三電平ANPC變流器損耗平衡的SVPWM策略

田博文，呼斯樂，彭佩佩，陳 創(chuàng)，曹裕捷，李 潔

(1.西安理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210013)

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會對電力需求不斷增加，多電平變流器被廣泛應(yīng)用于高壓大容量場合[1]。多電平變流器可以承受更高的電壓，在應(yīng)用于電網(wǎng)、電機(jī)控制等領(lǐng)域時，可以減小電網(wǎng)中諧波污染，提升電網(wǎng)輸電能力，而且使得線路損耗降低[2]；同時，又可提高用戶的用電設(shè)備工作可靠性[3]。

目前多電平變流器中最常見的是三電平拓?fù)?，其中三電平NPC 變流器已經(jīng)有非常廣泛地應(yīng)用[4]。傳統(tǒng)三電平NPC變流器工作時存在器件結(jié)溫差異較大，開關(guān)器件損耗分布不平衡等問題[5]，這些問題嚴(yán)重影響變流器的可靠性及使用壽命。為了改善NPC變流器損耗不平衡的問題，有學(xué)者提出了ANPC拓?fù)鋄6]。該拓?fù)涫褂每煽亻_關(guān)器件代替鉗位二極管，既具有鉗位結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，同時又可以輸出多種零狀態(tài)，為損耗平衡提供了可能。

損耗平衡策略是ANPC 變流器的研究熱點(diǎn)。有學(xué)者提出通過2種脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)工作方式切換實(shí)現(xiàn)結(jié)溫平衡控制[7]，隨著調(diào)制度的變化動態(tài)改變2種 PWM 的工作比例，該方法可在一定程度上實(shí)現(xiàn)結(jié)溫平衡控制，但不能有效實(shí)現(xiàn)每相橋臂所有器件的損耗分布平衡，且每種 PWM 方式采用不同的零狀態(tài)，存在多個不同零狀態(tài)之間的切換，從而額外增加了開關(guān)損耗。還有學(xué)者采用軟開關(guān)技術(shù)減小ANPC變流器的開關(guān)損耗[8]，但該技術(shù)中變流器每個橋臂使用2個輔助開關(guān)管和1個 LC 諧振支路，增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，且沒有研究器件的損耗平衡。還有學(xué)者對ANPC變流器每相橋臂的損耗分布進(jìn)行研究[9-10]，根據(jù)不同的開關(guān)模式和不同的工作條件，建立了詳細(xì)的損耗模型并計(jì)算了系統(tǒng)損耗分布，提出了減小損耗的控制策略，但也未對鉗位開關(guān)管的損耗分布進(jìn)行研究。

相比于上文應(yīng)用的PWM策略， SVPWM策略可以提高直流電壓利用率，更易實(shí)現(xiàn)對三電平變流器的控制[11]。因此，將SVPWM策略應(yīng)用于三電平ANPC變流器的損耗平衡，通過在換相過程中選擇相同的零過渡狀態(tài)以減少開關(guān)管的多余動作，從而實(shí)現(xiàn)變流器開關(guān)管的損耗平衡。

1 三電平ANPC變流器

1.1 工作原理

將端口輸出三種電平狀態(tài)分別設(shè)為P、O、N，設(shè)電流流向負(fù)載為正方向，取C1=C2，使直流側(cè)電壓均分UC1=UC2=UDC/2，三電平ANPC變流器拓?fù)鋱D[12]如圖1所示。Sx1、Sx2、Sx3、Sx4為ANPC變流器的橋臂開關(guān)管，Sx5、Sx6為ANPC變流器的鉗位開關(guān)管，其中x代表a、b、c三相。

三電平ANPC變流器有a、b、c三相，工作狀態(tài)相同，以a相為例，其工作原理如下。

1) 當(dāng)開關(guān)管Sa1、Sa2、Sa6同時導(dǎo)通且Sa3、Sa4、Sa5同時關(guān)斷時，電流為正方向，電流經(jīng)過Sa1、Sa2，a相端輸出UDC/2(即輸出為狀態(tài)P)；當(dāng)電流為負(fù)方向時，電流經(jīng)過Sa1、Sa2的反并聯(lián)二極管Da1、Da2輸出為P狀態(tài)。

