前言

燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院河北省電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員郭小強(qiáng)、朱鐵影，在2018年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，在二極管中點(diǎn)鉗位型逆變器（NPC）的基礎(chǔ)上，提出一種新型非隔離型三相三電平光伏并網(wǎng)逆變器，并對(duì)其工作特性和漏電流特性進(jìn)行研究。

與NPC逆變器相比，新型逆變器的拓?fù)鋬H由十二個(gè)開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)直流側(cè)母線電容組成，比NPC逆變器少用了六個(gè)功率二極管，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化。為抑制其漏電流，在分析共模電壓和開(kāi)關(guān)狀態(tài)關(guān)系的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了傳統(tǒng)兩電平載波調(diào)制方案，提出一種新型單載波調(diào)制方案。分別通過(guò)并網(wǎng)仿真、并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)和感性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出拓?fù)涞目尚行耘c新型單載波調(diào)制策略的有效性。

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏逆變器將光伏板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并入電網(wǎng)或者供給負(fù)載。根據(jù)光伏逆變器中是否含有變壓器，可以分為隔離型光伏逆變器和非隔離型光伏逆變器。隔離型光伏逆變器由于變壓器的存在，使得整個(gè)逆變系統(tǒng)體積大、安裝難度大、成本高、系統(tǒng)效率低。

非隔離型光伏逆變器克服了隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的上述缺點(diǎn)，但變壓器的移除使得非隔離型光伏逆變器的光伏板和電網(wǎng)存在直接的電氣連接，產(chǎn)生漏電流問(wèn)題[1-7]。漏電流的存在增加了光伏系統(tǒng)的損耗，增大了并網(wǎng)電流的諧波含量，產(chǎn)生了嚴(yán)重的電磁干擾，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至可能威脅人身安全[8,9]。因此，解決非隔離型光伏逆變器的漏電流問(wèn)題成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)[10-15]。

在高電壓、大功率的場(chǎng)合，非隔離型三相三電平光伏逆變器具有開(kāi)關(guān)應(yīng)力小，損耗低，輸出電壓更接近正弦波，諧波含量小等特點(diǎn)。隨著電壓等級(jí)和功率等級(jí)的提高，非隔離型三相三電平光伏逆變器在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到了研究和應(yīng)用。

目前，三相三電平逆變器典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有中點(diǎn)鉗位型（Neutral-Point-Clamped,NPC）三電平逆變器、飛跨電容型（Fly Capacitor, FC）三電平逆變器、級(jí)聯(lián)型三電平逆變器等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

NPC逆變器是提出較早、技術(shù)較成熟的三電平逆變器，克服了兩電平逆變器在高電壓大功率場(chǎng)合的諸多缺點(diǎn)。但是為實(shí)現(xiàn)三電平的輸出，NPC三電平逆變器使用了較多的功率二極管[16]；FC三電平逆變器使用電容替換了NPC逆變器的六個(gè)鉗位二極管，簡(jiǎn)化了三相三電平逆變器，但是FC逆變器的飛跨電容的電壓均衡問(wèn)題制約著這類逆變器的推廣[17]；級(jí)聯(lián)型三電平逆變器既無(wú)NPC逆變器的鉗位二極管，又無(wú)FC逆變器的飛跨電容，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，但是級(jí)聯(lián)型三電平逆變器需要多路光伏板[18]。

近年來(lái)，有學(xué)者相繼提出了ANPC逆變器[19]和SI-NPC逆變器[20]。ANPC逆變器解決了NPC型逆變器的開(kāi)關(guān)損耗不均衡分布問(wèn)題，但增加了開(kāi)關(guān)管數(shù)量，增大了逆變器的損耗；SI-NPC逆變器解決了NPC逆變器橋臂直通問(wèn)題，但是每相使用兩個(gè)電感，增大了逆變器的體積和損耗。

綜上分析，上述非隔離型三相三電平光伏逆變器為實(shí)現(xiàn)三電平輸出，除開(kāi)關(guān)管和直流側(cè)母線電容外，都需要額外的輔助器件，如功率二極管、電容、電感等。輔助器件的使用會(huì)增加逆變器的硬件成本，增大逆變器的體積和損耗，降低系統(tǒng)的功率密度。因此，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、體積更小的新型非隔離型三電平逆變器有待研究。

依據(jù)NPC逆變器，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新型非隔離型三相三電平光伏并網(wǎng)逆變器，該逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由十二個(gè)開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)直流側(cè)電容組成，不需要額外的輔助器件。

為抑制該逆變器的漏電流，在分析其工作狀態(tài)和共模模型的基礎(chǔ)上總結(jié)出共模電壓和開(kāi)關(guān)狀態(tài)的關(guān)系，基于傳統(tǒng)的兩電平載波調(diào)制方案，設(shè)計(jì)了一種新型的單載波調(diào)制策略。最后通過(guò)并網(wǎng)仿真和帶載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該逆變器的可行性和新型單載波調(diào)制策略的有效性。

圖1 本文提出的NPSC光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

結(jié)論

本文提出了一種新型非隔離型中點(diǎn)鉗位型三相三電平光伏并網(wǎng)逆變器NPSC，分析了其工作原理和共模模型，設(shè)計(jì)了有效抑制漏電流的新型單載波調(diào)制方案，并分別進(jìn)行了并網(wǎng)仿真、并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)和感性實(shí)驗(yàn)。

依據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析，可得出如下結(jié)論：①逆變器拓?fù)溆墒€(gè)開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)直流母線電容組成，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)約了硬件成本，減小了逆變器的體積；②在傳統(tǒng)IPD和OPD調(diào)制方案下，NPSC1逆變器的漏電流不能得到有效抑制，而在新型單載波調(diào)制方案下，NPSC逆變器有效抑制了漏電流，具有較好的三電平輸出和較小的輸出電流諧波含量等特性。

綜合以上考慮，本文提出的NPSC逆變器具有一定的應(yīng)用前景。