一种用于漏电流抑制的改进型H7逆变器

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1153 文章编号：0254-0096（2023）02-0460-08

摘 要：提出一种用于漏电流抑制的改进型H7逆变器拓扑来抑制无变压器光伏发电系统中的漏电流。该拓扑在H7型逆变器拓扑的基础上增加了一个钳位电路，该电路由3个容值相等的分压电容和3个钳位开关管构成，钳位电路可实现逆变器的共模电压在续流状态内保持稳定。同时提出一种共模电压高频控制方案，在保证钳位点的电压为UPV/3或2UPV/3的基础上增加了共模电压的频率，对应的增加了电路的共模回路阻抗，系统的共模特性得到了优化，漏电流的抑制效果更好。搭建一台每相输出200 W的原理样机，通过saber仿真和硬件实验验证了理论分析的正确性。

关键词：光伏发电；三相逆变器；漏电流；共模电压；开关状态

中图分类号：TM 464 " " " " 文献标志码：A

0 引 言

近年来，光伏发电凭借其无污染、无枯竭的优点受到国内外的广泛关注［1-3］。传统的光伏逆变器由于其中的隔离变压器体积大、重量大、成本高导致系统功率的损耗较高。因此，无变压器的光伏逆变器［4-9］成为国内外的研究重点。但是，无隔离变压器的逆变系统缺少电气隔离，存在大量的漏电流，漏电流过高不仅会影响系统性能，而且还有潜在人身安全和电磁干扰问题。德国DIN标准要求光伏系统中的漏电流必须小于300 mA［10-11］。

一些国内外学者已对无变压器的三相光伏逆变器中漏电流的抑制技术做了一定的研究［12-16］。文献［17］提出H7型三相逆变器拓扑，该拓扑的共模电压在0、[UPV/3、2UPV/3]（[UPV]为直流侧输入电压）之间变化，相比传统的H6型三相逆变器，虽然减小了共模电压的变化范围，一定程度上减小了漏电流，但在续流状态下无钳位电路，因此在该状态下的共模电压不稳定，漏电流的抑制效果不佳。文献［18］提出oH7型三相逆变器拓扑，该拓扑在H7型逆变器的基础上增加了一个钳位开关，构成一条钳位电路，该拓扑的共模电压在[UPV/3]、[UPV/2]、[2UPV/3]之间变化，相比H7型逆变器，共模电压的波动幅度更小，且由于增加了钳位电路，续流状态下共模电压的稳定性更好，漏电流也更小，但该拓扑共模电压的频率只能等于开关频率，无高频的控制方案，漏电流的抑制效果还有待改进。

本文提出一种用于漏电流抑制的改进型H7逆变器，通过合理的控制方案，使得该逆变器在所有的工作模态下共模电压的幅值均被钳位在[UPV/3]或[2UPV/3]，共模电压的频率是开关频率的3倍，这样不仅降低了共模电压的变化范围，而且改善了系统的共模特性，优化了漏电流的抑制效果。

1 改进型H7逆变器

1.1 拓扑结构与工作原理

本文提出的抑制漏电流的改进型H7逆变器拓扑如图1所示。该拓扑在H7型逆变器拓扑的基础上增加了钳位电路，首先将逆变器直流输入侧的一个电容增加到3个，构成等值的分压电容[C1、C2、C3]；其次将钳位开关管S8和S9加进隔离开关管S7的源极和分压电容[C1、C2]之间；将钳位开关管S10加进隔离开关管S7的源极和分压电容[C2、C3]之间。[CPV]表示光伏组件对地寄生电容。

定义此逆变器的共模电压为：

式中：[uAQ]——A点相对于Q点的电压，V；[uBQ]——B点相对于Q点的电压，V；[uCQ]——C点相对于Q点的电压，V。

根据图2所示的该拓扑的8个工作模态图，可分析出逆变电路开关状态和共模电压的关系。

工作模态1：电流从电源正极经隔离开关管S7、上桥臂开关管S1和下桥臂开关管S2、S6后，回到电源负极。此时S1、S2、S6和S7处于导通状态，用“1”表示，其他关断开关管用“0”表示，S1～S10的开关状态为1100011000。而[uAQ=UPV，][uBQ=uCQ=0，]故共模电压[ucm=UPV/3]。

