風(fēng)電變流器改進(jìn)型斷續(xù)脈寬調(diào)制策略

耿毓廷 ，李?yuàn)?，李武華 ，何湘寧 ，曹豐文

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海200031；3.蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，蘇州215104）

風(fēng)力發(fā)電變流器作為風(fēng)力發(fā)電與微網(wǎng)的接口設(shè)備，被廣泛用于直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)中，近年來(lái)其容量及效率要求不斷提升。隨著風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模化并網(wǎng)接入，風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)性、間歇性強(qiáng)、慣性較弱、電能質(zhì)量差等問(wèn)題開(kāi)始逐漸暴露[1-2]。因此，如何兼容風(fēng)電變流器對(duì)效率和電能質(zhì)量的要求，成為目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)[3-6]。

中點(diǎn)箝位型NPC三電平拓?fù)涫浅Ｓ玫娘L(fēng)電變流器拓?fù)?，與常規(guī)兩電平拓?fù)湎啾龋洳粌H可以提高變流器輸出功率，還可以降低電流輸出總諧波失真 THD（total harmonic distortion）。然而，隨著風(fēng)電變流器輸出容量的增加，其開(kāi)關(guān)損耗與電能質(zhì)量之間的矛盾仍較難平衡，因此如何實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗與電流THD的優(yōu)化，成為大功率風(fēng)電變流系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。一般而言，開(kāi)關(guān)損耗減小可以通過(guò)減少單次開(kāi)關(guān)損耗和減小開(kāi)關(guān)次數(shù)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[11]將中點(diǎn)箝位型三電平拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)管更換為SiC器件，進(jìn)而有效減小器件的單次開(kāi)關(guān)損耗。然而上述方案將極大提高變流器的成本，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。另一方面，為減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，中壓大功率變流器亦可設(shè)計(jì)在低開(kāi)關(guān)頻率下工作。顯然低開(kāi)關(guān)頻率給變流器輸出電流THD和濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[3-5，7-9，12-17]進(jìn)行了大量調(diào)制方式研究。其中，連續(xù)脈沖寬度調(diào)制CPWM（continuous pulse width modulation）方式，開(kāi)關(guān)管在半基波周期中以載波頻率動(dòng)作，在電流較大時(shí)存在開(kāi)關(guān)損耗大的缺點(diǎn)；斷續(xù)脈沖寬度調(diào)制DPWM（discontinuous pulse width modulation）方式使開(kāi)關(guān)管在每基波周期存在1/3周期被箝位，從而減小1/3的開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)。因此DPWM方式在1.5倍載波頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)和CPWM相同的開(kāi)關(guān)次數(shù)。文獻(xiàn)[4，7]對(duì)比CPWM和DPWM在不同調(diào)制度下的諧波質(zhì)量；文獻(xiàn)[4-5]研究不同DPWM調(diào)制方式下的輸出共模電壓。然而，對(duì)不同DPWM調(diào)制方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)損耗和電流諧波等性能比較以及通用描述[10，15，17]，如何選擇適合寬工作范圍的調(diào)制方式，如何在開(kāi)關(guān)損耗和THD指標(biāo)中取舍卻鮮有文獻(xiàn)提及。

由于風(fēng)能的隨機(jī)性，風(fēng)機(jī)變流器工作在較寬調(diào)制比范圍。在不同的工況下有不同的主導(dǎo)因素，現(xiàn)有的單一調(diào)制方式難以在寬工作范圍下性能最優(yōu)。本文首先分析DPWM和CPWM電流THD以及開(kāi)關(guān)損耗性能差異；在此基礎(chǔ)上根據(jù)風(fēng)電變流器工作特點(diǎn)，提出一種適用于永磁同步機(jī)直驅(qū)的風(fēng)力發(fā)電整流系統(tǒng)的新型DPWM調(diào)制方法。在調(diào)制比較高場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗降低，在調(diào)制比較低時(shí)降低電流THD。最后，以1臺(tái)2.5 kW風(fēng)電變流器平臺(tái)樣機(jī)驗(yàn)證了新型調(diào)制方法的可行性。

