T型三電平過載運(yùn)行方法研究

許 頗,張文平,王一鳴,劉保頌

(錦浪科技股份有限公司,浙江 寧波 315712)

0 引言

光伏系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排方面發(fā)揮著重要作用,并在近幾年得到了顯著發(fā)展。因?yàn)槿娖阶儞Q器與傳統(tǒng)的二電平變換器相比具有更高的效率,所以三電平變換器在光伏系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。此外,光伏系統(tǒng)已經(jīng)朝著更高的電壓(如1 500 V)發(fā)展,大幅降低了光伏電池板和逆變器之間電纜產(chǎn)生的損耗。在高電壓應(yīng)用中,三電平拓?fù)淇梢杂玫蛪浩骷?shí)現(xiàn)高壓,在效率、成本等方面比二電平變換器更具優(yōu)勢[3-4]。

截至目前,光伏系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的三電平拓?fù)溆兄行渣c(diǎn)鉗位(neutral-point clamped,NPC)型、有源中性點(diǎn)鉗位(active neutral-point clamped,ANPC)型和 T型[5-6]。與NPC型和ANPC型相比,T 型三電平拓?fù)渚哂懈偷膶?dǎo)通損耗,但同時(shí)會(huì)帶來更高的開關(guān)損耗。所以其在典型中頻開關(guān)頻率(10 kHz)的光伏系統(tǒng)中應(yīng)用更具有效率優(yōu)勢[7-8]。目前對三電平光伏系統(tǒng)的研究主要集中在漏電流抑制、高性能調(diào)制、高可靠性和高效率等方面[9-10]。眾所周知,電力電子變換器需要具有承受過載的能力,但目前研究三電平變流器過載控制的文獻(xiàn)仍較少。處理過載容量的常見方法是將所有電力電子器件設(shè)計(jì)為過載容量。該方法的主要缺點(diǎn)是成本相對較高。此外,電力電子器件的過載能力并沒有得到充分利用。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)工況條件下,電力電子器件在額定功率以下工作。

傳統(tǒng)的過載處理方法是將4個(gè)半導(dǎo)體器件全采用過載容量進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)可以滿足過載要求,且在控制方式上不需要作太多額外處理。但該設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本較高。因?yàn)槠骷倪x擇為過載容量,而且逆變器一般在額定功率下運(yùn)行,使得這部分額外的過載容量并沒有得到充分利用。

針對三電平T型變換器傳統(tǒng)過載處理方法成本較高的問題,本文研究一種新型的過載設(shè)計(jì)及其相應(yīng)的控制方法。使用該設(shè)計(jì)后,橫排二管只需采用額定容量進(jìn)行設(shè)計(jì),而豎排器件仍采用過載容量進(jìn)行設(shè)計(jì),從而大幅降低系統(tǒng)成本。

1 過載設(shè)計(jì)及其控制

本文分析基于單相的三電平。本文分析方法同樣可應(yīng)用于其他電路,如三相T型三電平。單相T型三電平拓?fù)潆娐啡鐖D1所示。

圖1 單相T型三電平拓?fù)潆娐?/p>

電力電子變換器(如逆變器)一般有過載要求。根據(jù)不同場合,最大過載能力可達(dá)到2倍的額定容量。單相T型三電平拓?fù)潆娐返拈_關(guān)量均為過載設(shè)計(jì),如圖1(a)所示。本文設(shè)計(jì)的T型三電平過載運(yùn)行方法為:橫排半導(dǎo)體器件組(101)采用額定容量進(jìn)行設(shè)計(jì);豎排半導(dǎo)體器件組(102)采用過載容量進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)可以大幅節(jié)約系統(tǒng)成本,如圖1(b)所示。

過載模式切換控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 過載模式切換控制系統(tǒng)示意圖

由圖2可知,系統(tǒng)經(jīng)過常規(guī)的三電平控制環(huán)路(201),首先產(chǎn)生占空比信號(hào)d,然后依據(jù)輸出電流io與額定電流Irate的比較結(jié)果以及d是否大于等于0,將d送入不同的比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元,從而計(jì)算出S1管和S3管的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)比較計(jì)數(shù)值CH、S2管和 S4管的PWM比較計(jì)數(shù)值CL。當(dāng)io正常且未超過Irate,即電流和額定電流比較模塊(209)輸出高電平,通路選擇單元1(202)開關(guān)上切至“1”,d送到通路選擇單元2(203)。當(dāng)d≥0時(shí),通路選擇單元2(203)開關(guān)上切至“1”,d送到比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元1(204)。當(dāng)d<0時(shí),通路選擇單元2(203)開關(guān)下切至“2”,占空比信號(hào)送到比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元2(205)。在比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元1(204)中:S1-1管和S3-1管的PWM比較計(jì)數(shù)值CH_1等于d乘以三角波計(jì)數(shù)最大值Cmax;S2-1管和 S4-1管的PWM比較計(jì)數(shù)值CL_1等于Cmax。在比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元2(205)中:S2-2管和S4-2管的PWM比較計(jì)數(shù)值CL_2=(d+1)×Cmax;S1-2管和S3-2管的PWM比較計(jì)數(shù)值CH_2=0。

