SVPWM和DPWMA調(diào)制方式下逆變器損耗仿真研究

焦靜靜，謝宏偉

（1.無錫科技職業(yè)學院，江蘇無錫，214000；2.上汽大通有限公司無錫分公司，江蘇無錫，214000）

0 引言

在碳達峰、碳中和目標指引下，太陽能等可再生能源迎來了新的機遇和挑戰(zhàn)。光伏逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電的關鍵一環(huán)，行業(yè)態(tài)勢向高效率和低成本發(fā)展。傳統(tǒng)光伏逆變器的調(diào)制方式有正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)。SPWM的調(diào)制原理是生成由正弦調(diào)制波和三角載波相交的脈沖寬度，其原理簡單，易于實現(xiàn)，但直流電壓利用率低。區(qū)別于SPWM，SVPWM解決了直流電壓利用率低的問題，同時降低了輸出電壓諧波畸變率。SPWM和SVPWM均為連續(xù)脈寬調(diào)制(Continuous Pulse Width Modulation，CPWM)，這些調(diào)制方式使得功率器件頻繁連續(xù)地開關，增加了逆變器的損耗和熱應力，影響了逆變器的效率和散熱成本，不利于逆變器向行業(yè)態(tài)勢發(fā)展。相比于CPWM，不連續(xù)脈寬調(diào)制(Discontinuous Pulse Width Modulation，DPWM) 在任意時刻僅有兩相功率器件動作，第三相箝位在特定的電平，這種調(diào)制方式減少了功率器件的開關次數(shù)，從而降低了開關管的損耗，以此達到光伏逆變器提高效率和降低散熱成本的目的，將DPWM調(diào)制方式應用到逆變器中也成為新的研究熱點。為研究不同工況下SVPWM和DPWM調(diào)制方式下?lián)p耗差別，本文基于PSIM設計了一種光伏逆變器逆變端的損耗預測仿真模型，該模型可以快速得到功率器件的損耗，為工程師設計散熱方式提供數(shù)據(jù)，加快設計效率。

1 SVPWM基本原理與實現(xiàn)

光伏逆變器逆變端常用的拓撲有T型三電平和I型三電平，為了適應更高的系統(tǒng)電壓場合，I型三電平因其功率器件串聯(lián)分擔母線電壓從而得到廣泛應用，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 I型三電平逆變器拓撲結構

以A相為例，母線電壓為Vbus，當開關管Q1a、Q2a導通，Q3a、Q4a關斷時，輸出電壓為Udc/2+，定義電路狀態(tài)P狀態(tài)；當開關管Q2a、Q3a導通，Q1a、Q4a關斷時，輸出電壓為0，定義電路狀態(tài)O狀態(tài)；當開關管Q3a、Q4a導通，Q1a、Q2a關斷時，輸出電壓為-Udc/2，定義電路狀態(tài)N狀態(tài)。三電平逆變器輸出共有27個狀態(tài)，以60°劃分區(qū)域，分為扇區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，每個大扇區(qū)又可分為 4 小扇區(qū)，分別用A、B、C、D表示。其空間矢量圖如圖2(a)所示。以扇區(qū)Ⅰ為例，當參考電壓矢量Vref在區(qū)域A時，功率器件開關序列為七段式POO—PON—PNN—ONN—PNN—PON—POO如圖2(b)，Ts代表采樣周期。

圖2 SVPWM調(diào)制方式示意圖

SVPWM算法實現(xiàn)可以按照零序分量注入三相原始調(diào)制信號中，ua、ub、uc為原始調(diào)制信號，uz為零序分量，表達式分別為：

式中umax、umin為相電壓最大值和最小值。

2 DPWM基本原理與實現(xiàn)

DPWM是在SVPWM的基礎上舍棄了一個冗余小分量的開關序列，當各扇區(qū)箝位相及箝位電平不同，產(chǎn)生了多種 DPWM 策略，主要有：DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMA、DPWMB。其中DPWMA策略共模電壓低、輸出電能質(zhì)量好，因此適合在光伏逆變器中應用，其空間箝位模式分布圖如圖3(a)所示。同樣以扇區(qū)Ⅰ為例，當參考電壓矢量Vref在區(qū)域A時，舍棄了ONN小分量，功率器件開關序列為五段式POO—PON—PNN—PON—POO如圖3(b)。