工作模态2：电流从电源正极经隔离开关管S7、上桥臂开关管S1、S3和下桥臂开关管S2后，回到电源负极。此时S1、S2、S3和S7处于导通状态，用“1”表示，其他关断开关管用“0”表示，S1～S10的开关状态为1110001000。而[uAQ=uBQ=UPV，][uCQ=0，]故共模电压[ucm=2UPV/3]。

工作模态3：电流从电源正极经隔离开关管S7、上桥臂开关管S3和下桥臂开关管S2、S4后，回到电源负极。此时S2、S3、S4和S7处于导通状态，用“1”表示，其他关断开关管用“0”表示，S1～S10的开关状态为0111001000。而[uBQ=UPV，][uAQ=uCQ=0，]故共模电压[ucm=UPV/3]。

工作模态4：电流从电源正极经隔离开关管S7、上桥臂开关管S3、S5和下桥臂开关管S4后，回到电源负极。此时S3、S4、S5和S7处于导通状态，用“1”表示，其他关断开关管用“0”表示，S1～S10的开关状态为0011101000。而[uBQ=uCQ=UPV，][uAQ=0，]故共模电压[ucm=2UPV/3]。

工作模态5：电流从电源正极经隔离开关管S7、上桥臂开关管S5和下桥臂开关管S4、S6后，回到电源负极。此时S4、S5、S6和S7处于导通状态，用“1”表示，其他关断开关管用“0”表示，S1～S10的开关状态为0001111000。而[uCQ=UPV，][uAQ=uBQ=0，]故共模电压[ucm=UPV/3]。

工作模态6：电流从电源正极经隔离开关管S7、上桥臂开关管S1、S5和下桥臂开关管S6后，回到电源负极。此时S1、S5、S6和S7处于导通状态，用“1”表示，其他关断开关管用“0”表示，S1～S10的开关状态为1000111000。而[uAQ=uCQ=UPV，][uBQ=0，]故共模电压[ucm=2UPV/3]。

工作模态7：电流经钳位开关管S10和上桥臂开关管S1、S3、S5构成续流回路。此时S1、S3、S5和S10处于导通状态，用“1”表示，其他关断开关管用“0”表示，S1～S10的开关状态为1010100001。而[uAQ=uBQ=uCQ=UPV/3，]故共模电压[ucm=UPV/3]。

工作模态8：电流经钳位开关管S8、S9和上桥臂开关管S1、S3、S5构成续流回路。此时S1、S3、S5、S8和S9处于导通状态，用“1”表示，其他关断开关管用“0”表示，S1～S10的开关状态为1010100110。而[uAQ=uBQ=uCQ=2UPV/3，]故共模电压[ucm=2UPV/3]。

开关状态与共模电压的关系见表1。

1.2 控制策略分析

针对改进型H7逆变器，提出共模电压低频控制和共模电压高频控制两种控制策略。共模电压低频控制策略是指在续流状态时的共模电压与该状态的前一状态的共模电压保持一致，共模电压的频率等于开关频率。共模电压高频控制策略是指在续流状态时的共模电压与该状态的前一状态的共模电压不保持一致，共模电压的频率是开关频率的3倍。

图3为改进型H7逆变器的共模电路等效模型［19-20］，可看出减小共模电压的幅值，就可减小漏电流。

另外，根据图3和电路相关知识可推导出逆变器共模回路阻抗Zcm的计算公式为：

在本文的仿真和实验参数下，滤波电感[L=5]mH和寄生电容[CPV=100]nF，可计算出在共模电压高频控制策略下的逆变器共模回路的阻抗更大，系统的共模特性更好，漏电流的抑制效果更佳。

