共模漏电流的危害、成因及解决方法

在非隔离光伏并网系统中因为没有变压器作为隔离，光伏电池、光伏逆变器和电网通过光伏电池对地寄生电容形成了共模回路，如图9-10所示。在共模回路中的共模电压不断变化，引起共模回路中电容、电感充放电，从而使得在共模回路中产生较大的漏电流。

图9-10 光伏并网逆变器共模漏电流形成原理图

高频的漏电流会除了增加并网电流谐波以及系统损耗，还会产生以下危害：

1）对地下管道和其他地下设施造成危害。

2）改变土壤成分，对农作物生产和生态环境造成不良后果。

3）对电力系统产生重大影响，导致电力系统故障，还可能危及人员生命健康。

4）引起电磁干扰，影响通信设备正常工作。

5）对电气装置本身而言，会降低其效率和使用寿命。

目前抑制漏电流的方法大体可分为三种：第一种是支路分流的方法，顾名思义就通过增加漏电流支路的方法来减小漏电流。如带分离电容的三相全桥逆变器、直流侧中点和电网中点相连的三相NPC三电平逆变器等。第二种是增大共模回路阻抗的方法，在共模回路中共模电压变化幅值一定的情况下，增大共模回路阻抗可以在一定程度上降低漏电流幅值，达到抑制漏电流的目的。但是这种方法只能起到抑制漏电流的作用，而且一般需要在共模回路中串入比较大的电感才能有较好的抑制漏电流的效果。第三种是减小共模电压或保持共模电压恒定。因为在共模回路中，共模电压在开关频率级不断变化引起共模回路中电容电感充放电，从而引起共模电流，也就是说共模电压的存在是产生漏电流的根本原因。如果能减小共模电压或是保持共模电压恒定可以得到很好的抑制漏电流的效果。目前减小共模电压或保持共模电压恒定的方法一般是改进逆变器的拓扑结构和改进调制技术两种策略。下面对上述几种方法分别进行介绍。

9.1.2.1 支路分流法

支路分流法是在光伏电池两端并联两个电容，然后连接电容中点与电网中点，分离电容的三相全桥逆变器和三相NPC三电平逆变器如图9-11和图9-12所示。这样在共模回路中，光伏电池对地寄生电容和光伏电池两端电容是并联的。由于光伏电池并联电容比较大，电容电压波动比较小，这样就起到了钳位共模电压的作用，所以漏电流也很小。光伏电池并联电容远远大于对地寄生电容，因此大部分漏电流都会通过直流侧中点进入光伏电池并联电容，进一步减小漏电流。但是在实际应用中，直流侧中点通过大地与电网中点连接，连接线中必然会有大地阻抗。大地阻抗的存在使光伏电池对地寄生电容两端的电压产生波动，由此也会产生较大漏电流，所以支路分流的方法有待进一步改进。

图9-11 带分离电容的三相全桥逆变器

图9-12 三相NPC三电平逆变器

9.1.2.2 增大共模回路阻抗

共模滤波器是抑制共模干扰的传统方法，共模回路阻抗加大，对于高频成分，就有良好的抑制效果，如图9-13所示。光伏电池漏电流主要由开关次谐波成分组成，共模电感需要对开关分量进行抑制，电感值较大才能达到理想的抑制效果。

9.1.2.3 减小共模电压或保持共模电压恒定

1.改进拓扑结构

通过改进拓扑来达到共模电压恒定，抑制漏电流的方法主要应用在单相光伏逆变器中。而改进拓扑的基本思想是：通过构造新的续流回路，使光伏电池和电网断开连接，此时逆变器输出电压为零，光伏电池和电网之间没有能量流动，电网的能量通过续流回路流通，在使逆变器的输出电压保持不变或者变化很小，从而有效抑制漏电流的产生。按照续流回路的不同，可分为直流旁路拓扑和交流旁路拓扑，直流旁路拓扑主要有：H5、H6和FB-DCBP。交流旁路拓扑主要有：HERIC和FB-ZVR。下面分别对这些拓扑加以介绍。

图9-13 带共模电感的光伏逆变器

图9-14 H5拓扑结构

（1）直流旁路拓扑

在直流旁路拓扑中，H5拓扑最为简单，只是在直流侧和桥臂之间增加了一个功率器件，因此H5拓扑所用元器件少，成本较低。但是在逆变器输出非零电压时，三个功率器件同时导通，增加了导通损耗，其拓扑结构如图9-14所示。其基本工作过程如下：当调制波u_m处于正半周期时，VT₁、VT₄、VT₅导通，VT₂和VT₃关断时，输出电压U_AB=E，共模电压U_COM=E/2；当VT₁和VT₃导通，VT₂、VT₄和VT₅关断时，输出电压U_AB=0，共模电压U_COM≈E/2。当调制波u_m处于负半周期时，VT₂、VT₃、VT₅导通时，VT₁和VT₄关断时，输出电压U_AB=-E，共模电压U_COM=E/2；当VT₁和VT₃导通，VT₂、VT₄和VT₅关断时，输出电压U_AB=0，共模电压U_COM≈E/2。其开关状态和共模电压的关系见表9-1。

