSI拓扑结构（3xNPC），以其高输入效率和低输出谐波含量而着称。
图2. 三相并网光伏系统中最重要的组件（带电流隔离）
在第Ⅱ节中，提出了三相无变压器逆变器的通用模型，以研究共模电压对漏电接地电流的影响。在第Ⅲ节中，模型通过模拟和实验结果进行验证。
在第IV节中，将在NPC配置的情况下呈现实验结果以验证仿真模型。最后在第V节中，所有拓扑结构在采用的调制，中性线的连接及其导通，不平衡条件的影响，元件额定值，输出电压电平和滤波器尺寸方面进行了比较。
Ⅱ 三相逆变器漏电流路径研究
PV系统通常在PV板和电网之间具有隔离变压器。图1示出了这样的系统，包括连接在地和光伏阵列的每个端子之间的PV阵（Ctt-PV）的寄生电容。为了显示共模电流的路径，将杂散元素添加到图2所示的系统中。
1）CAtt，CB tt和CC tt是转换器输出点和地之间的杂散电容，存在于逆变器的所有三个支路上; 这取决于开关和接地散热器之间的连接。
2）Ctt-PV是寄生电容，也称为漏电容。
3）Ct代表变压器初级和次级绕组之间的杂散电容。
4）LA，LB和LC是用于控制注入电网的电流的输出电感。
5）LcA，LcB和LcC代表相的串联电感。
6）LcN表示连接时中性线的串联电感。
7） Lctt表示逆变器的接地连接与电网之间的电感。
为了使模型适应需要研究漏电流（限制在50 kHz）而不是具有更高频率成分的一般共模电流，应计算50 kHz时的基极电容。
= (1)
所研究系统的基本阻抗是V是三相电网电压的均方根值，S是三相转换器的视在功率。可以针对f = 50kHz的频率（即执行的分析频率限制）计算等效基极电容，其中是基频并且等于314rad/s。
= （2）
如果我们考虑一个15千伏安的逆变器，其中是11Omega;，从（2）可以计算出 的结果是0.3mu;F，然后所有小于的1％（本例中为3 nF）的电容都可以忽略不计，因为它们的电抗大于100倍。在低于50 kHz的频率下，可以忽略基极电容电抗及其影响。
在具有隔离变压器的并网光伏系统中，共模电流只能通过变压器的杂散电容找到其路径。由于该电容具有100pF量级的值，因此在低于50kHz的频率下的共模电流将大大降低，并且可以通过电磁干扰（EMI）滤波器来过滤更高的频率。总的来说，这就是为什么在光电隔离（带变压器）的光伏系统中，低频泄漏电流特性不受转换器拓扑或调制技术的影响。
另一方面，在无变压器PV系统的情况下，共模行为受所选拓扑或脉宽调制（PWM）的影响很大。在这种情况下，也如图3所示，PV直接连接到电网，并且PV面板端子处存在的共模电压导致漏电接地电流。
图3逆变器建模为电压源（无电流隔离）的三相并网光伏系统
- 共模和差模电压模型
为了分析关于共模和差模行为的系统，首先就有必要考虑以下步骤。如果三相系统没有中性连接，则共模和差模电压将在两个相J和K之间导出，其中 = K和J，K = {A，B，C}。
图4.共模和差模电压J，K = {A，B，C}的模型
图5. A相和B相共模电压的简化模型
共模电压定义为输出和公共参考之间的电压之和的平均值。 在这种情况下，公共参考被认为是PV的负端子（用Q标记）。 相J和K的共模电压定义为
Vcm-JK = （3）
差模电压定义为两个电压之间的差值为
Vdm-JK = VJQ minus; VKQ = VJK . （4）
从（3）和（4）可以得出，转换器输出端子和参考点Q之间的电压可以表示为
= （5）
= - (6)
使用（5）和（6），系统的共模模型可以得出，如图4所示。
使用戴维南定理，可以重新排列图4中的模型，如图5所示。这样，对于A相和B相，获得了共模电压的简化模型，将共模电压源显示为以及表示由差模电压给出的贡献和电网侧电感的不平衡的电压源，如下所述。
在输出导体中有一些不平衡（），由此产生的是同一模式电压差模电压，这也有助于总和系统的共模行为.电容器的影响（图4中所示的和）可以忽略不计，由于逆变器的两个支路是相同的大多数情况下。在杂散电容器不是和的情况下相等，由于它们的体积小，它们的影响力非常小,并且可以忽略，因此它们未在图5中示出。
如（7）中所示，在电感值有差异的情况下可以不等于零
= (7)
因此，总共模电压，包括电感不平衡的贡献，由（8）定义
= (8)
其中
=
= (9)
由于系统的调制策略和不平衡，等式（8）用于预测总共模电压。 图6给出了简化模型，显示了三相系统的共模电压源。
图6.三相系统的共模电压简单模型显示
由（9）描述的共模电压对寄生电容Ctt-PV充电和放电，并且通过该电容的电流取决于电容器两端的电压的幅度和频率含量，以及泄漏电容的值。
由此产生的泄漏电容值取决于许多因素[10]：