根据上述分析，设计一种共模电压的高频控制策略，如图4所示。图4中，[ura、urb、urc]为相位互差120°的正弦调制波，[uc]为三角载波，将调制波和载波比较后得到输入信号[X、Y]和[Z]。将[XYZ]经过数字逻辑式（3）后得到用来控制开关管S1～S10的输出信号。输入信号[XYZ]和输出控制信号S1～S10对应关系见表2，开关关断是“0”，开关导通是“1”。

以输入信号100为例，输出控制信号如式（4）所示，共模电压为[UPV/3]。

当输入信号为110时，输出信号如式（5）所示，共模电压为[2UPV/3]。

当进入续流状态，若输入信号为111时，共模电压高频控制策略要求此时的共模电压与该状态的前一状态的共模电压不保持一致，所以开关管S10导通，输出信号如式（6）所示，共模电压为[UPV/3]。

当进入续流状态，若输入信号为000时，共模电压高频控制策略要求此时的共模电压与该状态的前一状态的共模电压不保持一致，所以开关管S8和S9导通，输出信号如式（7）所示，共模电压为[2UPV/3]。

综上，本文提出的控制策略确实可实现共模电压的幅值钳位于[UPV/3]或[2UPV/3]，共模电压的频率是开关频率的3倍，降低了共模电压的变化范围，提升了系统的共模特性，更好地抑制了漏电流。

2 仿真结果

使用saber仿真软件对H7型逆变器和改进型H7逆变器分别进行仿真。仿真参数如表3所示。

图5、图6为H7型逆变器和改进型H7逆变器满载时的主要仿真波形。其中，分别用[uAO、uBO]和[uCO]表示A相、B相和C相的输出电压；分别用[uAQ、uBQ]和[uCQ]表示A点、B点和C点对Q点的电压；共模电压为[ucm]；漏电流为[ileakage]。

从图5c可看出，H7型逆变器的共模电压在0、[UPV/3]和[2UPV/3]之间变化；从图6c可看出，改进型H7逆变器的共模电压仅在[UPV/3]和[2UPV/3]之间变化，相较于H7型逆变器降低了共模电压的变化范围；从图5d可知H7型逆变器满载时的漏电流经快速傅里叶变换（FFT）后，在开关频率处的峰值为[-18.775 dBA]，换算成电流的大小为115.15 mA，虽然满足德国DIN标准，但漏电流的值仍较大；从图6d可知改进型H7逆变器在满载时漏电流经FFT变换后，在3倍开关频率处的峰值为-27.871 dBA，换算成电流的大小约为40.406 mA，不仅满足德国DIN标准，相较于H7型逆变器的漏电流而言，也更小更安全。

3 实验结果

根据仿真参数，搭建实验平台，得到H7型三相逆变器在满载时的电压输出波形和漏电流频谱如图7所示。用于漏电流抑制的改进型H7逆变器在满载时的电压输出波形和漏电流频谱如图8所示。

从图8b和图8c可看出，实验得到的[uAQ、uBQ]和[uCQ]的波形与图6b和图6c仿真得到的[uAQ、uBQ]和[uCQ]的波形大体一致，因此可推断实验得到的共模电压波形也应与仿真波形一致。由图7d可看出H7型逆变器在满载时的漏电流经过傅里

叶分析后在40 kHz处的值为-16.65 dBA，换算成电流为[147.07 mA]；由图8d可看出改进型H7逆变器在满载时的漏电流经过傅里叶分析后在120 kHz处的值为-23.876 dBA，换算成电流为64.01 mA。所以，相较于H7型逆变器而言，改进型H7逆变器得到的漏电流更小、更加安全，验证了理论的正确性。

另外根据实验中实际使用的开关器件，对开关器件的成本和损耗进行了理论估算。H7型逆变器、oH7型逆变器和改进型H7逆变器使用的开关管的型号和总价如表4所示，各开关器件的损耗如表5所示，从表4可看到，改进型H7逆变器开关器件的成本较oH7型逆变器开关器件的成本高46元，较H7型逆变器开关器件的成本高63元。从表5可看到，虽然改进型H7逆变器对比H7型逆变器增加了3个钳位开关管，但由于钳位开关管仅在续流状态下开通，其作用只是钳位，不参与电路的功率交换，所以改进型H7逆变器开关管的总损耗较H7型逆变器仅增加了0.449 W。

