【经典】一种高效率H6结构不隔离单相光伏并网逆变器

光伏逆变器

提出一种新颖的高效率六开关逆变器（H6）拓扑，解决了无变压器单相光伏并网逆变器漏电流问题。该拓扑将两个单向续流单元嵌在全桥逆变器桥臂中点之间，以获得续流通道，并在续流阶段将太阳能电池板和电网分离。该拓扑续流回路不经过性能较差的体二极管，有利于获得更高效率；同时，无需直流旁路结构中的分裂电容。详细介绍该拓扑的工作原理、脉宽调制（pulse width modulation，PWM）驱动逻辑、并网控制方法以及关键电路设计。仿真与实验验证了该拓扑具有低共模电压、高质量的并网波形和高效率特征。

高效率是光伏并网逆变器研究及设计的核心目基金项目：江苏省产学研前瞻性项目（BY2011156）；江苏省科技支撑计划项目（BE2011174）。 Project Supported by the Prospective Project of Production， Learning and Research in Jiangsu Province （BY2011156）; Science and Technology Supporting Program of Jiangsu Province （BE2011174）。 标之一。针对微逆变器场合，文献［1-4］提出并研究了准单级式的交错并联反激高频链并网逆变器，但功率容量偏小，不适合于中大功率场合。中功率场合多采用两级式不隔离甚至三级式高频隔离架构，若前级采用高频隔离方式，相对较为复杂，且功率级数较多，影响效率提升及可靠性［5-6］。两级式不隔离架构甚至单级式架构能够有效地提高系统效率，但取消电气隔离后，不可避免地带来了一些负面影响，如漏电流、直流分量等［7-9］。其中漏电流的存在是制约非隔离型结构推广应用的最主要因素。以标准全桥逆变器为例，在单极性调制时，会产生一个幅值为输入电压、并以开关频率高频变化的共模电压。考虑到 PV 组件寄生电容的存在（nF-mF 级），系统将出现较大的漏电流［7-10］。从降低电磁干扰 （electromagnetic interference，EMI），特别是保证安全性的角度出发，各国标准均对并网逆变器漏电流作出了严格限定。例如，德国标准 DIN VDE 0126-1-1 规定：无变压器光伏并网逆变器中对地漏电流峰值大于300 mA时，光伏并网系统必须在0.3 s 内与电网断开。

因此，近年来，漏电流问题成为了非隔离型并网逆变器的研究热点之一。各国学者多通过改进全桥逆变器结构来解决该问题。目前，已提出了一系列新型拓扑［7-15］。这些结构不同方式增添了辅助电路，通过强制改变续流回路，使得续流阶段太阳能电池板与电网脱离。逆变器桥臂中点仍输出三电平电压，保留了单极性调制的特点，以实现高效率；而拓扑中主开关管工作模态则得以改变，按照双极性方式调制，从而消除了漏电流。其中，文献［9］ 介绍了德国 SMA 公司专利 H5 逆变器拓扑，相对而言，该拓扑所用器件最少，成本较低，但续流阶段电流要经过反向恢复问题严重的开关管体二极管，不利于效率进一步提高。文献［10-13］介绍了带直流旁路的全桥逆变器，交流侧电流纹波小，降低逆变器的损耗。但在直流侧，必须通过分裂电容提供中点。文献中未提及这个问题的影响和解决途径，但无疑将加大控制的难度。文献［7-8，14-15］介绍交流旁路六开关逆变器（H6）拓扑，采用双极性调制，通过时序控制可以有效抑制共模电压及漏电流，获得单极性调制的效果，但文献［14-15］中的拓扑电流仍要经过性能较差的开关管体二极管。

针对上述现象，本文提出一种新型带交流旁路单元六开关逆变器（H6）拓扑，将两个单向续流单元嵌在全桥逆变器桥臂中点之间，以获得续流通道，并在续流阶段将太阳能电池板和电网分离。该拓扑续流回路经过的器件数量少，且不经过性能较差的体二极管，有利于获得更高效率；同时，无需输入均压控制。下面给出详细分析与验证。

1 新型拓扑结构及工作原理分析

1.1 电路结构新型拓扑结构如图 1（a）所示，图中：S1—S6 为开关管；D1、D2 为续流二极管；L1、L2 为进网滤波