1）PV板和框架结构;
2）细胞表面和细胞间距离;
3）模块框架;
4）天气状况;
5）湿度;
6）覆盖PV板的灰尘或盐;
7）电磁兼容性（EMC）滤波器的类型。
Ⅲ 基于泄漏电流的三相光伏系统的行为
图7显示了正在研究的PV系统的控制。通常，PV系统采用电流控制回路以具有准正弦电流和单位功率因数。一个LCL滤波器安装在电网侧，电流的动态应该很好地衰减[5]，以便不会产生高频纹波，无论是由非滤波PWM引起的还是由LCL滤波器的无阻尼谐振引起的。 实际上，这种纹波可能与漏电流的影响相混淆。合适的最大功率点跟踪算法（MPPT）[6]（如图7所示）保证了PV板的最大功率提取[4]。 采用反孤岛算法[8]，以防止光伏系统在电网关闭时为公用电网的一部分供电。
图7.用于电网互连的光伏逆变器控制策略
在模拟情况下，开关频率设置为fsw=10kHz，这也是电流控制环路的频率。为了简化仿真，PV射线采用直流电压源建模，Vdc=650 V.输入侧直流环节电容Cdc =1mF，ESR =0.150Omega;。
对于3FB和3FB-SC，电网侧LCL滤波器采用三角形连接，3xNPC采用星形连接，中间点连接到中性线（Lf = 3 mH滤波电感和Cf） =4.5mu;F滤波器电容）。
电网参数为：频率fg = 50 Hz，均方根电压Vg = 230 V，电网电感Lg =50mu;H，电网电阻Rg =0.5Omega;，栅极电容Cg =1mu;F。
电池和接地框架之间的泄漏电容用PV阵列端子和地之间的简单电容建模。 如[10]中所述，该电容的值可高达50-150 nF / kW，具体取决于大气条件和面板的尺寸/结构。
对于阵列的每个端子，模拟的泄漏电容的值被选择为Ctt-PV = 100nF。
图8.三相全桥拓扑
在3FB和3FB-SC的情况下使用三相控制策略。 3xNPC在每个阶段都有三个单独的单相控制。
- 三相全桥VSI（3FB）
这种拓扑结构如图8所示，是最简单和最广泛使用的拓扑结构，适用于具有三相系统的一般应用。相A的电网电压和电流的仿真结果如图4和图5所示。为了表明当前控制按预期执行，选择了两个模拟情况。
图9.带变压器系统（带电流隔离）的A相电网电流和电压
图10.无变压器系统（无电流隔离）情况下A相的电网电流和电压
图9中的曲线图示出了当没有电流流过泄漏电容时，在PV阵列和交流电网之间具有电流隔离的系统的情况下的电网电流。
图10中的曲线图表示相同的栅极电流，不同之处在于这种情况下，PV阵列和交流电网之间没有电流隔离，并且漏电流具有穿过地的路径。
如图11所示，共模电压中存在高频分量。 由于Vdc之间的高频切换，产生的漏电流将非常高。 图12中给出的接地漏电流的快速傅里叶变换（FFT）揭示了谐波分量在开关频率处具有4.5A的幅度，在开关频率的两倍处具有0.4A的谐波分量。
计算出的模拟漏电流的均方根值为3.2 A，非常高，远高于VDE 0126-1-1标准中规定的300 mA阈值电平，关于电网接地漏电流和故障电流 连接的光伏系统。
图11.无变压器3FB的仿真结果（a）DC 端子接地电压（b）漏电流
图12.不带变压器的3FB拓扑结构的接地漏电流FFT
图13.具有分离电容器拓扑结构的三相全桥VSI
- 带分离电容的三相全桥VSI（3FB-SC）
图13中所示的3FB-SC拓扑结构与前一个类似，不同之处在于输入直流链路电容器和光伏阵列，并分为两半，中间点连接到中性点的网格。该拓扑相当于三个独立的单相半桥逆变器。
在这种情况下，3FB使用的相同电流控制也用于控制开关。对于PWM调制，将使用两种策略。第一个是使用单个三角形载波信号的PWM用于所有三个相位，第二个PWM将使用三个三角形信号移位120°，也称为交错PWM，目的是在电网电流中具有开关谐波 取消中性电流。
通过将交错的三角形信号用于PWM，可以降低三相的共模电压。
图14.3FB-SC的仿真结果显示（a）接地的直流 端电压和
（b）毫安的漏电接地电流
图15.具有交错PWM的3FB-SC的仿真结果
- 接地的直流 端子电压和（b）毫安的漏电接地电流。
图14和15表明，由于电容器的中点与保持其电位为零的中性线的连接，在DC 和dc处出现的电压波动比在3FB-SC的情况下小得多。
如图14和15所示，对地的端电压具有非常小的纹波。这意味着采用这种拓扑结构，泄漏电流大大降低，峰值为几毫安，交错PWM略小。 在这两种情况下，对于3FBSC，漏电流的均方根值计算为0.23 mA，对于交错PWM，漏电流的均
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