2) 當(dāng)開關(guān)管Sa3、Sa4、Sa5同時導(dǎo)通，電流為正方向時，經(jīng)過Da3和Da4，a相輸出-UDC/2(即輸出為狀態(tài)N)；當(dāng)電流為負(fù)方向時，電流經(jīng)過Sa3、Sa4，同樣a相輸出N狀態(tài)。

3) 當(dāng)開關(guān)管Sa2、Sa5、Sa4開通，或開關(guān)管Sa3、Sa6、Sa1開通，a端輸出為0(即輸出狀態(tài)為O)，O狀態(tài)中產(chǎn)生4種不同開關(guān)組合。所以，在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，O狀態(tài)產(chǎn)生冗余狀態(tài)分別設(shè)為OU1、OU2、OL1、OL2。電流任意方向，零狀態(tài)開關(guān)組合伴隨一個開關(guān)管，與另一個模塊中反并聯(lián)二極管。

1.2 損耗分析

ANPC變流器損耗主要由開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗組成，以a相為例，設(shè)以流出電流為正，由P狀態(tài)到OU1、OU2過渡時，電路存在以下?lián)Q流損耗[13-14]。

1) 當(dāng)輸出狀態(tài)為P時，開關(guān)管Sa1、Sa2、Sa6開通時，電流分別經(jīng)過Sa1、Sa2流出，存在Sa1、Sa2的導(dǎo)通損耗。注意：P狀態(tài)時，Sa6開通，但Sa3、Sa4未開通，開關(guān)Sa6沒有電流經(jīng)過，因此沒有損耗。此時，存在Sa1、Sa2導(dǎo)通損耗。

2) 當(dāng)P狀態(tài)向OU1狀態(tài)過渡時，Sa1、Sa6關(guān)斷，Sa4、Sa5開通。電流分別經(jīng)過Sa5的反并聯(lián)二極管D5以及Sa2。Sa1、Sa6關(guān)斷時，Sa1存在關(guān)斷損耗，Sa6無損耗。

3) 當(dāng)OU1狀態(tài)向P狀態(tài)過渡時，Sa4、Sa5關(guān)斷，Sa1、Sa6開通。電流經(jīng)過Sa1、Sa2流出,開關(guān)Sa6沒有電流經(jīng)過，因此沒有損耗。此過程存在D5反向恢復(fù)損耗，Sa1開通損耗。

4) 當(dāng)輸出狀態(tài)為OU1時,Sa2、Sa4、Sa5開通時，電流經(jīng)過反并聯(lián)二極管D5以及Sa2。注意：OU1狀態(tài)時，Sa4開通，但Sa3未開通，開關(guān)Sa4沒有電流經(jīng)過，因此沒有損耗。此時，存在D5、Sa2導(dǎo)通損耗。

5) 當(dāng)P狀態(tài)向OU2狀態(tài)過渡時，Sa1、Sa6關(guān)斷，Sa5開通，與P狀態(tài)向OU1狀態(tài)過渡大致相同，電流分別經(jīng)過Sa5的反并聯(lián)二極管D5以及Sa2輸出。此過程Sa1存在關(guān)斷損耗。

6) 當(dāng)OU2狀態(tài)向P狀態(tài)過渡時，此過程存在D5反向恢復(fù)損耗，Sa1開通損耗。

7) 當(dāng)輸出狀態(tài)為OU1時，存在D5、Sa2導(dǎo)通損耗。

8) 當(dāng)P狀態(tài)向OL2狀態(tài)過渡(Sa1、Sa3、Sa6開通)時，Sa2關(guān)斷，Sa3開通，電流經(jīng)過Sa3的反并聯(lián)二極管D3以及Sa6輸出。Sa6在P狀態(tài)時，無電流經(jīng)過，所以無損耗。此過程存在Sa2關(guān)斷損耗。

9) 當(dāng)OL2狀態(tài)向P狀態(tài)過渡時，Sa3關(guān)斷，Sa2開通，電流經(jīng)過Sa1、Sa2輸出. 此過程存在Sa3的反并聯(lián)二極管D3反向恢復(fù)損耗，Sa2開通損耗。

10) 當(dāng)輸出狀態(tài)為OL2時，Sa1、Sa3、Sa6開通，電流經(jīng)過Sa6以及Sa3的反并聯(lián)二極管D3，此時存在D3，Sa6導(dǎo)通損耗。

