禹 健，刘靖亮，马宇辉

（山西大学 自动化系，太原030013）

针对这些问题，各国专家与学者对光伏并网逆变器展开了大量研究。在单相光伏系统中，大多是基于全桥拓扑结构，提出并发展了各种新颖的单相非隔离并网逆变器改进拓扑结构[4]和控制方法[5]。这些方法虽然有效地抑制了漏电流，但增加的辅助回路加大了电路结构或控制方法的复杂程度。要抑制入网侧的直流分量还需要额外的辅助装置，这也增加了设备的体积和成本。

而在三相光伏系统中，半桥逆变器拓扑结构被广泛应用[6]，因为半桥并网逆变器自身同时具有弥补由无隔离变压器带来的漏电流和入网直流分量的结构优势。在现有研究中，很少有研究者将半桥结构应用到单相光伏系统中，因为半桥结构在单相系统中会出现直流母线分压电容电压不平衡问题。在此提出一种新型光伏逆变器，创新性地将三电平半桥拓扑结构应用到单相光伏系统中，从结构上保证了不产生共模电流，并不对电网产生直流分量。

1 直流分量和共模电流分析

1.1 入网侧直流分量问题

传统的单相光伏逆变多采用全桥拓扑结构，而全桥结构会出现严重的直流分量问题。典型的全桥拓扑结构如图1所示。当开关状态由S1、S4导通切换到S2、S3导通的过程中会有一段死区时间，在这段死区时间内电流会通过S1和S3的体二极管导通续流，这就产生了直流分量。

图1 全桥拓扑结构Fig.1 Full-bridge topology

图2 半桥逆变器Fig.2 Half-bridge inverter

半桥结构本身就是一种可以直接屏蔽直流分量的逆变器拓扑结构，传统的半桥逆变器如图2所示。其基本组成包括2 个开关管S1和S2，1 个滤波电感L1，在直流侧接有2 个串联电容，其连接点为逆变器直流输入的中点，并与电网的中性点连接。

半桥逆变器的工作过程如图3所示。由图可见，在半桥逆变器的任何开关状态中，电流回路中总存在一个电容，该电容阻断了输出电流的直流分量，所以输出电压中的直流分量会被自动平衡。把半桥逆变器应用到光伏逆变器中，无需额外的增加消除直流分量的装置，就可有效地抑制直流分量。

图3 半桥逆变器的工作过程Fig.3 Working process of half bridge inverter

1.2 共模电流问题

其中，节点1 为开关管S1和S2串联连接的中点；节点2 为分压电容C1和C2串联连接的中点；节点N 为公共参考点。

其工作原理是开关S1和S2交替导通 （如图3所示）。当S1 开通时，v1N=vin，v2N=vin/2，由式（1）和式（2）可得

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因L2=0，由式（3）可得

当S2开通时，v1N=0，v2N=vin/2

由此可见，当直流侧2 个分压电容电压在逆变器工作过程中始终保持不变，均等于母线电压的1/2 时，半桥逆变器总的共模电压为一常数，其共模电流为0。

在三相系统中，当三相电压输出对称的情况下，电网中线无电流流过，直流侧2 个分压电容的电压值不变，不会产生共模电流。而在单相系统中，由于直流侧总电压加在2 个串联电容的两端，当其中一个电容放电电压减小时，另一个电容的电压就会增大。在逆变器的工作过程中2 个电容电压会发生变化，这就会产生共模电流。因此，要实现对共模电流和直流分量的抑制，就要解决单相半桥逆变器的直流侧分压电容不平衡问题。

2 新型ANPC 三电平光伏逆变器

所提出的新型单相光伏并网逆变器，采用有源中点箝位型ANPC 三电平半桥结构，在低成本、低损耗、开关管低耐压的优势下完成逆变功能的同时，兼顾平衡直流母线分压电容电压，解决了共模电流和入网侧直流分量问题。

2.1 新型光伏逆变器结构

新型ANPC 三电平光伏逆变器拓扑结构如图4所示，由一个传统的三电平ANPC 电路、2 个辅助电容和4 个二极管组成。

图4 ANPC 三电平光伏并网逆变器Fig.4 ANPC three-level photovoltaic grid-connected inverter

新型逆变器的关键点在于，当分压电容C1的两端电压发生变化时，辅助电容Cb1通过相应的辅助回路对C1的电压起电荷补充和平衡作用，当分压电容C2的两端电压发生变化时，辅助电容Cb2通过相应的辅助回路对C2的电压起电荷补充和平衡作用，从而实现直流侧2 个分压电容的均压，而且2 个辅助电容电压也能实现平衡。

ANPC 三电平光伏逆变器拓扑功率开关管S1，S2，S4，S5的驱动波形如图5所示。图中，Ug，s1与Ug，s2互补，处于高频工作状态；Ug，s4和Ug，s5互补，也处于高频工作状态。

