單相光伏併網系統的拓撲結構簡介

關鍵字 :Infineon 英飛凌工業光伏共模電壓

作者：英飛凌官網

在單相小功率光伏併網系統中，有隔離型和非隔離型兩種拓撲結構。隔離型有成本高、體積大等諸多缺點，因此非隔離型成為目前主流的拓撲結構，本文主要介紹非隔離型的全橋以及HERIC兩種較為常用的拓撲結構。
在非隔離型光伏系統中，電網和光伏陣列之間存在直接的電氣連接。由於光伏陣列和接地外殼之間存在對地雜散電容，當併網逆變器功率器件動作時存在共模電壓，進而可能會有共模電流流過寄生電容。共模電流不僅會引起損耗的增加同時也會導致安全問題，國家標準對併網系統的共模電流有嚴格的限制。因此下面的討論從共模電壓開始。

•共模電壓的產生以及定義

圖1為典型的全橋無變壓器拓撲結構圖，圖中Cp為光伏陣列對地寄生電容，根據共模迴路電壓方程可以計算出共模電壓：

上式中UA0為A點對直流母線0電位的電壓值。
流過寄生電容的共模電流：

Ug是工頻50Hz電網電壓，而UA0、UB0是高頻信號，因此在工程上共模電壓可以簡化為：

為抑制共模電流，通常採用的方法是維持共模電壓不變。

圖1.全橋結構以及共模電壓分析

•全橋拓撲結構

全橋結構通常採用單極性和雙極性兩種調製方式，由於採用的控制策略不同，共模電壓也不同。首先看單極性調製方式，其控制原理圖如圖2所示，在電流的正半周期，S4一直保持開通的，S1,S2互補導通；而在電流的負半周期，S3一直開通，S1,S2互補導通。下面以正半周期為例分析其共模電壓。
當S1,S4開通時，如a所示，電流從PV-S1-L1-L2-S4-PV，共模電壓為Ucm=Udc/2；當S1關斷，S2,S4開通時，處於續流狀態，如b所示電流從L1-L2-S4-D2，共模電壓為Ucm=0,。可以看出在單極性調製中，共模電壓在0和Udc/2之間變化，在系統運行過程中會產生共模電流。

圖2.單極性調製共模電壓分析

對於雙極性調製而言，4個功率開關都是高頻開關，橋臂對角S1/S4以及S2/S3分別互補導通。當S1,S4導通時，共模電壓計算和單極性調製一樣，Ucm=Udc/2。當S1/S4關斷S2/S3開通，處於續流狀態時電流的路徑為L1-L2-D3-D2-L1，此時共模電壓為Ucm=Udc/2。因此可以看出在雙極性調製中，共模電壓保持恆定，共模電流得到了有效抑制。
但是雙極性調製中，4個功率開關都採用高頻調製，其損耗比單極性調製大，另外一方面雙極性調製中輸出交流端電壓在Udc和-Udc之間變化，而單極性調製中輸出端電壓在0到Udc或者0到-Udc之間變化，因此為減小電流紋波如果採用雙極性調製就需要更大的濾波器。

•HERIC拓撲結構

由於上述全橋結構都有一些應用上的缺陷，科學家提出著名的HERIC電路，從電路結構上增加了4個功率器件T5/D5,T6/D6。由於電流在正半軸和負半軸工作對稱，這裡只分析正半軸工況。在電流為正時，T6保持開通，當T1/T4同步開通時，電流流過T1-L1-L2-T4-T1，在T1,T4關斷後，續流迴路通過T6,D5，而不通過直流母線。在整個運行過程中共模電壓保持不變Ucm=Udc/2。因此HREIC電路不僅可以抑制共模電流而且電流紋波小、效率高，成為無變壓器單相光伏併網系統的主要拓撲結構。

圖3.HERIC拓撲圖
最後用圖表簡單小結一下這三種結構的優缺點，可以看出HERIC集合了兩者的優點，在小功率太能應用中得到廣泛應用。

關於幾種拓撲結構中功率器件的選型以及損耗效率比較我們在下一期做詳細介紹，敬請關注。