非隔离型级联H5光伏逆变器共模漏电流特性分析

燕山大学电气工程学院的研究人员郭小强、贾晓瑜，在2018年第2期《电工技术学报》上撰文，共模漏电流抑制是非隔离型光伏并网系统需要解决的关键问题。首先建立传统非隔离型级联H桥光伏并网系统共模模型，推导出系统共模漏电流数学表达式，分析影响系统共模漏电流的主要因素，指出传统级联H桥逆变器无法抑制共模漏电流的原因。

然后提出一种级联H5逆变器拓扑及其调制策略，有效地抑制了系统共模漏电流。最后搭建数字控制实验样机系统，对级联H4拓扑和级联H5拓扑进行对比实验，实验结果验证了所提方案的有效性。

随着世界各国对能源需求的增长，太阳能作为一种清洁可再生能源在发电领域得到越来越多的应用。传统光伏发电系统采用隔离变压器实现电气隔离和电压调整，但隔离变压器会增加系统成本、体积、重量，影响系统效率。

非隔离型光伏并网逆变器可以很好地解决上述问题[1]。另外，由于缺少变压器隔离，光伏电池和电网之间存在电气连接，会在光伏电池板和大地之间的寄生电容上产生共模漏电流[2,3]。高频变化的共模漏电流会产生电磁干扰，引起并网电流畸变，增加系统损耗，甚至对人身安全构成威胁[4]。因此，VDE 0126 1 1标准规定当共模漏电流有效值超过30mA时，非隔离型光伏发电系统必须在0.3s内从电网中切除。

单相非隔离型光伏逆变器采用单极性调制时具有良好的差模特性，输出呈三电平，电感纹波小[5]，但单极性调制共模特性差，因引入高频变化的共模电压，而产生高频共模漏电流问题。为解决此问题，国内外学者进行了广泛的研究。基本思想是在电流续流期间将直流侧与交流侧进行隔离，保证系统共模电压不变，从而抑制共模漏电流。

文献[5]提出一种改进型全桥拓扑，通过增加两个辅助开关实现单极性SPWM的同时消除了高频脉动的共模电压，从而有效抑制共模漏电流。文献[6]提出一种H6拓扑，通过增加两个辅助开关解决系统共模电压问题，具有较好的共模特性，系统共模漏电流可以得到有效抑制。

文献[7]提出一种三电平双Buck光伏并网逆变器，可以将寄生电容电压钳位至母线电压的一半，从而消除了共模漏电流。除此之外，国内外学者在新型单相拓扑方面开展了很多有意义的探索[8-13]。

值得注意的是，上述研究是在单相全桥逆变器拓扑基础上通过增加开关的方式解决共模漏电流问题。此外，单相多电平逆变器在光伏发电领域得到越来越多的应用[14,15]。相比于上述单相全桥逆变器，多电平逆变器具有诸多优势，例如，降低功率器件电压应力、改善输出波形质量、减小电磁干扰等[16-18]。

目前多电平逆变器主要分为二极管钳位型、飞跨电容型和级联型三种。级联型逆变器与前两者的不同之处在于其无需考虑直流电容均压问题和飞跨电容电压平衡控制问题，而且结构简单、易于模块化设计[19]。然而，和单个逆变器不同，级联型逆变器需要多路独立输入电源，在非隔离型光伏系统应用中将出现多路共模回路，给系统共模漏电流抑制问题带来技术挑战。如何有效抑制非隔离型级联光伏逆变器系统共模漏电流问题有待进一步研究。

本文首先建立单相级联全桥逆变器系统共模模型，在此基础上，分析影响共模漏电流的主要因素，指出了传统级联全桥逆变器无法抑制共模漏电流的原因。然后提出一种级联H5逆变器拓扑及其调制策略，有效地抑制了系统共模漏电流，最后通过实验验证提出方案的有效性。

图8 级联H5多电平逆变器

结论

本文针对单相级联H桥光伏逆变器系统共模漏电流问题进行理论分析和实验研究，得出以下结论：

1）传统单相级联H4拓扑系统共模漏电流由共模电压和差模电压共同决定，由于系统的共模电压和差模电压均高频变化，因此传统单相级联H4拓扑无法有效抑制系统共模漏电流。

2）本文提出的单相级联H5拓扑系统共模漏电流和差模电压无关，由共模电压决定，通过调制策略可以实现共模电压恒定，从而使系统共模漏电流得到有效抑制。此外，本文提出的方案原理简单，易于实现，具有一定工程应用价值。