圖3 DPWM調(diào)制方式示意圖

參考現(xiàn)有SVPWM的零序電壓注入 PWM 調(diào)制方式，DPWMA也可將零序分量注入三相原始調(diào)制信號中，零序電壓uz可以表示為：

3 損耗分析

功率器件IGBT的損耗主要分為導通損耗和開關損耗，導通損耗指的是IGBT在導通過程中飽和壓降和電流的乘積。開關損耗指的是IGBT在開通和關斷過程中產(chǎn)生的損耗。對比SVPWM和DPWMA可以發(fā)現(xiàn)，DPWMA調(diào)制方式下功率器件可以減少開關次數(shù)，以此達到降低功率器件的開關損耗的作用，而增加的導通損耗可以忽略不計。以A相Q1管為例，在SVPWM調(diào)制方式下，其開通損耗和關斷損耗分別為：

其中，Eon_Ic(Ion_Q1(t))，Eoff_Ic(Ioff_Q1(t))表示功率器件IGBT在實際電流下的開通、關斷能耗，通過該器件的數(shù)據(jù)手冊可以進行擬合；DQ1(t)表示開關管Q1的占空比函數(shù)；fsw表示逆變器的開關頻率；Tac表示逆變器輸出周期。

在上述公式中，SVPWM和DPWMA算法主要影響DQ1(t)占空比函數(shù)，該函數(shù)為開關占空比函數(shù)DQ1SW(t)和單極性調(diào)制占空比函數(shù)DQ1AC(t)的乘積。其中，

開關占空比函數(shù)DQ1SW(t)主要與調(diào)制電壓、母線電壓以及相位有關。指的在時間區(qū)間為調(diào)制電壓，時間區(qū)間指的在時間區(qū)間在時間區(qū)間為調(diào)制電壓。

4 仿真研究

影響SVPWM和DPWMA調(diào)制方式下?lián)p耗的差別主要為母線電壓和交流電壓兩個參數(shù)。在PSIM環(huán)境下，針對SVPWM和DPWMA這兩種調(diào)制方式在不同工況下進行仿真從而對比開關損耗，功率器件采用Vincotech公司的 30-PT07MIB300S503，開關頻率為16kHz，功率為100kW，母線電壓和交流電壓的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 逆變器仿真參數(shù)

按照 SVPWM 和 DPWM 實現(xiàn)方式對仿真模型進行了搭建，部分損耗仿真模型如圖4所示，通過2輸入多通路復用器切換兩種方式。

圖4 損耗仿真模型

將工況1、工況2和工況3的參數(shù)代入仿真模型，得到SVPWM和DPWMA調(diào)制方式下功率瞬時損耗仿真波形如圖5所示，對比峰值電流處，SVPWM調(diào)制方式瞬時損耗最大，而 DPWMA調(diào)制方式下Q1管處于箝位區(qū)間，功率器件無開關動作，損耗幾乎為0，該現(xiàn)象也是DPWMA調(diào)制方式下?lián)p耗降低的直接原因。

圖5 各工況瞬時損耗

圖6為根據(jù)仿真波形得到的平均功率，由仿真可以發(fā)現(xiàn)在各種工況下 DPWMA調(diào)制方式在降低開關損耗方面的優(yōu)越性，功率下降可達30%以上。圖7為PSIM仿真和計算的對比數(shù)據(jù)，計算值與仿真值的誤差在4%左右，由數(shù)據(jù)驗證了仿真的正確性，可以作為散熱設計的參考。

圖6 DPWMA和SVPWM調(diào)制方式下各工況開關損耗對比

圖7 DPWMA調(diào)制方式下PSIM和計算損耗數(shù)據(jù)對比

5 結語

本文首先詳細介紹了SVPWM和DPWMA調(diào)制方式下的工作原理，利用零序分量注入三相原始調(diào)制信號方式進行兩種調(diào)制方式的實現(xiàn)，分析了不同調(diào)制方式下的開關損耗計算，最后針對這兩種調(diào)制方式在PSIM環(huán)境下上進行了仿真模型的搭建，并針對參數(shù)母線電壓和交流電壓的不同工況進行了仿真，仿真結果表明，DPWMA調(diào)制方式下的功率器件的開關損耗明顯小于SVPWM調(diào)制方式，仿真得到的損耗數(shù)據(jù)與計算后的結果幾乎一致，該仿真模型為工程師散熱設計提供了基本的數(shù)據(jù)。