11) 當(dāng)P狀態(tài)向OL1狀態(tài)過渡(Sa3、Sa6開通)時,Sa1、Sa2關(guān)斷，Sa3開通，電流經(jīng)過Sa6以及Sa3的反并聯(lián)二極管D3，此時存在Sa1、Sa2關(guān)斷損耗。

12) 當(dāng)OL1狀態(tài)向P狀態(tài)過渡時，Sa1、Sa2開通，Sa3關(guān)斷，電流經(jīng)過Sa1、Sa2，此時存在D3反向恢復(fù)損耗，Sa1、Sa2開通損耗。此狀態(tài)過渡引起開關(guān)管Sa1、Sa2、Sa3產(chǎn)生損耗，相比較其余狀態(tài)之間過渡損耗增加，則予以排除。相對于其他換流過程，其損耗分布如上述分析。

依據(jù)輸出電壓電平狀態(tài)，負(fù)載電流方向與狀態(tài)轉(zhuǎn)化前后順序存在以下情況[15]。

P+表示輸出電平為P，電流方向?yàn)椤?”，即輸出；N-表示輸出電平為N，電流方向?yàn)椤?”。則有如下的16種混合狀態(tài)(不同電平狀態(tài)與電流方向轉(zhuǎn)化前后不同)。

當(dāng)由P+狀態(tài)轉(zhuǎn)化為OU1-狀態(tài)時，Sa1存在關(guān)斷損耗，Sa5存在開通損耗；由OU1-狀態(tài)轉(zhuǎn)化為P+狀態(tài)時，Sa1存在開通損耗，Sa5存在關(guān)斷損耗；P-狀態(tài)轉(zhuǎn)化為OU1+狀態(tài)時，D1存在反向恢復(fù)損耗；OU1+狀態(tài)轉(zhuǎn)化為P-狀態(tài)時，D5存在反向恢復(fù)損耗；P+狀態(tài)轉(zhuǎn)化為OL2-狀態(tài)時，Sa2存在關(guān)斷損耗，Sa3存在開通損耗；OL2-狀態(tài)轉(zhuǎn)化為P+狀態(tài)時，Sa2存在開通損耗，Sa3存在關(guān)斷損耗；P-狀態(tài)轉(zhuǎn)化為OL2+狀態(tài)時，D2存在反向恢復(fù)損耗；OL2+狀態(tài)轉(zhuǎn)化為P-狀態(tài)時，D3存在反向恢復(fù)損耗。

當(dāng)由N+狀態(tài)轉(zhuǎn)化為OU1-狀態(tài)時，D3存在反向恢復(fù)損耗；OU1-狀態(tài)轉(zhuǎn)化為N+狀態(tài)時，D2存在反向恢復(fù)損耗；N-狀態(tài)轉(zhuǎn)化為OU1+狀態(tài)時，Sa2存在開通損耗，Sa3存在關(guān)斷損耗；OU1+狀態(tài)轉(zhuǎn)化為N-狀態(tài)時，Sa2存在關(guān)斷損耗，Sa3存在導(dǎo)通損耗；N+狀態(tài)轉(zhuǎn)化為OL1-狀態(tài)時，D4存在反向恢復(fù)損耗；OL1-狀態(tài)轉(zhuǎn)化為N+狀態(tài)時，D6存在反向恢復(fù)損耗；N-狀態(tài)轉(zhuǎn)化為OL1+狀態(tài)時，Sa4存在關(guān)斷損耗，Sa6存在開通損耗；OL1+狀態(tài)轉(zhuǎn)化為N-狀態(tài)時，Sa4存在開通損耗，Sa6存在關(guān)斷損耗。

換流過程中各個開關(guān)管損耗如下[16]：

每個開關(guān)管的通態(tài)損耗Pcond.S為

(1)

式中:IS為流過該開過管的電流；vS為該開關(guān)管的初始飽和壓降；rS為該開關(guān)管的通態(tài)電阻。

每個開關(guān)管的開關(guān)損耗Psw.S為

Psw.S=fsw.SEsw.SIS

(2)

式中:fsw.S為開關(guān)管的開關(guān)頻率。

因此開關(guān)管的總損耗PS為

PS=Psw.S+Pcond.S

(3)

每個開關(guān)管并聯(lián)的續(xù)流二極管的通態(tài)損耗Pcond.D為

(4)

