A Review of Novel Leakage Current Suppression Techniques for Transformerless Photovoltaic Inverters

漏电流抑制是无变压器型光伏并网系统需要解决的关键问题之一。VDE-0126-1-1标准规定,漏电流高于300 mA时光伏并网系统必须在0.3 s内从电网中切除。为了解释漏电流的根源,建立系统共模电压数学模型,在此基础上分析漏电流产生的原因,探讨不同调制策略对漏电流的影响,然后介绍几种典型的、能够有效抑制漏电流的电路拓扑结构,并分析各种拓扑的工作原理和特点。最后对漏电流抑制技术方面的发展趋势做了展望。

双频永磁电机驱动器的共模环流抑制方法

永磁同步电机正往高速化、高压化的方向发展,这会导致电机电流的开关纹波增大、电机损耗增加。然而,考虑到大功率电机驱动器的开关损耗,无法通过直接提高开关频率的方式降低开关纹波。双频永磁电机驱动器可以有效解决大功率和高开关频率之间的矛盾。为了抑制双频逆变器内部的共模环流,降低高频逆变器的容量需求,对共模环流产生的原因进行详细的分析,并提出一种共模环流抑制方法,通过在高频逆变器的输出电压中注入零轴分量,有效降低共模环流,从而减小功率器件的容量和损耗。通过仿真和实验,详细地验证所提方法的有效性。

频率自适应的构网型变流器宽频带谐波电压抑制策略

传统构网型变流器在复杂电网阻抗、非线性负载的应用场景下的输出电压会存在较大谐波而不满足电能质量要求。然而,传统构网变流器的控制目标在于维持基波电压幅值和频率的稳定,公共耦合点谐波电压的问题被忽略。为了提升构网变流器对谐波电压的抑制能力,该文提出了一种宽频带的谐波电压消除策略。该策略在主要的谐波电压频率范围内均保持足够的增益,且与基波控制解耦。此外,所提策略不依赖于自适应谐振控制器、重复控制器中的谐波电压频率提取环节而对频率变化的谐波电压进行抑制,简化了控制器结构,使其便于工程实施。该文推导的构网变流器的小信号分析和阻抗模型也证明了所提策略在和基波控制解耦的同时有效地提升了谐波电压抑制能力。最后,通过实验验证了理论分析的准确性和有效性。

非隔离型低压柔性潮流转供装置共模电流直接闭环抑制策略

非隔离型低压柔性潮流转供装置具有可主动调节配电网潮流、改善电能质量等功能,因其高效率、低成本、高功率密度等优势受到了高度关注。但多端变流器脉宽调制及动态耦合效应会产生复杂共模环流,影响系统安全稳定。为了克服这一难题,提出一种基于开关周期平均共模电压直接调制的共模环流指定谐波闭环抑制策略。首先,建立非隔离型柔性潮流转供装置的精准共模电路模型,分析阻抗和主导次共模环流特性,揭示了开关周期平均共模电压和共模环流的关联性;其次,通过双侧变流器零矢量协调分配实现了等效平均共模电压的精准调节,在不影响差模电流动态调节的基础上实现了指定次共模环流的闭环抑制调控;最后,通过实验验证了该方法的可行性和有效性。

开绕组永磁同步电机的无模型电流预测控制策略

针对共母线型开绕组永磁同步电机的零序电流和模型电流预测控制中电机参数易受影响的问题,提出了一种无模型电流预测策略。首先,将电流预测控制与无模型控制结合,引入线性状态观测器对系统扰动进行估计;其次,使用价值函数以及电压矢量扇形策略选择最佳基本电压矢量和作用时间,且通过非零矢量产生的零序电压和参考值的差量得到补偿的零序电压,并选择计算其注入的混合零矢量以及作用时间;最后,用滑模控制改进状态误差反馈的自抗扰控制来代替速度环的PI控制。仿真结果表明,该改进方法使零序电流的波动范围缩小在0.2 A之间,提高了系统的响应速度,验证了此方法的有效性和可行性。