因此综合考虑逆变器的漏电流的抑制效果、逆变器成本和逆变器效率，改进型H7逆变器具有一定的应用价值。

4 结 论

本文提出一种用于漏电流抑制的改进型H7逆变器，在H7型逆变器的基础上增加钳位电路后，共模电压的钳位性能更好。提出的共模电压高频控制方案不仅能实现共模电压变化区间在[UPV/3～2UPV/3]，还能保证共模电压的频率是开关频率的3倍，漏电流回路阻抗增加，漏电流的抑制效果更强。

［参考文献］

［1］ 张志. 光伏发电发展趋势分析［J］. 现代物业， 2018， 412（1）： 14.

ZHANG Z. Analysis on the development trend of photovoltaic power generation［J］. Modern property， 2018， 412（1）： 14.

［2］ 王玉楠， 张广太. 光伏发电并网及其相关技术发展现状与展望［J］. 风力发电， 2020（2）： 5-6.

WANG Y N， ZHANG G T. Photovoltaic power generation and its related technologies development status and prospect［J］. Wind power generation， 2020（2）： 5-6.

［3］ 许建峰， 曹庆仁. 中国分布式光伏并网发电现状及应用研究［J］. 能源与节能， 2020（6）： 51-54.

XU J F， CAO Q R. Research on the status and application of distributed photovoltaic grid-connected power generation in China［J］. Energy and energy conservation， 2020（6）： 51-54.

［4］ 张纯江， 贲冰， 李建， 等. 三相非隔离型Heric光伏逆变器漏电流抑制研究［J］. 电工技术学报， 2016， 31（17）： 113-120.

ZHANG C J， FEN B， LI J， et al. Leakage current suppression" " "for" " "three-phase" " "transformerless" " "Heric photovoltaic" " "inverter［J］." " "Transactions" " "of" " "China Electrotechnical Society， 2016， 31（17）： 113-120.

［5］ NABAE A， TAKAHASHI I， AKAGI H. A new neutral-point-clamped" "PWM" inverter［J］." IEEE" transactions" on industry applications， 2008， IA-17（5）： 518-523.

［6］ 郭小强， 朱铁影. 新型非隔离型三相三电平光伏并网逆变器及其漏电流抑制研究［J］. 电工技术学报， 2018， 33（1）： 26-37.

GUO X Q， ZHU T Y. Research on leakage current suppression of novel three-phase three-level non-isolated PV" inverter［J］." Transactions" of" China" Electrotechnical Society， 2018， 33（1）： 26-37.

［7］ CALAIS M， AGELIDIS V G， MEINHARDT M. Multilevel converters" for" single-phase" grid" connected" photovoltaic systems：" an" overview［J］. Solar" energy，" 1999，" 65（5）： 325-335.

［8］ 袁颖， 马海啸. 一种新型HERIC光伏逆变器漏电流抑制技术研究［J］. 微型机与应用， 2017（1）： 35-37.

YUAN Y， MA H X. A new HERIC PV inverter for restraining the leakage current［J］. Microcomputers and applications， 2017（1）： 35-37.

［9］ 马海啸， 张晓峰. 一种用于漏电流抑制的续流箝位型三相逆变器［J］. 电机与控制学报， 2020， 193（11）： 106-113.

MA H X， ZHANG X F. Freewheeling clamp three-phase inverter" "for" "leakage" "current" "suppression［J］." "Electric machines and control， 2020， 193（11）： 106-113.

［10］ 肖华锋， 王晓标， 张兴， 等. 非隔离光伏并网逆变技术的现状与展望［J］. 中国电机工程学报， 2020， 40（4）： 1038-1054.

XIAO H F， WANG X B， ZHANG X， et al. State-of-the-art and future trend of transformerless photovoltaic grid-connected inverters［J］. Proceedings of the CSEE， 2020， 40（4）： 1038-1054.