1 DPWM調(diào)制方式優(yōu)化

對(duì)于永磁同步機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的變流器系統(tǒng)，常使用風(fēng)力發(fā)電最大功率追蹤MPPT（maximum power point tracking）。文獻(xiàn)[2]根據(jù)風(fēng)力機(jī)內(nèi)在功率特性實(shí)現(xiàn)MPPT算法，其中風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械功率和轉(zhuǎn)子機(jī)械角度呈3次方關(guān)系，即

且永磁同步機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度呈正比關(guān)系。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，同步機(jī)的輸出電壓和電流均會(huì)降低。

對(duì)于直流母線恒定的變流器系統(tǒng)，調(diào)制度、交流電流和功率輸出會(huì)隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而下降。也即調(diào)制度低則開(kāi)關(guān)損耗小、電能質(zhì)量差，而調(diào)制度高則開(kāi)關(guān)損耗大、電能質(zhì)量好。

本文提出一種改進(jìn)型DPWM方法，在調(diào)制度較大時(shí)呈現(xiàn)出介于DPWM1和DPWMA之間的特性，在調(diào)制度較小時(shí)呈現(xiàn)出SPWM的特性，記為混合斷續(xù)脈寬調(diào)制HDPWM（hybrid discontinuous pulse width modulation）。

1.1 改進(jìn)型DPWM的推演和算法實(shí)現(xiàn)

通常斷續(xù)脈寬調(diào)制每個(gè)開(kāi)關(guān)周期僅有兩相動(dòng)作。正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）中，通過(guò)相應(yīng)零序分量的注入，使任意時(shí)刻都有一相調(diào)制波箝位在0、1和-1，該相不發(fā)生開(kāi)關(guān)動(dòng)作，可以較為簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)DPWM。DPWM本質(zhì)是在某一時(shí)刻，將a、b、c相中的某相箝位到PON中某個(gè)電平，并給另外兩相注入相應(yīng)的零序分量。DPWM算法的實(shí)現(xiàn)就是根據(jù)調(diào)制波等信息，確定被箝位的相和該相箝位的電平。

將特定零序3次諧波注入SPWM正弦調(diào)制波中，實(shí)現(xiàn)多種DPWM調(diào)制的波形，如圖1、圖2所示，使任意時(shí)刻都有一相調(diào)制波被箝位，僅兩相開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

DPWM1將三相最接近于±1邊界的調(diào)制波箝位到相應(yīng)邊界，即在正弦調(diào)制波相位為π/3～2π/3時(shí)箝位到 1，在 4π/3～5π/3 箝位到-1，橋臂分別被箝位到PN電平。文獻(xiàn)[7]在DPWM1的基礎(chǔ)上，改進(jìn)得到DPWMA。DPWMA引入了邊界0，將三相調(diào)制波最接近于0、±1邊界的一相箝位到相應(yīng)邊界，并將其他兩相注入相同的零序分量，橋臂可被箝位在PON電平。

DPWMA在調(diào)制波過(guò)0點(diǎn)時(shí)，會(huì)將調(diào)制波箝位到O電平。對(duì)于功率因數(shù)為1的變流器，此階段的箝位發(fā)生在電流過(guò)0時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)損耗減小收益很??；在調(diào)制比低時(shí)甚至?xí)?/3周期在過(guò)0點(diǎn)箝位，惡化電能質(zhì)量。因此，本文提出在三相調(diào)制波距離0邊界最近時(shí)不進(jìn)行箝位，因此，該調(diào)制方式并不在全周期都有一相箝位，相同載波頻率下其實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率介于CPWM和DPWM之間，記為HDPWM。

圖1 DPWM1在調(diào)制比為1時(shí)零序分量注入波形Fig.1 Zero-sequence component injection waveform whenthe modulation ratio of DPWM1 equals 1

圖2 DPWMA在調(diào)制比為1時(shí)零序分量注入波形Fig.2 Zero-sequence component injection waveform when the modulation ratio of DPWMA equals 1