式中:ID為流過二極管的電流；vD為二極管的初始飽和壓降；rD為通態(tài)電阻。

由于實(shí)際應(yīng)用中二極管的開關(guān)損耗比較小，常常被忽略,因此，開關(guān)管的實(shí)際總損耗為

Ploss=PS+Pcond.D

(5)

(6)

式中:n為各個器件的不平衡度;Ploss.AV為各器件損耗的平均值。

2 損耗平衡SVPWM策略

SVPWM是控制三電平變流器的重要方法[17]，首先,將所有的開關(guān)狀態(tài)劃分為不同的電壓矢量，判斷各電壓矢量所屬的大扇區(qū)，小扇區(qū);其次,再計(jì)算出各電壓矢量作用的時間;最后,選擇7段式發(fā)波的形式對三電平ANPC變流器進(jìn)行控制[18]。圖2為SVPWM電壓矢量分布圖。

圖 2 SVPWM電壓矢量分布Fig.2 Distribution of SVPWM voltage vector

傳統(tǒng)的SVPWM策略調(diào)制周期內(nèi)零狀態(tài)選擇OU2，一個調(diào)制周期損耗分布不均[19]。長時間的工作會導(dǎo)致Sx1至Sx4結(jié)溫分布不均衡從而損壞開關(guān)器件。為避免輸出電壓矢量錯亂，降低輸出電壓波形畸變概率，減少開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)損耗平衡，一般情況下，輸出電壓矢量須遵循一定的排列序列作用于主電路。首先,根據(jù)調(diào)制度的不同將6扇區(qū)劃分層次，從而劃分為不同的工作模式；其次,根據(jù)劃分的工作模式選擇相同的過渡零狀態(tài)；最后,總結(jié)過渡模式的狀態(tài)選擇方法。

2.1 劃分扇區(qū)層次

為了避免輸出電壓矢量發(fā)生錯亂，降低輸出電壓波形畸變概率，減少開關(guān)損耗，一般情況電壓矢量遵循一定的排列序列作用于主電路。當(dāng)出現(xiàn)P到O到N狀態(tài)變換時，由于O狀態(tài)有4種冗余狀態(tài)，即多種選擇方式。為了降低開關(guān)損耗，應(yīng)當(dāng)P到O，O到N狀態(tài)變換中間，O狀態(tài)選擇相同過渡狀態(tài)。若P到OU1，OU2到N，則中間過程存在OU1到OU2之間轉(zhuǎn)化，增加開關(guān)損耗，應(yīng)當(dāng)避免此種情況發(fā)生。因此，有如下劃分：

第1層，m<0.5，扇區(qū)中1、2小區(qū)；第2層，0.5≤m<1，包含3、4、5、6小區(qū)；第3層，m=1，只包含5、6小區(qū)。采用第2層，即0.5≤m<1進(jìn)行說明。根據(jù)對圖2觀察：β軸右側(cè)處于P、O狀態(tài)；左側(cè)則處于N、O狀態(tài)。

1) 若以縱軸右側(cè)扇區(qū)為起點(diǎn)，左右對稱，在左側(cè)掃過對稱區(qū)域可能實(shí)現(xiàn)平衡；

2) 若以E扇區(qū)或左側(cè)扇區(qū)為起點(diǎn)，此時，至少應(yīng)以調(diào)制周期整數(shù)倍實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)分析P到O，N到O狀態(tài)選擇可得：

第1種選擇以β軸為分界線，第2種選擇以α，β雙軸為分界線，第3種選擇以6個扇區(qū)為總體，且觀察矢量分布圖，任意電壓矢量經(jīng)過180°對稱，說明PPN經(jīng)過180°旋轉(zhuǎn)得NNP。

因此得到如下規(guī)律:

1) 扇區(qū)1與4掃過區(qū)域相同，扇區(qū)2與5掃過區(qū)域相同，扇區(qū)3與6掃過區(qū)域相同，則掃過區(qū)域相同的扇區(qū)采用同種換流方式；