一种高线性度高精度的ZOOM模数转换器设计

高线性度、高精度的模数转换器(ADC)在传感器应用中具有重要作用。设计了一款针对低频信号检测的ZOOM ADC,其带宽为1 kHz。该ADC架构结合了5 bit的SAR ADC和12 bit的二阶增量型Sigma Delta ADC,利用增量型Sigma Delta ADC的周期性复位特征及采样前端引入的采样保持模块,提升了整体ADC的线性度。在SAR ADC设计中,采用了基于共模电压的电容开关时序的数模转换器(DAC)阵列;在增量型Sigma Delta ADC设计中,采用高能效电流饥饿型运算放大器进行积分器设计,有效降低了系统功耗。采用SMIC 40 nm工艺,系统时钟为256 kHz, 1 kHz带宽下的信噪比为93.2 dB、有效位数为15.19 bit。等间隔输入模拟直流信号,ZOOM ADC的输入输出曲线呈现出良好的线性度。

H6 Non-isolated Full Bridge Grid-connected PV Inverters With Low Leakage Currents

为满足非隔离光伏并网发电系统对共模漏电流的限制，提出一种六开关逆变器拓朴（H6拓扑）。所提出的H6拓扑在功率传输模态时，进网电流半个工频周期流过3支开关管，而另半个工频周期流过2支开关管，故相对于H5拓扑，降低了通态损耗，有利于热应力均衡，且仍满足续流阶段光伏电池输出端与电网脱离的要求。详细分析拓扑的工作原理，并推论给出H6非隔离光伏并网逆变器的其它3种拓扑结构；比较分析了H5拓扑、Heric拓扑和H6拓扑的损耗和成本。通过1kW通用样机平台对比验证了上述3种拓扑的效率和共模特性。实验结果表明，H6拓扑的变换效率高于H5拓扑、但略低于Heric拓扑，共模特性优于Heric拓扑、但略劣于H5拓扑。

Buck Converter Current Measurement Using Differential Amplifier

The accuracy of the measured current is a preeminent parameter for Current Control based Power Converter applications to ensure genuine operation of the designed converter.The current measurement accuracy can be affected by several parameters which includes the type of technology used,components used for the selected technology,aging,usage,operating and environmental conditions.The effect of gain resistors and their manufacturing tolerances on differential amplifier-based buck converter current measurement is investigated in this work.The analysis mainly focused on the output voltage variation and its accuracy with respect to the change in gain resistance tolerances.The gain resistors with 5%,1%,0.5%and 0.1%manufacturing tolerances taken for the worst-case analysis and the calculated performance results are compared and verified with the simula-tion results.The Operational amplifiers(Op-Amp)for high frequency power con-verter applications must operate in a high frequency noise environment and the intended current measuring system must manage common mode noise distur-bances paired with the signal to be measured.Based on the Common Mode Rejec-tion Ratio(CMRR)the common mode voltages and noise signals will effectively getfiltered out.Lesser CMRR results in lower common mode signal rejection,resulting in poor precision and noise rejection.In differential amplifiers,the CMRR predominantly depends on gain resistors.So,the variations in Common Mode Rejection Ratio due to gain resistor tolerances also analyzed and compared with the output voltage variations.Besides the effects of resistor tolerances,this paper also examines the effect of Op-Amp offset voltage on output accuracy spe-cifically for low magnitude input currents.The obtained results from this analysis clearly shows that the gain resistors with 0.1%tolerance gives maximum accuracy with improved CMRR and accuracy at low magnitude input currents will get well improved by using Op-Amps with Low Offset voltage specifications.

基于总线同步的多驱动系统漏电流分析与抑制

多驱动系统中漏电流的大量存在是影响数控加工装备长期稳定运行的重要因素,提出了一种邻消抑制措施,能够有效减少多驱动系统中漏电流,避免漏电保护装置频繁触发。该措施采用PWM调制策略,将空间位置相邻的两个驱动单元的共模电压矢量方向反向,以抵消它们之间的高频共模电压分量,从而有效地抑制了多驱动系统的漏电流。主要创新之处采用了一种软件控制的方式实现了对多驱动系统漏电流的抑制,该措施不但可以有效地抑制漏电流,而且实现成本低。实际测试平台的结果表明,邻消抑制措施在多驱动系统中能够有效降低70%~80%的漏电流,保证了多驱动系统的稳定运行。