DPWMA的零序分量計(jì)算公式為

式中：k為三條邊界的值；km是被箝位的邊界值；x為a，b，c三相，m為被箝位的一相，Vrefx為x相的調(diào)制波大??；V0add為三相調(diào)制波注入的零序分量，表示為

式（2）表明m相的參考電壓Vrefm與邊界km的距離是各相離邊界最近的，故將m相箝位到邊界km。此時(shí)，注入零序分量為式（3）。

DPWM1的實(shí)現(xiàn)只需將式（4）中k取值換為±1，其他算法不變；HDPWM 適用于滿(mǎn)足式（2）、式（4）和式（5）的情況。

HDPWM在調(diào)制度為1時(shí)，疊加零序分量后的調(diào)制波和零序分量分別如圖3所示。

記三相調(diào)制波在調(diào)制度為M時(shí)的表達(dá)式為

恒成立時(shí)，調(diào)制波與上下邊界的距離恒大于此時(shí)其他兩相到0的最小距離，則HDPWM無(wú)法箝位到上下邊界，此時(shí)HDPWM退化成SPWM。

圖3 HDPWM在調(diào)制比為1時(shí)零序分量注入波形Fig.3 Zero-sequence component injection waveform when the modulation ratio of HDPWM equals 1

聯(lián)立式（6）、式（7），得到 HDPWM 退化的充要條件是，即

式（8）最小值大于 0。求解式（8），HDPWM 在調(diào)制度小于2/3時(shí)退化為SPWM。

1.2 損耗分析

DPWM和CPWM調(diào)制方式下的開(kāi)關(guān)損耗隨載波頻率、電流大小的不同而變化。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，開(kāi)關(guān)損耗與母線電壓、相電流、開(kāi)關(guān)次數(shù)有關(guān)。器件開(kāi)關(guān)損耗可以表示為

式中：vdc為變換器直流母線電壓；Vref為器件手冊(cè)中的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試電壓；Kv為vdc不同于Vref時(shí)的損耗折算系數(shù)；ESW（i（k））為器件換流電流為 i（k）時(shí)動(dòng)作一次損耗的能量。由文獻(xiàn)[18]，A、B、C為由不同器件決定的系數(shù)，則 ESW（i（k））可以表示為

當(dāng)CPWM調(diào)制波近似正弦波時(shí)，處于一個(gè)基波周期任意時(shí)刻的單次開(kāi)關(guān)損耗平均值為

類(lèi)似地，對(duì)于在φ1～φ2中進(jìn)行箝位的DPWM有

基波開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，實(shí)際開(kāi)關(guān)損耗平均值與任意時(shí)刻單次開(kāi)關(guān)平均值近似相等。忽略ESW（i（k））中的二次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)后，認(rèn)為開(kāi)關(guān)損耗近似正比于換流電流。

在功率因數(shù)為1時(shí)，對(duì)于在半周期內(nèi)連續(xù)π/3箝位的DPWM，DPWM1在π/3開(kāi)始箝位，恰在調(diào)制波最大值即電流最大值附近保持不動(dòng)作，擁有最小開(kāi)關(guān)損耗。

DPWMA箝位到PON狀態(tài)的時(shí)間根據(jù)調(diào)制度變化。因此，該模式相對(duì)于CPWM的開(kāi)關(guān)損耗隨調(diào)制度不同而變化，調(diào)制度大時(shí)接近于DPWM1，在電流最大時(shí)箝位最多，調(diào)制比較小時(shí)則在電流過(guò)零時(shí)箝位到O狀態(tài)時(shí)間最多，減小開(kāi)關(guān)損耗能力削弱。

記CPWM的開(kāi)關(guān)損耗為單位1，求得不同DPWM調(diào)制方式下在不同調(diào)制度M下相對(duì)于CPWM的開(kāi)關(guān)損耗，如圖4所示。

圖4 不同調(diào)制方式不同調(diào)制度的開(kāi)關(guān)損耗對(duì)比Fig.4 Comparison of switching loss at different modulation ratios among different modulations

1.3 諧波分析

選取常用的斷續(xù)脈寬調(diào)制方式DPWM1、DPWMA和SPWM、HDPWM比較諧波特性。類(lèi)似于文獻(xiàn)[7]，定義標(biāo)準(zhǔn)化總諧波含量NWTHD（normalized weighted total harmonic distortion）指標(biāo)為諧波成分相對(duì)基波的比值。

