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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审查和推导方法
摘要：
单相电压源无变压器逆变器已开发多年，已成功应用于分布式光伏（PV）电网系统。此外，许多先进的工业技术和最近的创新已经在过去的几年里出版了。本文的目的是对这些近期的贡献进行分类和评述，以确定无变压器逆变器的技术的现状和趋势。这篇文章可以对这项技术提供一个全面而有见地的概述。首先，研究了漏电电流的产生机理，即将无变压器逆变器分为不对称电感和对称电感组。然后，在此基础上，提出了基于直流和交流解耦网络的概念，不仅讨论了已发布的基于对称电感的拓扑结构，而且提出了一种新颖的方法来推导出先进的逆变器。此外，本文还讨论了基于直流和基于交流的拓扑结构之间的转换原则，从而对一般的法律和框架进行了清晰的描述。最后，提出了一种高效可靠的逆变器逆变换逆变器，并对其进行了测试，为下一代高效、低成本的光伏网格逆变器提供了一些极好的候选方案。
索引词：光电（PV）系统，拓扑推导，无变压器的逆变器。
I.引言
光伏电源被认为是最具前景的可再生能源之一，因为它是清洁、可靠和无排放的（参考文献【1】-【7】）。根据欧洲光伏产业协会公布的全球年度光伏市场预测，2012年全球光伏市场的规模约为31亿瓦，比2008年的四倍还多。如果光伏市场仍然是一个政策驱动的行业，预计它将达到84亿瓦。在欧洲，采用分布式光伏系统的住宅小区在整个光伏市场的占有率为21%，在不久的将来会迅速发展。（【参考文献8】）。
并网逆变器是PV面板和实际电网之间的重要接口，通常被划分为电隔离系统和非电隔离系统。在直流电网侧通常采用高频变压器或在交流电网侧通常采用线路频率(低频)变压器，以提供电流隔离，改善安全问题。不幸的是，由于变压器和其他辅助部件造成的额外损失，整个效率下降了。如果把变压器拆卸，非隔离或无变压器系统可以有1%-2%的效率改善（【参考文献9】）。此外，功率密度提高了，通过拆卸变压器和隔离传感器，降低了成本（【参考文献10到12】）。另外，为了更好地提升光伏系统的竞争力，一些世界领先的制造厂商宣布了超过20年的光伏系统的质量保证（【参考文献13】）。然而，PV逆变器的平均寿命大约是5年（【参考文献14】）。因此，为了保证所需的保证，更换逆变三到五次是必要的。它极大地负担了系统投资。从市场统计数据来看，PV逆变器占了计划外维护的37%和相关成本的59%（【参考文献15-16】）。如何提高逆变器的可靠性和灵活性正成为一个大问题。
此外，网格线的PV逆变器应满足电网标准和规范，处理网络连接标准，构建发电系统或网络和系统保护以及系统的运行（【参考文献17-23】）。本文针对漏电流检测和保护、电网频率监测和保护、有功或无功控制和电能质量等电气规范进行了探讨。公布了更严格的PV标准和规范，以满足加速的安全和系统可靠性要求。对德国规范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）之间的关键问题进行了比较。
考虑到在无变压器网格系统中光伏板与电网之间的电气连接，应小心地处理光伏寄生电容器产生的漏电流。300mA的漏电流必须在VDE 0126-1-1的0.3秒内触发一次中断。无论电源转换级别如何，任何突然的泄漏电流都应该在一个特定时间内触发一个中断，如表I所示。在更新的德国代码VDE-AR-N 4105中，可能不可避免地使用泄漏电流保护装置，这应该与IEC 60755、VDE 0100-410和VDE 0100-721相一致。为了提高网格的稳定性和可靠性，在最近发布的VDE-AR-N 4105中对电网频率监测和有功或无功的生成进行了讨论，这在表I中有详细介绍。
从上述分析中，可以从以下三个方面总结出无变压器PV逆变器的关键问题和主要问题。
- 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PV系统的超高光子整体效率97.7%由 Steca的StecaGrid 3600生产（【参考文献24】）。即使有一个范围更宽的PV操作电压，光量子电源技术的gw4000-ss 25（【参考文献25】）也能达到96.9%的效率。