CR200J型动车组DC110V漏电误报检测故障研究

CR200J型动车组运行以来,多次发生拖车DC110V漏电流检测报警问题,亟待进行故障原因分析与解决。从列车供电原理和直流漏电流传感器检测原理出发,对漏电报警的原因进行分析,首先通过漏电流传感器电流响应特性测试验证了漏电检测误报的可能性,然后开展动车组DC110V漏电故障在线监测试验,明确了该故障为漏电检测误报,最后结合DC110V回路对地阻抗特性试验,从电磁兼容角度对漏电检测报警原因进行综合分析。研究结果表明:漏电检测报警并非真实漏电,漏电时刻DC110V供电线产生幅值较大的频率为2.0~4.5 kHz的共模干扰电流,且漏电报警车辆在该频段阻抗仅为3~8Ω,远小于正常车辆的阻抗28~40Ω,导致DC110V线路中2.0~4.5 kHz共模电流超过0.5 A,直流漏电流传感器检测到此干扰信号后不能滤除该信号,造成漏电检测误报警。根据漏电误报的产生原因,从干扰源抑制和检测方式两方面提出以下改进建议:改进DC110V线路滤波器在此频段阻抗特性,降低共模干扰幅值;优化直流漏电流传感器,减少传感器误报。

一种高共模电压集成差分放大器的设计

针对差分放大器芯片国产化的需求,基于兼容金属薄膜电阻40 V双极工艺,设计一款高共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR)、±120 V共模输入电压的集成差分放大器。文章介绍了高共模电压差分放大器的基本原理和结构组成,分析了差分放大器的设计难点,分别为共模抑制比、输入失调电流以及增益误差,采用片内集成金属薄膜电阻结合激光在线修调技术实现高共模抑制比、通过改进型的基极电流补偿结构降低了输入失调电流,减少输入失调电流对电路采样精度的影响,采用改进型达林顿管提高放大器的开环增益,降低放大器的增益误差。整体芯片尺寸为2.82 mm×2.02 mm,采用±15 V双电源供电,静态电流为1.36 mA。流片后的测试结果表明:差分放大器在正常供电时,共模抑制比达到85 dB,输入失调电流仅为84 pA,失调电流的补偿精度达到98.1%,增益误差为0.02%。

开绕组六相永磁同步电机模型预测电流控制

针对六相永磁同步电机模型预测电流控制中存在固有的共模电压较大和计算量繁重的问题,提出了一种开绕组六相永磁同步电机模型预测电流控制方法。首先,将六相永磁同步电机绕组的中性点打开并接入两个六相电压源逆变器,形成双逆变器馈电的开绕组结构,目的是抵消逆变器之间共模电压。其次,双逆变器馈电会产生繁多的电压矢量,从中选出具有零共模电压性质的矢量。在此基础上,又考虑了x-y平面的谐波电流问题和母线电压利用率的问题,将矢量集精简为一个包含7个电压矢量的控制集,减少了计算负担。最后,通过与现存的传统六相永磁同步电机模型预测电流控制方法进行对比仿真,证明了所提出方法的有效性。

一种共地型高增益无变压器光伏逆变器

提出一种用于光伏发电的单相无变压器逆变器,其输入端和输出端之间共地,从而消除了光伏系统中的共模电流。同时,该逆变器的电压增益高于传统单相准Z源逆变器。此外,利用薄膜电容使逆变器更可靠,并延长其使用寿命。详细分析了该逆变器的工作原理,最后,搭建了一台140 W的实验样机,在孤岛和并网2种运行模式下验证了所提逆变器拓扑的正确性和控制策略的有效性。