式中，Un1-1為n次線電壓。諧波源回路中，對(duì)于n次諧波源，回路阻抗為jnωL，因而n次電壓諧波產(chǎn)生的電感電流諧波可以用Unl-l/n來(lái)表征。

根據(jù)式（13），取載波比為21，改變調(diào)制度的大小，仿真得到其N(xiāo)WTHD，在不同調(diào)制度下對(duì)比HDPWM與其他調(diào)制方式的諧波性能，如圖5所示。

由圖可知，HDPWM調(diào)制度在0.8以上時(shí)，表現(xiàn)出介于DPWM1和DPWMA的THD特性；小于0.8后，開(kāi)始展現(xiàn)出SPWM的特性，并在調(diào)制度小于0.66后退化成SPWM。相比于DPWMA應(yīng)該箝位到O狀態(tài)時(shí)，HDPWM不進(jìn)行箝位，因此HDPWM并不在所有時(shí)刻都有一相箝位，即HDPWM隨著占空比的下降會(huì)增大開(kāi)關(guān)頻率。

在上述直驅(qū)風(fēng)電變流器使用HDPWM能夠在重載時(shí)表現(xiàn)出斷續(xù)脈寬調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)，減小開(kāi)關(guān)損耗，在輕載時(shí)表現(xiàn)出連續(xù)脈寬調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)，保持良好的電流諧波。

圖5 不同調(diào)制方式下不同調(diào)制度的THD特性Fig.5 THD characteristics at different modulation ratios among different modulations

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文方案的正確性，搭建了2.5 kW三電平風(fēng)電變流器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)在永磁同步發(fā)電機(jī)拖動(dòng)的變流器平臺(tái)上進(jìn)行。以異步電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)拖動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)和變流器工作狀況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of experimental platform

根據(jù)表1中的技術(shù)指標(biāo)，在額定工況下，對(duì)比相同開(kāi)關(guān)頻率下HDPWM（載波比21）和SPWM（載波比14）的THD性能；在輕載時(shí)，對(duì)比HDPWM和DPWMA在相同載波頻率下的THD性能，結(jié)果如圖6所示。

圖6 HDPWM和SPWM以及DPWMA的性能對(duì)比Fig.6 Comparison of performance among HDPWM,SPWM and DPWMA

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HDPWM調(diào)制方式在調(diào)制度較大時(shí)能夠減小開(kāi)關(guān)損耗并且比相同開(kāi)關(guān)頻率下SPWM調(diào)制方式擁有更好的THD；在調(diào)制度較小時(shí)HDPWM擁有比相同載波頻率更好的THD。因此，在寬調(diào)制度范圍工作時(shí)，HDPWM在開(kāi)關(guān)損耗和THD表現(xiàn)上，比SPWM和DPWMA擁有更好的綜合性能。

3 結(jié)論

針對(duì)微網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的風(fēng)電變流器開(kāi)關(guān)頻率低、開(kāi)關(guān)損耗和電流THD的矛盾，本文首先分析對(duì)比了CPWM和DPWM的損耗和諧波性能，然后在分析變流器THD和工況關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出一種針對(duì)永磁同步電機(jī)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流器改進(jìn)型混合斷續(xù)脈寬調(diào)制策略，主要結(jié)論如下：

（1）新型斷續(xù)脈寬調(diào)制策略HDPWM斷續(xù)脈寬的占比隨調(diào)制度增大而增大；在調(diào)制度較大時(shí)，其特性介于DPWM1和DPWMA之間，在調(diào)制度小于0.66時(shí)，其退化為SPWM。

（2）HDPWM的特性在實(shí)際永磁同步機(jī)工況下能夠根據(jù)調(diào)制度的大小，在電流較大時(shí)有效減小開(kāi)關(guān)損耗，在輕載時(shí)呈現(xiàn)出大于DPWM開(kāi)關(guān)頻率的SPWM調(diào)制的特性，有效減小THD。

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