CH_1、CH_2、CH_3分別為CH在比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元1、比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元2、比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元3中的對應(yīng)比較計(jì)數(shù)值;CL_1、CL_2、CL_3分別為CL在比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元1、比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元2、比較計(jì)數(shù)值計(jì)算單元3中的對應(yīng)比較計(jì)數(shù)值。

計(jì)算所得的S1管和S3管的PWM比較計(jì)數(shù)值CH以及 S2管和 S4管的PWM比較計(jì)數(shù)值CL,送入PWM產(chǎn)生模塊(207)。S1管和S3管的PWM比較計(jì)數(shù)值CH與三角波比較產(chǎn)生S1管的PWM控制信號(hào)PS1和S3管的PWM控制信號(hào)PS3。S2管和S4管的PWM比較計(jì)數(shù)值CL與三角波交截比較,產(chǎn)生 S2管的PWM控制信號(hào)PS2和S4管的PWM控制信號(hào)PS4。其在獲得S1管～S4管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后,將信號(hào)送入過流封鎖模塊(208)。

如果io超過Irate,即輸出電流和額定電流比較模塊(209)輸出低電平, S2管的PWM控制信號(hào)PS2和S3管的PWM控制信號(hào)PS3會(huì)封鎖。如果io超過過流最大值Imax,即輸出電流和最大電流比較模塊(210)輸出低電平,則S1、S2、S3、S4的PWM控制信號(hào)PS1、PS2、PS3和PS4都會(huì)封鎖。

以上方法實(shí)現(xiàn)了當(dāng)電流小于額定電流時(shí),系統(tǒng)正常三電平運(yùn)行;當(dāng)電流大于額定電流且小于最大過載電流時(shí),系統(tǒng)由S1、S4進(jìn)行兩電平運(yùn)行。這樣,S2、S3只需采用額定容量進(jìn)行設(shè)計(jì),而S1、S4仍采用過載容量進(jìn)行設(shè)計(jì),使系統(tǒng)成本大幅降低。

以上方法在控制上增加了過流比較單元。通道選擇單元等模塊實(shí)現(xiàn)了兩種運(yùn)行模式下PWM比較計(jì)數(shù)值的快速配置,保證了兩種運(yùn)行模式之間的平穩(wěn)、快速切換。此外,該方法增加了兩級(jí)過流封鎖模塊,在電流超過額定電流時(shí)快速并只封鎖橫排器件,從而保證了系統(tǒng)的安全可靠。

2 優(yōu)化方法

考慮到系統(tǒng)切換為兩電平后,電路發(fā)熱會(huì)增加。如果系統(tǒng)還是按照原來三電平發(fā)熱進(jìn)行設(shè)計(jì),當(dāng)系統(tǒng)過載運(yùn)行切換為兩電平后,系統(tǒng)溫升會(huì)增加,甚至可能超過系統(tǒng)允許值。這容易導(dǎo)致系統(tǒng)不正常。如果系統(tǒng)按照兩電平發(fā)熱進(jìn)行設(shè)計(jì),則會(huì)造成系統(tǒng)散熱成本增加。因此,本文針對圖2的方法作了進(jìn)一步的改進(jìn),提出了優(yōu)化方法。

優(yōu)化方法首先利用溫度采集模塊(301)采集系統(tǒng)溫度,接著將溫度送入溫度-三角波峰值轉(zhuǎn)換模塊(302)以得到三角波峰值Cmax_T,然后將其送入通路選擇單元3(303)。當(dāng)io正常未超過Irate,即輸出電流和額定電流比較模塊(209)輸出高電平,通路選擇單元3(303)開關(guān)下切至“2”,三角波峰值Cmax為恒定值Cmax_rate,系統(tǒng)正常進(jìn)行恒頻工作。相反地,當(dāng)io超過Irate,即輸出電流和額定電流比較模塊(209)輸出低電平,通路選擇單元3(303)開關(guān)上切至“1”,三角波峰值Cmax為溫度-三角波峰值轉(zhuǎn)換模塊(302)輸出Cmax_T。在下一個(gè)開關(guān)周期計(jì)數(shù)器為零時(shí),三角波峰值Cmax進(jìn)行更新。

