单相光伏并网系统的拓扑结构简介

作者：杨勇，来源：英飞凌工业半导体

在单相小功率光伏并网系统中，有隔离型和非隔离型两种拓扑结构。隔离型有成本高、体积大等诸多缺点，因此非隔离型成为目前主流的拓扑结构，本文主要介绍非隔离型的全桥以及HERIC两种较为常用的拓扑结构。

在非隔离型光伏系统中，电网和光伏阵列之间存在直接的电气连接。由于光伏阵列和接地外壳之间存在对地杂散电容，当并网逆变器功率器件动作时存在共模电压，进而可能会有共模电流流过寄生电容。共模电流不仅会引起损耗的增加同时也会导致安全问题，国家标准对并网系统的共模电流有严格的限制。因此下面的讨论从共模电压开始。

共模电压的产生以及定义

图1为典型的全桥无变压器拓扑结构图，图中Cp为光伏阵列对地寄生电容，根据共模回路电压方程可以计算出共模电压：



上式中UA0为A点对直流母线0电位的电压值。

流过寄生电容的共模电流：



Ug是工频50Hz电网电压，而UA0、UB0是高频信号，因此在工程上共模电压可以简化为：



为抑制共模电流，通常采用的方法是维持共模电压不变。

图1.全桥结构以及共模电压分析

全桥拓扑结构

全桥结构通常采用单极性和双极性两种调制方式，由于采用的控制策略不同，共模电压也不同。首先看单极性调制方式，其控制原理图如图2所示，在电流的正半周期，S4一直保持开通的，S1,S2互补导通；而在电流的负半周期，S3一直开通，S1,S2互补导通。下面以正半周期为例分析其共模电压。

当S1,S4开通时，如a所示，电流从PV-S1-L1-L2-S4-PV，共模电压为Ucm=Udc/2；当S1关断，S2,S4开通时，处于续流状态，如b所示电流从L1-L2-S4-D2，共模电压为Ucm=0,。可以看出在单极性调制中，共模电压在0和Udc/2之间变化，在系统运行过程中会产生共模电流。

图2.单极性调制共模电压分析

对于双极性调制而言，4个功率开关都是高频开关，桥臂对角S1/S4以及S2/S3分别互补导通。当S1,S4导通时，共模电压计算和单极性调制一样，Ucm=Udc/2。当S1/S4关断S2/S3开通，处于续流状态时电流的路径为L1-L2-D3-D2-L1，此时共模电压为Ucm=Udc/2。因此可以看出在双极性调制中，共模电压保持恒定，共模电流得到了有效抑制。

但是双极性调制中，4个功率开关都采用高频调制，其损耗比单极性调制大，另外一方面双极性调制中输出交流端电压在Udc和-Udc之间变化，而单极性调制中输出端电压在0到Udc或者0到-Udc之间变化，因此为减小电流纹波如果采用双极性调制就需要更大的滤波器。

HERIC拓扑结构

由于上述全桥结构都有一些应用上的缺陷，科学家提出著名的HERIC电路，从电路结构上增加了4个功率器件T5/D5,T6/D6。由于电流在正半轴和负半轴工作对称，这里只分析正半轴工况。在电流为正时，T6保持开通，当T1/T4同步开通时，电流流过T1-L1-L2-T4-T1，在T1,T4关断后，续流回路通过T6,D5，而不通过直流母线。在整个运行过程中共模电压保持不变Ucm=Udc/2。因此HREIC电路不仅可以抑制共模电流而且电流纹波小、效率高，成为无变压器单相光伏并网系统的主要拓扑结构。

图3.HERIC拓扑图

最后用图表简单小结一下这三种结构的优缺点，可以看出HERIC集合了两者的优点，在小功率太能应用中得到广泛应用。

关于几种拓扑结构中功率器件的选型以及损耗效率比较我们在下一期做详细介绍，敬请关注。