图5 功率开关管的驱动波形Fig.5 Driving waveform diagram of power switch

2.2 新型光伏逆变器工作原理

一个完整的工作周期分为2 个阶段，一个是电流流出逆变器情况下的工作模态，另一个是电流流入逆变器情况下的工作模态。

1）当负载电流流出逆变器时，上桥臂作为主电路，下桥臂作为辅助电路。

主电路工作过程1上桥臂的开关管S1、S3导通，电路处于逆变状态，电容C1向电网端供电。如图6a 所示；

主电路工作过程2上桥臂的开关管S2、S3导通，电路处于续流状态，如图6b 所示。

辅助电路的工作过程如下：

在C2两端电压低于初始电压Vdc的情况下，a.当上桥臂开关管S2导通续流时，由于C2的负极电位高于Cb2的负极电位，二极管VDd导通，Cb2与S2、C2、VDd组 成 回路 向C2充 电，Cb2两端电压下降，C2两端电压上升，上升至初始电压Vdc后基本维持稳定，如图6b 所示。b.当上桥臂的开关管S1导通时，由于Cb2两端电压低于电源电压Vdc，二极管VDc导通，Vdc与VDc、Cb2、S1组成回路向Cb2充电，Cb2两端电压上升，上升至初始电压Vdc后基本维持稳定，如图6a 所示。

在C2两端电压高于初始电压Vdc的情况下，开关管S4、S5交替导通。a.当开关管S5导通时，由于Cb1的负极电位高于C2的负极电位，二极管VDb导通，C2与VDb、Cb1、S5组成回路向Cb1充电，Cb1两端电压升高，C2两端电压下降，下降至初始电压Vdc后基本维持稳定，如图6c 所示。b.当开关管S4导通时，由于Cb1两端电压高于电源电压，二极管VDa导通，Cb1与VDa、Vdc、S4组成回路向电源端放电，Cb1两端电压下降，下降至初始电压Vdc后基本维持稳定，如图6d所示。

图6 电流流出逆变器情况下的工作过程Fig.6 Working process diagram when current flows out of the inverter

2）当负载电流流入逆变器时，上桥臂作为辅助电路，下桥臂作为主电路。其工作过程与负载电流流入逆变器的工作过程类似，不再详述。

通过以上分析可得，虽然2 个分压电容在放电过程中电压减小，但由于辅助电路的存在，辅助电容通过辅助电路分别向2 个分压电容补充电荷，维持2 个分压电容的电压平衡，进而实现2 个分压电容的均压，有效抑制光伏系统的共模电流。2 个辅助电容通过在逆变器续流阶段的电荷补充，也能保持电压基本不变。此外主回路与辅助回路的控制解耦极大地降低了控制难度。

3 仿真分析与结果

为验证新型ANPC 三电平逆变器2 个分压电容的均压能力，在仿真平台上搭建逆变器仿真模型。电源电压Vdc=800 V，直流母线电容C1=C2=100 nF，滤波电感L=1 mH，辅助电容Cb1=Cb2=100 μF，开关管S1、S2、S4、S5的开关频率f=20 kHz，S1、S4的占空比为20%，S2、S5的 占空 比 为80%，C1、C2、Cb1、Cb2的 初始电压均为400 V。

逆变器在电网电压正半周期时，未加入和加入辅助电路情况下的2 个分压电容电压的变化波形如图7所示。由图7a 可见，未加入平衡电路时，在电网电压处于正半周期时，C1由于放电两端电压一直下降，C2两端的电压一直上升，2 个电容的总电压始终等于直流母线电压；而图7b 在加入电压控制电路的情况下，2 个分压电容电压基本保持在初始电压400 V 左右，实现了2 个分压电容的均压。

图7 未加入和加入平衡电路的C2 电压仿真波形Fig.7 C2 voltage simulation waveform without adding to the balance circuit

2 个辅助电容Cb1、Cb2电压的波形如图8所示。由图可见，虽然辅助电容在逆变器阶段向分压电容补充电荷使其两端电压下降，但续流阶段另一个分压电容会向辅助电容补充电荷，使其保持电压基本不变。

通过以上仿真可见，所设计的电路和控制策略达到了预期的目标，实现了2 个分压电容的均压。

4 结语

图8 辅助电容的电压波形Fig.8 Voltage waveform of auxiliary capacitor

所提出的新型ANPC 三电平半桥单相光伏并网逆变器，不产生共模电流，其拓扑确保对电网不产生直流分量。同时，该拓扑具有诸多优点：将ANPC 逆变器应用到光伏逆变系统中，使得逆变器的开关器件应力小、损耗分布平衡，因而而已选择较低额定电压等级的开关管，其饱和导通电压相应降低，开关管成本降低；采用ANPC 三电平半桥结构，无需额外的增加辅助设备，解决了入网侧的直流分量问题，减小了系统的体积和成本；解耦控制的控制策略极大地降低了控制难度，增加了可实施性。