表9-1 H5开关状态和共模电压

H6拓扑相对于H5而言，增加了一个功率开关管和两个续流二极管，其拓扑如图9-15所示，不同状态和共模电压的关系见表9-2。

图9-15 H6拓扑结构

表9-2 H6开关状态和共模电压

图9-16 FB-DCBP拓扑结构

FB-DCBP拓扑结构中有六个功率器件和两个钳位二极管，其拓扑结构如图9-16所示，开关状态和共模电压关系见表9-3。

表9-3 FB-DCBP开关状态和共模电压

（2）交流旁路拓扑

交流旁路拓扑中，HERIC拓扑在传统全桥逆变器拓扑的基础上，在逆变器输出端增加了两个反向串联的开关器件，其拓扑结构如图9-17所示。当VT₁～VT₄关断，VT₅或者VT₆开通时，逆变器输出电压为零，光伏电池与交流电网断开连接，此时输出电压等于0，共模电压U_COM≈E/2。当功率器件VT₁、VT₄和VT₆导通，其他功率器件关断时，输出电压为E，共模电压U_COM=E/2。当功率器件VT₂、VT₃和VT₅导通，其他功率器件关断时，输出电压为-E，共模电压U_COM=E/2，开关状态和共模电压关系见表9-4。

(www.xing528.com)

图9-17 HERIC拓扑结构

表9-4 HERIC开关状态和共模电压

全桥零电压整流拓扑（FB-ZVR）拓扑与HERIC拓扑结构和工作原理相似，只是在逆变器的输出端连接了一个开关管，并在开关管的两端并联了一个整流桥，如图9-18所示。开关状态和共模电压关系见表9-5。

图9-18 FB-ZVR拓扑结构

表9-5 FB-ZVR开关状态和共模电压

2.改进调制策略

（1）单相逆变电路调制策略

在单相全桥逆变电路（见图9-1）中，存在单极性和双极性调制。在单极性调制中，A相功率器件工作在开关频率，B相功率器件工作在基波频率。在调制波的正半周期，VT₄一直开通，VT₁和VT₂高频交替工作，共模电压U_COM在E/2和0之间变化；在调制波的负半周期，VT₃一直开通，VT₁和VT₂高频交替工作，共模电压U_COM在E/2和E之间变化。

在双极性调制中，四个开关管都工作在开关频率，对角线上的功率器件驱动信号相同。在正半周期U_AN=E，U_BN=0，输出的共模电压U_COM=E/2；在负半周期U_AN=0，U_BN=E，输出的共模电压U_COM=E/2。在整个基波周期共模电压恒定，可以使漏电流为零。

不同调制方法下的共模电压见表9-6。

表9-6 单相全桥逆变器共模电压

单极性调制中一个桥臂的功率器件工作在基波频率，另一桥臂功率器件工作在开关频率，开关损耗比较小，但是共模电压是变化的，会产生较大的漏电流。双极性调制的共模电压是恒定的，理论上可使漏电流为零，但是双极性调制中的四个功率器件均工作在开关频率，开关损耗比较大。

（2）三相逆变电路调制策略

图9-19为三相桥式逆变器拓扑，定义共模电压U_COM=（U_AN+U_BN+U_CN）/3。在三相桥式逆变器中，根据所使用的矢量可以将调制技术分为传统PWM调制、减小共模电压调制和恒定共模电压调制。

图9-19 三相桥式逆变器

1）传统PWM调制策略。传统PWM调制，包括载波PWM调制和空间矢量（SVM）调制，这两种调制技术用到了三相桥式逆变器中所有的基本电压矢量，共模电压变化的幅值最大。传统PWM调制的基本电压矢量及其共模电压见表9-7。

表9-7 三相桥式逆变器基本电压矢量及其共模电压

2）减小共模电压调制策略。减小共模电压调制技术选择非零矢量进行调制，包括AZSPWM（Active-zero-state PWM）和NSPWM（near-state PWM）两种方式，这两种调制方式的共模电压只在E/3和2E/3之间变化，变化幅度低于表9-7所示的传统载波PWM和SVM。

AZSPWM电压合成原理如图9-20所示，基本矢量作用顺序见表9-8。在图9-20a中，在相邻矢量间进行矢量切换，共模电压变化幅值是E/3，变化频率是三倍的开关频率；在不相邻的矢量间进行矢量切换，共模电压变化幅值是E/3，变化频率是开关频率；图9-20b使用三个非零矢量合成基准矢量，共模电压变化幅值是E/3，变化频率是开关频率。

图9-20 AZSPWM矢量合成原理

表9-8 AZSPWM基本电压矢量作用顺序

在NSPWM中，选择距离基准矢量最近的基本电压矢量，以及与该电压矢量相邻的两个基本电压矢量来合成基准电压矢量，矢量合成原理如图9-21所示，基本矢量作用顺序见表9-9。共模电压变化幅值是E/3，变化频率是两倍的开关频率。

表9-9 NSPWM基本电压矢量作用顺序

图9-21 NSPWM矢量合成原理

3）恒定共模电压调制策略。恒定共模电压调制技术采用奇数电压矢量（V₁、V₃、V₅）或者偶数电压矢量（V₂、V₄、V₆）合成基准电压矢量。由表9-7可知，奇数电压矢量的共模电压，偶数电压矢量的共模电压E。因此，仅采用奇数电压矢量或偶数电压矢量的调制方式可以在整个基波周期内保持共模电压恒定，其电压合成原理如图9-22所示。在表9-10中，方式一和方式二在一个基波周期内均使用奇数基本电压矢量来合成基准电压矢量，共模电压幅值，方式一电压矢量作用顺序始终不变，方式二电压矢量作用顺序是变化的。

图9-22 恒定共模电压调制矢量合成方式

表9-10 RSPWM基本电压矢量作用顺序

在上述几种抑制漏电流的调制技术中，恒定共模电压调制通过改进调制技术保证共模电压恒定，对漏电流的抑制效果是最好的，理论上可以使漏电流为零。但是这种调制方式的直流电压利用率比较低，调制度需在0.52以下。