需要注意的是,溫度-三角波峰值轉(zhuǎn)換模塊(302)有不同設(shè)計(jì)方法,不限于下面給出的方式。當(dāng)溫度低于設(shè)定正常溫度Tnormal時(shí),三角波峰值Cmax為設(shè)定值Cmax_rate。這意味著系統(tǒng)的開關(guān)頻率是恒定的。當(dāng)溫度高于設(shè)定正常溫度Tnormal時(shí),三角波峰值Cmax將按照一定斜率隨溫度T的增加而增加。這意味著系統(tǒng)的開關(guān)頻率相應(yīng)降低。因此,系統(tǒng)的開關(guān)損耗降低,發(fā)熱也相應(yīng)降低。

以上方法仍按照原有三電平發(fā)熱情況設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)過載運(yùn)行切換為豎排二管兩電平運(yùn)行后,系統(tǒng)運(yùn)行為隨溫度變化的變頻運(yùn)行方式,以保證溫升不超過系統(tǒng)允許值,從而確保了系統(tǒng)散熱成本不增加。

以上方法增加了溫度-三角波峰值轉(zhuǎn)換模塊、通道選擇單元等,實(shí)現(xiàn)了正常溫度下的恒頻運(yùn)行和超溫后的隨溫度變化的變頻運(yùn)行。兩種運(yùn)行模式下的三角波峰值可實(shí)現(xiàn)快速配置,保證了兩種運(yùn)行模式間的平穩(wěn)、快速切換。隨溫度變化的變頻運(yùn)行控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3提出的超溫后隨溫度變化的變頻運(yùn)行來降低系統(tǒng)溫升的方法,同樣可以應(yīng)用到其他拓?fù)渲?。該方法可以按照較低功率進(jìn)行,從而大量節(jié)省系統(tǒng)散熱成本。二電平電路隨溫變化的變頻運(yùn)行策略是該方法在兩電平電路中的應(yīng)用。

圖4 二電平電路隨溫變化的變頻運(yùn)行策略

圖4所示的隨溫變化的變頻運(yùn)行策略步驟如下。首先,溫度采集模塊(301)采集系統(tǒng)溫度。接著,溫度數(shù)據(jù)送入溫度-三角波峰值轉(zhuǎn)換模塊(302),得到三角波峰值Cmax_T。然后,Cmax_T送入通路選擇單元3(303)。當(dāng)io正常未超過Irate,即輸出電流和額定電流比較模塊(209)輸出高電平,通路選擇單元3(303)開關(guān)下切至“2”,Cmax為恒定值Cmax_rate,系統(tǒng)正常進(jìn)行恒頻工作。相反地,當(dāng)io超過Irate,即輸出電流和額定電流比較模塊(209)輸出低電平,通路選擇單元3(303)開關(guān)上切至“1”,Cmax為溫度-三角波峰值轉(zhuǎn)換模塊(302)輸出Cmax_T。最后,在下一個(gè)開關(guān)周期計(jì)數(shù)器到零時(shí),Cmax進(jìn)行更新,從而實(shí)現(xiàn)超溫后的隨溫度變化的變頻運(yùn)行。

3 仿真

仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

圖5中:直流母線電壓Udc=700 V;輸出濾波器參數(shù)La=Lb=Lc=1 mH、Ca=Cb=Cc=33 μF;交流輸出為Ua=Ub=Uc=220 V和50 Hz;負(fù)載Ra=Rb=Rc=4.84 Ω;開關(guān)頻率為10 kHz。

負(fù)載在0.545 s發(fā)生階躍的仿真結(jié)果如圖6所示。圖6的仿真拓?fù)洳捎肨型三電平拓?fù)?。?dāng)額定功率從1倍切換到2倍時(shí),負(fù)載從正常運(yùn)行到過載運(yùn)行的過渡是平穩(wěn)的,并未造成輸出電壓的中斷。

圖6 負(fù)載在0.545 s發(fā)生階躍的仿真結(jié)果

各調(diào)制方法在0.545 s發(fā)生相應(yīng)變換的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 調(diào)制方法在0.545 s發(fā)生相應(yīng)變換的仿真結(jié)果

從1倍額定功率切換到2倍額定功率時(shí)的調(diào)制變化看出,從正常運(yùn)行到過載運(yùn)行的調(diào)制過渡是平穩(wěn)的。在正常運(yùn)行時(shí),調(diào)制為三電平調(diào)制;在過載運(yùn)行時(shí),調(diào)制切換為過載情況下的調(diào)制模式。

4 結(jié)論

本文研究了一種三電平 T 型變換器的過載控制方法。本文首先介紹了三電平 T 型變換器基本原理;然后對該方法進(jìn)行了說明,以解決過載條件下的問題,并節(jié)省系統(tǒng)成本;最后給出了過載條件下的詳細(xì)控制策略。此外,為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的冷卻成本,本文提出了一種優(yōu)化方法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的正確性。