非隔离型低压柔性互联装置的低频地线环流产生机理及抑制策略

柔性互联装置是实现低压配电网潮流优化和新能源高效消纳的关键装备,有必要去除隔离变压器以提高效率和功率密度。但实际运行中面临严重的地线环流问题,恶化装置电能质量和安全稳定运行能力。为此,建立了低压配电网直接接地和变流器调制算法影响下非隔离型柔性互联装置地线环流分析数学模型,揭示了变流器共模电压注入、电网运行工况差异产生基波和三次谐波地线环流的机理。在此基础上,给出了一种闭环抑制方法,通过比例–多模谐振控制器对地线环流进行闭环控制,并通过改进的载波调制算法在逆变侧各桥臂中注入附加的共模电压信号,以维持双侧变流器的共模电压平衡,进而消除低频地线环流。控制器在环的半实物仿真结果表明,采用所提控制策略后,不同电网工况下非隔离型柔性互联装置的低频地线环流均得到充分抑制,有效提升了装置的电能质量和运行可靠性。

平衡位移电流技术在中央空调的应用

为解决中央空调在通讯中的噪音问题,本文分析通讯回路和开关电源回路的原理,得到中央空调基板初次级之间的Y电容会形成共模干扰,造成通讯噪音。为去除Y电容,基于开关电源电磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)技术,采用平衡位移电流技术和双维度黄金分割法,在不改变电路架构的情况下,完成了中央空调基板去Y电容的技术升级迭代,基板上的EMC解决方案由原来的被动滤波变成了主动降噪。

变频调速系统应用中漏保误跳解决方案

现变频调速系统应用中的电源端漏保误跳的问题,行业里通常采用变频器输出端增加有源滤波器,来消除变频器输出端的共模电压。这种方案可以从根源消除共模电压,缺点是成本高,设计复杂,体积大,不能普遍应用。本文通过对共模电压的分析以及给出共模电压表达式,提出一种改变共模电流耦合回路的方案,减小流过漏电保护开关的共模电流,并且理论计算结果与实际测试结果在趋势上是保持一致的,验证了本方案可以解决漏保误跳的问题。

PWM逆变器共模干扰电流的衰减和抑制

PWM逆变器在IGBT高速开关瞬间,会使桥臂中点对参考地形成很大的dv/di,由于寄生电容的作用,PWM逆变器会对参考地产生很大的充放电电流。基于对共模电流的源和传播途径的研究,把共模电流回路等效为LCR串联谐振电路,简化了共模电流的分析。文中同时分析了在共模回路中插入共模电感对共模电流的影响。借鉴在PWM逆变器与电机之间插入共模变压器衰减轴电流的方法,提出在逆变器直流侧插入共模变压器来抑制共模电流的振荡。从时域和频域的角度对比分析了用共模电感和共模变压器衰减共模电流的本质。实验结果验证了理论分析的正确性。

单相非隔离型光伏并网系统中共模电流抑制的研究

首先分析了无变压器的光伏并网系统中产生共模电流的原因,从单相半桥和全桥拓扑结构出发,在得出共模电流抑制基本规律的基础上,研究了几种能有效抑制共模电流的拓扑结构,并提出一种能够抑制共模电流的混合桥臂拓扑,通过仿真验证了该方案的正确性。最后,对这几种拓扑结构的损耗进行了比较研究。

PWM变频器输出共模电压及其抑制技术的研究

PWM 逆变器在应用中产生的共模电压将影响系统的可靠运行。文中研究了电压源型PWM 变频器产生的共模电压及其负面效应产生机理,揭示了共模电压产生的原因及其抑制方法,并得出共模电压是变频器输出负面效应产生的主要根源的结论,为滤波器的设计提供理论依据。根据共模电压是由一系列高频谐波组成这一特性,提出了一种新颖的逆变器输出前馈有源滤波器结构,可有效地消除了变频器输出共模电压的负面效应,实验验证了这种结构的有效性。

PWM驱动感应电机轴电压轴承电流

文中建立了PWM驱动感应电机系统的集总参数共模等效电路模型,并给出了等效电路关键参数的计算公式。以3kW变频电机为研究对象,通过仿真和实验验证了PWM驱动感应电机的共模等效电路和关键参数计算值的正确性。分析了轴电压、轴承电流的产生机理与共模电压的关系,同时研究了载波频率和电机运行频率对PWM驱动感应电机的共模电压、轴电压、轴承电流的影响。为研究轴承电流的抑制措施,提高PWM驱动感应电机轴承运行寿命提供理论依据。