- 可靠性问题：故障之间的平均时间与第一次故障的平均时间是评估系统可靠性的两个关键参数（【参考文献26-30】）。摘要针对PV逆变器的优化设计，不仅能提高客户满意度和品牌价值，还能降低维护成本。此外，更新后的PV网格标准和代码要求高可靠性的PV逆变器来支持网格的稳定性（【参考文献21】）。
- 成本问题：美国能源部发布的报告显示，住宅光伏系统（小于10千瓦）的安装价格已从2009年的8美元/w降至2013年的4.8美元/w。考虑到PV逆变器占初始系统成本的10%-20%，PV逆变器的价格下降无疑会提高PV产品的竞争力（【参考文献32】）。
除上述问题外，还有系统配置和/或建模，具有部分遮挡的最大功率点跟踪（MPPT、有功/无功功率控制、容错性等方面的问题，由于光伏网格连接系统的重要性，也得到了更多的关注（【参考文献33-36】）。为了对PV网格系统提供全面的理解，对单相网格连接的逆变器的拓扑和控制进行了概述（【参考文献37-43】）。对两级拓扑结构、伪dc-link电路、单级转换器进行了研究，来研究适合光伏模型的备选拓扑结构（【参考文献37】）。然而，在无变压器PV系统中存在的泄漏电流并不能很好的去检测。考虑到系统的稳定性，提出了一种优化设计方法，并给出了无变压器PV拓扑图1（【参考文献40】）。然而，只有H5、H6、中点钳位型（NPC）、正极中立点钳（ANPC）和反conergy的逆变器进行了比较和讨论。（【参考文献1】）中对单相无变压器PV逆变器的详细比较。但是，没有对无变压器逆变器的拓扑生成定律和转换方法进行探讨。
本文简要分析了单相无变压器PV逆变器中漏电流的产生机理和抑制原理，并对单相无变压器PV逆变器的分类、测量和比较，提出了一种见解深刻的认识。此外，基于直流和基于ac的解耦网络不仅可以覆盖已发表的无变压器逆变器，而且还建立了一种新颖的方法来推导出下一代逆变器。进一步介绍了基于直流和基于ac的解耦逆变器的拓扑转换原理，建立了系统的、统一的图像。更重要的是，采用高效可靠的逆变器概念（HERIC）为基础的逆变器，在高效、低成本的PV系统中提供了一些优秀的候选方案。
II. VSI逆变器漏电电流
在分布式PV网格系统中，电压源逆变器（VSIs）比当前的源逆变器（CSIs）更为普遍，因为它们具有成本低廉、易于控制和成熟的技术（【参考文献44-46】）。此外，由于对偶原理，虽然在文献【47】、【48】中提出并分析了一些先进的无变压器逆变器，但并没有详细地讨论它们，而在这篇文章中，着重强调了单相无变压器的VSIs。
典型的单相逆变器是图1中所示,其中V是PV电压,C是PV寄生电容，P和N是正极的和负极的两端,L1和L2是两个可能的滤波电感,Lcm, Cdm,和Ccm组成了电磁干扰(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和差动式电压Vdm是由
Vcm=（V1N V2N）/2 （1）
Vdm=V1N-V2N （2）
V1N和V2N是终端1和2到N的电压。
由已定义的共模态和差模电压代替，高频差模和共模电压回路可由（【参考文献49】）得到。结果表明，差动式电压Vdm可能对漏电流产生有一定的影响。附加的共模电压Vd-to-c，从差模电压转换得到，由下式
Vd-to-c=vdm *（L2- L1）/ （2*（L2 L1）） (3)
从（3）式中，不对称滤波器电感器（L1不等于L2）的差压可能对共模电压有一定的作用，导致额外的漏电电流。总高频共模电压Vtcm可由Vtcm=Vcm Vd-to-c=（v1N v2N）/2 （v1N-v2N）/2*（L2-L1）/（L1 L2）来计算。(4)
如果L1=0或L2=0，
Vtcm =v1N（L1=0）（5）
Vtcm =v2N（L2=0）（6）
当VSIs采用不对称的电感配置（L1=0或L2=0）时，消除漏电流的充分条件是终端电压v1N或v2N保持恒定。
如果L1=L2，Vtcm=v1N v2N=Vcm（L1=L2）来得到简化。(7)
