單相小功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，隔離型和非隔離型兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹

在單相小功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，有隔離型和非隔離型兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文主要介紹非隔離型的全橋以及HERIC兩種較為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在非隔離型光伏系統(tǒng)中，電網(wǎng)和光伏陣列之間存在直接的電氣連接。由于光伏陣列和接地外殼之間存在對地雜散電容，當(dāng)并網(wǎng)逆變器功率器件動作時存在共模電壓，進(jìn)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(dǎo)致安全問題，國家標(biāo)準(zhǔn)對并網(wǎng)系統(tǒng)的共模電流有嚴(yán)格的限制。因此下面的討論從共模電壓開始。

共模電壓的產(chǎn)生以及定義

圖1為典型的全橋無變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖中Cp為光伏陣列對地寄生電容，根據(jù)共模回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(wǎng)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，通常采用的方法是維持共模電壓不變。

圖1.全橋結(jié)構(gòu)以及共模電壓分析

全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全橋結(jié)構(gòu)通常采用單極性和雙極性兩種調(diào)制方式，由于采用的控制策略不同，共模電壓也不同。首先看單極性調(diào)制方式，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(bǔ)導(dǎo)通;而在電流的負(fù)半周期，S3一直開通，S1,S2互補(bǔ)導(dǎo)通。下面以正半周期為例分析其共模電壓。

當(dāng)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(dāng)S1關(guān)斷，S2,S4開通時，處于續(xù)流狀態(tài)，如b所示電流從L1-L2-S4-D2，共模電壓為Ucm=0,?？梢钥闯鲈趩螛O性調(diào)制中，共模電壓在0和Udc/2之間變化，在系統(tǒng)運行過程中會產(chǎn)生共模電流。

圖2.單極性調(diào)制共模電壓分析

對于雙極性調(diào)制而言，4個功率開關(guān)都是高頻開關(guān)，橋臂對角S1/S4以及S2/S3分別互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)S1,S4導(dǎo)通時，共模電壓計算和單極性調(diào)制一樣，Ucm=Udc/2。當(dāng)S1/S4關(guān)斷S2/S3開通，處于續(xù)流狀態(tài)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(diào)制中，共模電壓保持恒定，共模電流得到了有效抑制。

但是雙極性調(diào)制中，4個功率開關(guān)都采用高頻調(diào)制，其損耗比單極性調(diào)制大，另外一方面雙極性調(diào)制中輸出交流端電壓在Udc和-Udc之間變化，而單極性調(diào)制中輸出端電壓在0到Udc或者0到-Udc之間變化，因此為減小電流紋波如果采用雙極性調(diào)制就需要更大的濾波器。

HERIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于上述全橋結(jié)構(gòu)都有一些應(yīng)用上的缺陷，科學(xué)家提出著名的HERIC電路，從電路結(jié)構(gòu)上增加了4個功率器件T5/D5,T6/D6。由于電流在正半軸和負(fù)半軸工作對稱，這里只分析正半軸工況。在電流為正時，T6保持開通，當(dāng)T1/T4同步開通時，電流流過T1-L1-L2-T4-T1，在T1,T4關(guān)斷后，續(xù)流回路通過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并網(wǎng)系統(tǒng)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3.HERIC拓?fù)鋱D

最后用圖表簡單小結(jié)一下這三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，可以看出HERIC集合了兩者的優(yōu)點，在小功率太能應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。