2) 應(yīng)注意掃過小區(qū)個數(shù)影響損耗平衡控制；

3) 每個扇區(qū)中小區(qū)3、4、5、6關(guān)于橫坐標(biāo)存在對稱關(guān)系，即正三角與倒三角對稱(O狀態(tài))。

2.2 劃分狀態(tài)選擇模型

根據(jù)扇區(qū)層次的劃分可將工作模式分為3種，根據(jù)調(diào)制度m靈活選擇工作模式，以a相為例。

模式1：β軸為分界線,左右側(cè)零狀態(tài)分別選擇OU1、OL2。

模式2：在模式1基礎(chǔ)之上B、E扇區(qū)零狀態(tài)分別替換為OL2、OU1。

模式3：在模式1基礎(chǔ)之上A、C、D、F扇區(qū)零狀態(tài)分別替換為OL2、OU1、OU1、OL2。

注：B、E扇區(qū)β軸左右側(cè)零狀態(tài)分別為OL2、OU1。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，采用Matlab進(jìn)行仿真。直流電壓為400 V，開關(guān)頻率為10 kHz，負(fù)載電容為100 μF，負(fù)載電感為30 mH，電阻10 Ω，調(diào)制度為0.65。IGBT不是理想器件，存在器件損耗，根據(jù)具體配備的數(shù)據(jù)手冊。以Infineon公司生產(chǎn)的型號為FF300R12KS4的IGBT為例[20]，以a相為例，損耗平衡前、后開關(guān)管損耗功率的仿真結(jié)果如圖3、4所示。

(a) Sa1 (b) Sa2 (c) Sa3

(d) Sa4 (e) Sa5 (f) Sa6圖 3 損耗平衡前開關(guān)管損耗功率Fig.3 Power loss of switch before loss balance

(a) Sa1 (b) Sa2 (c) Sa3

(d) Sa4 (e) Sa5 (f) Sa6 圖 4 損耗平衡后開關(guān)管損耗功率Fig.4 Power loss of switch after loss balance

如圖3所示，損耗平衡前，調(diào)制周期內(nèi)零狀態(tài)選擇OU2，一個調(diào)制周期損耗分布不均，且Sa2、Sa3損耗在0.02 s損耗差過大。如圖4所示，損耗平衡優(yōu)化后，一個調(diào)制周期損耗分布相對平均，且橋臂開關(guān)管的功率損耗有所減少。采用0.02 s 時的數(shù)據(jù)，損耗平衡前、后的仿真結(jié)果如表1所示。

表 1 0.02 s開關(guān)管損耗平衡前、后對比Tab.1 Comparison of switch before and after loss balance at 0.02 s

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，通過式(6)計(jì)算出a相橋臂開關(guān)管(Sa1～Sa4)的不平衡度和鉗位開關(guān)管(Sa5～Sa6)不平衡度。通過不平衡度可以描述a相橋臂開關(guān)管和鉗位開關(guān)管損耗偏離平均損耗的程度，以此來體現(xiàn)采用損耗平衡策略的效果。損耗平衡前，橋臂開關(guān)管的最大不平衡度為23.12%，鉗位開關(guān)管的最大不平衡度為11.19%，損耗平衡后，橋臂開關(guān)管的最大不平衡度為6.37%，鉗位開關(guān)管的最大不平衡度為4.71%。由于傳統(tǒng)SVPWM策略沒有選擇相同的過渡狀態(tài)，導(dǎo)致開關(guān)管的多余動作，從而產(chǎn)生一定的損耗，使得各管損耗分布不均勻，不平衡度也相對較高。相比較平衡之前的損耗，所提出的損耗平衡策略的一個調(diào)制周期內(nèi)，各個開關(guān)管的損耗分布更加均勻，其對應(yīng)的不平衡也大大減小。

4 結(jié) 語

本文對三電平ANPC 型變流器P、O、N狀態(tài)組合和負(fù)載電流方向進(jìn)行詳細(xì)的分析，并列出換流方式對各個開關(guān)產(chǎn)生導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗分布情況,制定相關(guān)損耗平衡的 SVPWM 策略。調(diào)制策略采用對稱思想進(jìn)行切換以及遵循相關(guān)原則，通過對開關(guān)次數(shù)的減少，換流方式的選擇，從而實(shí)現(xiàn)橋臂中開關(guān)器件損耗平衡。最后,對所提出的基于三電平ANPC變流器的新型損耗平衡策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，與不加損耗平衡對比，新調(diào)制策略下ANPC變流器整體的不平衡度明顯減小，各開關(guān)管的損耗分布更加均勻。