［11］ GUPTA A K， AGRAWAL H， AGARWAL V. A novel 3-phase transformerless H-8 topology with reduced leakage current" for" grid-tied" solar" "PV" "applications［J］." IEEE transactions on industry applications， 2019， 55（2）： 1765-1774.

［12］ 马海啸， 陈泽峰. 一种十开关低漏电流三相逆变器的研究［J］. 电工电能新技术， 2020， 39（6）： 26-33.

MA H X， CHEN Z F. Research on ten-switch three-phase inverter with low leakage current［J］. Advanced technology of electrical engineering and energy， 2020， 39（6）： 26-33.

［13］ 曹晨晨， 廖志凌. 共地型无漏电流单相非隔离光伏并网逆变器［J］. 中国电机工程学报， 2020， 40（4）： 1063-1072.

CAO C C， LIAO Z L. Common-ground-type single-phase transformerless" "PV" "grid-connected" "inverters" "with" "no leakage" currents［J］." Proceedings" of" the" CSEE，" 2020，" 40（4）： 1063-1072.

［14］ BIDRAM A， DAVOUDI A， BALOG R S. Control and circuit techniques to mitigate partial shading effects in photovoltaic" "arrays［J］." IEEE" "journal" of" "photovoltaics， 2012， 2（4）： 532-546.

［15］ CARRASCO J M， FRANQUELO L G， BIALASIEWICZ J T， et al. Power electronic systems for the grid integration of" " renewable" " energy" " sources：" "a" " survey［J］." "IEEE transactions on industrial electronics， 2006， 53（4）： 1002-1016.

［16］ SHEN J M， JOU H L， WU J C. Novel transformerless grid-connected power converter with negative grounding for photovoltaic" generation" system［J］. IEEE" transactions" on power electronics， 2012， 27（4）： 1818-1829.

［17］ FREDDY T K S， RAHIM N A， HEW W， et al. Modulation techniques" to" reduce" leakage" current" in" three-phase transformerless H7 photovoltaic inverter［J］." " "IEEE transactions on industrial electronics， 2015， 62（1）： 322- 331.

［18］ GUO X Q， WANG N， WANG B C， et al. Evaluation of" "three-phase" transformerless" DC-Bypass" PV" inverters" for leakage" "current" "reduction［J］." IEEE" "transactions" "on power electronics， 2020， 35（6）： 5918-5927.

［19］ TAMAS K， REMUS T， MARCO L， et al. Evaluation of three-phase transformerless photovoltaic inverter topologies［J］. IEEE transactions on power electronics， 2009， 24（9）： 2202-2211.

［20］ MARCELO C C， KLEBER C O， ALEXANDRE M F， et al. Modulation techniques to eliminate leakage currents in transformerless three-phase photovoltaic systems［J］. IEEE transactions on power electronics， 2010， 57（4）： 1360-1368.

AN IMPROVED H7 INVERTER FOR LEAKAGE CURRENT SUPPRESSION

Ma Haixiao，Ying Wen

（College of Automation and College of Artificial Intelligence， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

Abstract：In this paper， an improved H7 inverter topology for leakage current suppression is proposed to suppress the leakage current in the transformerless photovoltaic power generation system. Based on the topology of H7 inverter， a clamping circuit is added. The circuit is composed of three voltage divider capacitors with equal capacitance and three clamping switches. The clamping circuit can keep the common mode voltage of the inverter stable in the freewheeling state. At the same time， a high-frequency control scheme of common mode voltage is proposed， which increases the frequency of common mode voltage and the common mode loop impedance on the basis of the ensuring that the voltage of clamp point is UPV/3 or 2UPV/3. The common mode characteristics of the system is optimized and the leakage current suppression effect is better. A prototype with 200 W output per phase is built， and the correctness of the theoretical analysis is verified by saber simulation and hardware experiment.

Keywords：PV power； three phase inverter； leakage current； common mode voltage； switch status