单相光伏并网系统的拓扑结构简介

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。