An Optimized H5 Hysteresis Current Control with Clamped Diodes in Transformer-less Grid-PV Inverter

📄 arXiv: 2410.04836v2 📥 PDF

作者: Sushil Phuyal, Shashwot Shrestha, Swodesh Sharma, Rachana Subedi, Anil Kumar Panjiyar, Mukesh Gautam

分类: eess.SY

发布日期: 2024-10-07 (更新: 2024-10-26)

期刊: MDPI Electricity, Volume 6 (2025)

DOI: 10.3390/electricity6010001

💡 一句话要点

提出一种基于钳位二极管的优化H5滞环电流控制逆变器，用于无变压器并网光伏系统。

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 光伏逆变器 无变压器拓扑 H5逆变器 滞环电流控制 共模电压 漏电流抑制 钳位二极管

📋 核心要点

  1. 无变压器光伏逆变器虽有优势，但缺乏电气隔离导致漏电流问题，影响效率和安全。
  2. 提出HCH5-D2拓扑，通过钳位二极管在续流期间解耦交流和直流部分，稳定共模电压。
  3. MATLAB仿真结果表明，所提出的2.2kW HCH5-D2逆变器系统相比传统H4逆变器性能更优。

📝 摘要（中文）

随着可再生能源在电网中渗透率的提高，光伏（PV）面板通过逆变器连接到电网以提供太阳能。无变压器并网光伏逆变器因其更高的效率、更小的尺寸和更低的成本而越来越受欢迎。然而，由于光伏和电网部分之间缺乏电气隔离，它们可能导致漏电流的产生。这会导致严重的电磁干扰、效率损失和安全问题。漏电流主要受共模电压（CMV）的影响，而共模电压由逆变器的开关技术决定。本文提出了一种新型的具有滞环控制和两个钳位二极管的H5逆变器拓扑（HCH5-D2）。HCH5-D2拓扑有助于在续流期间解耦交流部分（电网）和直流部分（光伏），从而使共模电压保持恒定，进而减少漏电流。此外，额外的二极管有助于减少续流期间产生的电压尖峰，并将共模电压维持在一个恒定值。最后，通过MATLAB仿真展示了一个2.2kW并网单相HCH5-D2光伏逆变器系统，与传统的H4逆变器相比，结果更好。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决无变压器并网光伏逆变器中由于缺乏电气隔离而产生的漏电流问题。现有的无变压器逆变器拓扑在开关过程中会产生变化的共模电压，这是导致漏电流的主要原因。漏电流会引起电磁干扰，降低系统效率，并带来安全隐患。

核心思路：论文的核心思路是通过设计一种新型的H5逆变器拓扑（HCH5-D2），利用两个钳位二极管在续流期间将交流侧（电网）和直流侧（光伏）解耦，从而使共模电压保持恒定。通过保持共模电压恒定，可以有效地抑制漏电流的产生。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分：首先，提出HCH5-D2逆变器拓扑结构，该拓扑结构在传统的H5逆变器基础上增加了两个钳位二极管。其次，设计滞环电流控制策略，用于控制逆变器的开关状态，从而实现对电网电流的精确控制。最后，通过MATLAB/Simulink进行仿真验证，对比HCH5-D2逆变器与传统H4逆变器的性能。

关键创新：该论文的关键创新在于HCH5-D2逆变器拓扑结构的设计，以及利用钳位二极管实现交流侧和直流侧解耦的策略。与传统的H4逆变器相比，HCH5-D2逆变器能够有效地抑制共模电压的变化，从而减少漏电流。此外，滞环电流控制策略的应用也提高了电流控制的精度和响应速度。

关键设计：HCH5-D2拓扑的关键设计在于两个钳位二极管的连接方式，它们被设计成在续流期间将交流侧和直流侧隔离。滞环电流控制的关键参数包括滞环带宽，该参数决定了电流的控制精度和开关频率。仿真中，采用了2.2kW的单相并网系统，并对逆变器的开关频率、电感、电容等参数进行了优化设计。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过MATLAB仿真验证了所提出的HCH5-D2逆变器的有效性。仿真结果表明，与传统的H4逆变器相比，HCH5-D2逆变器能够显著降低漏电流，并保持共模电压的稳定。虽然文中没有给出具体的漏电流降低百分比，但明确指出HCH5-D2逆变器在抑制漏电流方面表现更好。此外，钳位二极管的使用有效地抑制了电压尖峰，提高了系统的可靠性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种规模的无变压器并网光伏发电系统，尤其适用于对漏电流抑制有较高要求的场合，如住宅光伏系统、商业光伏系统等。通过降低漏电流，可以提高光伏系统的效率和安全性，减少电磁干扰，从而促进光伏发电的广泛应用。未来，该技术有望进一步推广到其他类型的电力电子变换器中。

📄 摘要（原文）

With the rise of renewable energy penetration in the grid, photovoltaic (PV) panels are connected to the grid via inverters to supply solar energy. Transformer-less grid-tied PV inverters are gaining popularity because of their improved efficiency, reduced size, and lower costs. However, they can induce a path for leakage currents between the PV and the grid part due to the absence of galvanic isolation between them. This leads to serious electromagnetic interference, loss in efficiency and safety concerns. The leakage current is primarily influenced by the nature of the common mode voltage (CMV), which is determined by the switching techniques of the inverter. In this paper, a novel inverter topology of Hysteresis Controlled H5 with Two Clamping Diodes (HCH5-D2) has been derived. The HCH5-D2 topology helps to decouple the AC part (Grid) and DC part (PV) during the freewheeling to make the CMV constant and in turn, reduces the leakage current. Also, the additional diodes help to reduce the voltage spikes generated during the freewheeling period and maintain the CMV at a constant value. Finally, a 2.2kW grid-connected single-phase HCH5-D2 PV inverter system's MATLAB simulation has been presented with better results when compared with a traditional H4 inverter.