一旦VSIs采用对称的电感配置（L1=L2），消除泄漏电流的充分条件是，总高频共模电压Vcm没有高频变化。
因此，无变压器VSIs可分为非对称感应组和对称感应群。综述了近年来发展的无变压器逆变器和提出的拓扑结构，并在图2进行了分析和总结。详细的分析和讨论将在以下部分中进行讨论。
III.不对称INDUCTOR-BASED逆变器
在本节中，介绍并讨论了最先进的不对称电感转换逆变器（L1=0或L2=0）。所回顾的拓扑划分为以下子组：半桥逆变器、双buck逆变器、虚拟直流总线逆变器、LF拓扑、以及Karschny无变压器逆变器。
A.半桥无变压器的逆变器
假设L2=0，且N端子与图1的2号端子直接相连，全高频共模电压为零，无高频泄漏电流。一般来说，图3（a）的传统的两级半桥逆变器可以通过一个简单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（【参考文献50】）。然而，dc-link电压应该是电网峰值电压的两倍，而半导体应该保持高的dc-link电压应力。此外，双极逆变器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，减小滤波器的尺寸，减小半导体电压应力，可以采用三电平的NPC逆变器（在图3b中），用钳位二极管实现开关动电压平衡（【参考文献51-54】）。三电平NPC逆变器的主要缺点之一是内部和外部电源开关的不平衡传导损耗。
通过正极开关替代NPC逆变器中的负极二极管，在图3（c）中展示了了ANPC型逆变器的组成。由于可控制的钳位开关，提供了额外的开关模式，并且当前的自由路径变得更加丰富。因此，能量损失分布可以平衡，由于完全可控的拓扑结构，可以很容易地提供无功功率，从而提高了平衡和不平衡网格故障的适应性和灵活性（【参考文献55-56】）。然而，在NPC或ANPC逆变器的任何开关间隔中，都有两个开关，这导致低电压应用程序的传导损耗（例如，Vbus=650 V）。
为了保持多级拓扑的主要优点，减少低压系统的传导损耗，可以采用T型逆变器，也可称为“conergy-npc”逆变器或晶体管钳位逆变器，在图3（d）中（【参考文献57】）。双向开关在半桥逆变器的中间点和分片电容之间插入，以实现在ANPC逆变器中类似的钳位功能和三电平电压的产生。T型逆变器的开关电压应力是不同的。两个串联开关在逆变器的上、下部分应保持高的直流续流电压，而正极钳位开关，用于产生零电压水平，只承受一半高的直流续流电压。在（【参考文献57】）中对低电压应用的两级半桥、三级的NPC和t型逆变器进行了详细的分析和比较，并对其进行了分析。结果表明，与双级半桥逆变器相比，NPC和t型逆变器的转换效率更高。此外，在一定的开关频率上，由于现代半导体特性，T-type拓扑优于NPC电路。
在上述半桥逆变器中，直流续流电压应该是电网峰值电压的两倍。然而，PV板的输出电压相对较低。为了满足高直流续流电压的要求，许多光伏板应该是串联的。然而，由于模数不匹配和部分遮挡，光伏阵列产生的输出功率大大降低，尤其是在城市地区（【参考文献59-61】）。或者应该增加高阶提升式转换器，这将给前端dc/dc转换器带来的负担（【参考文献61-64】）。
B . Dual-Buck无变压器的逆变器
两个降压转换器模块可以被集成，以实现无变压器逆变器，其中一buck用于产生正半循环电压，另一种则负责负半周期电压。这两个buck模块可以是串联配置，也可以是并行配置。
通过串联配置，在（【参考文献65】）引入电感器的NPC逆变器，如图4（a）所示。开关S1和二极管D1构成上buck模块。开关S2和二极管D2构成了下一个buck模块。在正半周期中，开关SL1保持在交变状态，而开关S1操作频率高，产生正-半周期电压。下buck模块被关闭，以断开连接。此外，在负半周期内，上buck模组不工作，只有降压器工作产生负半周电压。开关SL1和SL2与行频率切断，以阻挡反向感应电流。摘要双元逆变器的优点在于，避免了半桥逆变器中存在的
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