不同调制技术下H6-II型无变压器逆变器功率注入能力与漏电流特性研究

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Investigation of power injection capability and leakage current of H6-II type inverter with different modulation techniques

本研究针对并网光伏系统中无变压器逆变器面临的漏电流管理和无功功率支持需求，通过仿真分析H6-II型逆变器在不同调制策略下的性能表现。研究人员系统评估了SPWM、HPWM等调制技术及传统/增强型调制方法对系统效率、THD、共模电压和漏电流的影响规律。结果表明增强调制方法能有效控制THD在5%以内，而传统调制方法在效率方面更具优势，为优化逆变器设计提供了重要依据。

　　

随着全球对可再生能源需求的日益增长，光伏发电系统作为清洁能源的重要代表，正以前所未有的速度融入现代电网。然而，传统的光伏逆变器通常采用变压器进行电气隔离，这不仅增加了系统的体积、重量和成本，还降低了能量转换效率。无变压器逆变器应运而生，以其高效率和紧凑结构成为研究热点，但同时也带来了新的技术挑战——其中最突出的就是漏电流问题。

漏电流的存在不仅会导致能量损耗，还可能对人身安全构成威胁，并影响电网的电能质量。国际标准（如VDE 0126-1-1）对漏电流有严格的限值要求，如何将漏电流控制在安全范围内成为无变压器逆变器设计的关键。另一方面，随着光伏系统在电网中渗透率的提高，仅提供有功功率已不能满足电网稳定运行的需求，逆变器还需要具备无功功率支撑能力，以帮助调节电网电压和提高系统稳定性。

在这双重挑战下，来自卡拉德尼兹技术大学的Pelin Turkmen和Emre Ozkop在《Engineering Science and Technology, an International Journal》上发表了他们的最新研究成果，系统探讨了H6-II型无变压器逆变器在不同调制技术下的性能表现。他们不仅关注传统的效率和谐波失真等指标，还特别研究了无功功率注入能力与漏电流控制之间的平衡关系。

研究人员主要采用了仿真建模与对比分析方法，在Matlab/Simulink环境中构建了完整的单相H6-II型并网逆变器系统模型。通过设计多种调制方案（包括SPWM、HPWM等调制技术，传统与增强型调制方法）和载波信号组合，系统评估了不同工况下逆变器的关键性能指标。研究特别引入了欧洲效率和加州效率等加权效率指标，以更真实地反映逆变器在实际运行条件下的性能表现。

调制技术与功率注入能力

研究发现，在主动功率注入模式下，所有调制方案都能将输出电流的总谐波失真(THD)控制在5%的标准限值内。其中，采用增强调制方法（MApp-4）结合SPWM技术和CS-3载波信号的组合（Cond-10）表现出最低的THD值。而在效率方面，传统调制方法（如Cond-5：HPWM+MApp-1+CS-4）则展现出优势，获得了最高的传统效率、欧洲效率和加州效率。

当切换到无功功率注入模式时，增强调制方法（MApp-4、MApp-5、MApp-6）依然能保持THD在标准范围内，而传统调制方法则导致THD显著超标，输出电流波形严重畸变。这一发现表明，增强调制方法在实现无功功率支持方面具有明显优势，为逆变器在电网支持功能方面的应用提供了技术依据。

共模电压与漏电流特性

研究团队详细分析了不同调制方案对共模电压(V_CM)和漏电流(i_cm)的影响。结果显示，共模电压值在所有工况下都接近V_dc/2，其中Cond-16在无功功率注入时偏差最大，而Cond-9、10、11在两种功率注入模式下都表现出最小的偏差。

在漏电流方面，研究考察了两种寄生电容值（C_fv=400nF和18nF）的情况。当C_fv=400nF时，Cond-3在主动功率注入下录得最低漏电流（34.54mA），而传统和增强离散调制方法（MApp-2、MApp-3、MApp-5、MApp-6）的漏电流值都超过了300mA的标准限值。将C_fv减小到18nF后，漏电流显著降低，Cond-12在主动功率注入下达到最低值2.0106mA，但离散调制方法依然超标。值得注意的是，HPWM调制技术在两种功率注入模式下都表现出最低的漏电流值。

研究结论与意义

这项研究首次将传统离散（MApp-2、MApp-3）和增强离散（MApp-5、MApp-6）调制方法引入H6-II型逆变器的研究中，并提出了三种新型载波信号波形（CS-4、CS-5、CS-6）。研究结果表明，调制策略的选择需要在THD性能、效率和漏电流控制之间进行权衡：增强调制方法在THD控制方面表现优异，特别适合无功功率注入应用；而传统调制方法在效率方面更具优势，适合以效率为首要目标的场景。

特别重要的是，研究发现离散调制方法虽然能满足THD标准，但其漏电流值无法满足电网要求，这为逆变器设计提供了重要警示。此外，寄生电容值对漏电流有显著影响，在实际系统设计中应予以充分考虑。

该研究为光伏逆变器设计师提供了全面的调制方案选择指南，特别是在需要同时满足高效率、低谐波失真和严格漏电流限制的应用场景中。研究结果对推动无变压器逆变技术在智能电网中的更广泛应用具有重要意义，为未来可再生能源系统的高效、安全集成提供了理论依据和技术支持。研究人员建议后续工作可进一步探索不同优化方法和控制算法对系统性能的影响，并在更接近实际条件的场景下进行验证。