劉永奎，鐘建朋，周洪偉，張 磊

（特變電工西安電氣科技有限公司，西安710119）

基于載波調(diào)制的三電平并網(wǎng)逆變器斷續(xù)調(diào)制策略

劉永奎，鐘建朋，周洪偉，張 磊

（特變電工西安電氣科技有限公司，西安710119）

首先介紹了三電平逆變器斷續(xù)調(diào)制法的原理及產(chǎn)生方法，對連續(xù)脈寬調(diào)制PWM方法和斷續(xù)PWM（DPWM）調(diào)制法的性能進行了對比分析。然后提出了一種基于載波調(diào)制的優(yōu)化方案，可以使斷續(xù)調(diào)制法與非單位功率因數(shù)運行條件相適應(yīng)，且采用該優(yōu)化DPWM調(diào)制法的三電平逆變器在非單位功率因數(shù)條件下運行時可以獲得更小的開關(guān)損耗。仿真和實驗結(jié)果均驗證了該方法的正確性與可行性。

三電平；載波調(diào)制；DPWM；非單位功率因數(shù)

近年來，隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，光伏逆變器得到大量應(yīng)用，對其研究的程度也越來越深入?，F(xiàn)階段提高光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率成為廣泛的關(guān)注點之一，而減小開關(guān)損耗是最為簡單易行的方案。

文獻[1]提出在兩電平空間矢量調(diào)制法基礎(chǔ)上進行分段，使部分區(qū)域的驅(qū)動信號保持開通或關(guān)斷，形成斷續(xù)脈寬調(diào)制DPWM（discontinuous pulse width modulation），從而使逆變器的等效開關(guān)頻率下降，降低逆變器的開關(guān)損耗；文獻[2-5]對常見的60°區(qū)間無開關(guān)動作DPWM調(diào)制提出了改進方案和方法，根據(jù)零序分量生成調(diào)制相角φ的不同，形成了一系列斷續(xù)調(diào)制策略方案，其中包括DPWM0（φ=0）、DPWM1（φ=π/6）、DPWM2（φ=π/4）及 DPWM3（φ=π/3）等。文獻[2]采用兩個零矢量與其他非零矢量進行分配，實現(xiàn)在輸出電壓正、負半周峰值處各有60°區(qū)間不進行開關(guān)動作，主要目的是在逆變器輸出電壓最大值附近不進行開關(guān)管動作，以減小開關(guān)損耗；文獻[6]將多種DPWM調(diào)制方法進行統(tǒng)一實現(xiàn)，并分別對各種DPWM的性能進行了對比；文獻[7]對NPC型三電平逆變器的開關(guān)損耗進行了分析，并對連續(xù)與斷續(xù)PWM調(diào)制法進行對比；文獻[10]對空間矢量調(diào)制SVPWM（space vector PWM）與DPWM兩種調(diào)制方式在T型三電平逆變器損耗與諧波方面進行了分析比較。

本文在此基礎(chǔ)上，首先對三電平逆變器DPWM調(diào)制法進行研究討論；然后對非單位功率因數(shù)運行條件下的DPWM調(diào)制法進行研究，提出一種基于載波調(diào)制并可滿足逆變器在不同功率因數(shù)下運行的DPWM調(diào)制方案；最后利用仿真及實驗對提出方法進行驗證，證明其正確性與可行性。

1 T型三電平逆變器損耗分析

逆變器損耗可分為固有損耗和可控損耗兩大部分：固有損耗為硬件設(shè)計時引入的損耗，如濾波電感、連接導線和變壓器等的自身損耗以及IGBT通態(tài)損耗，這部分損耗只與逆變器輸出電流大小及相位有關(guān)，可通過優(yōu)化硬件設(shè)計來降低；可控損耗在逆變器中通常指IGBT開關(guān)損耗，可通過一定的調(diào)制策略減小等效開關(guān)頻率來降低該部分損耗。

圖1為本文所用的T型三電平并網(wǎng)逆變器主電路拓撲，與傳統(tǒng)I型NPC三電平拓撲相比，其優(yōu)勢在于簡單的驅(qū)動時序及更低的IGBT通態(tài)損耗[11]。

圖1 基于LCL濾波的三電平并網(wǎng)逆變器拓撲Fig.1 Topology of the three-level inverter with LCL filter

2 DPWM調(diào)制法原理及諧波比較

并網(wǎng)逆變器的調(diào)制方式較多，通常使用與空間電壓矢量調(diào)制法SVPWM （space vector pulse width modulation）等效的零序分量注入SPWM實現(xiàn)，其好處是減小調(diào)制運算量及運算環(huán)節(jié)引入的誤差、降低調(diào)制輸出電壓中的諧波成分等。DPWM的本質(zhì)即通過構(gòu)造合適的零序分量在一定時間內(nèi)使三相調(diào)制波恒為±1或0，從而使該時間段內(nèi)IGBT一直處于開通或關(guān)斷狀態(tài)，減少開關(guān)次數(shù)達到降低損耗的目的。

文獻[3]在傳統(tǒng) 60°DPWM（即 DPWM1）基礎(chǔ)上提出Alternative three-level 60°DPWM方案，本文將其簡稱為 Alternative DPWM（ADPWM），該方案產(chǎn)生的調(diào)制波近似連續(xù)，可以獲得較DPWM1更小的諧波畸變率。為了直觀說明各個調(diào)制法在諧波畸變方面的優(yōu)劣，引入諧波畸變因子HDF（harmonic distortion factor）的概念[8]，即

式中：Va為A相調(diào)制信號；Vb為B相調(diào)制信號；θ為調(diào)制信號相位。HDF越大，調(diào)制信號的畸變程度越大。同時也可以得到調(diào)制信號HDF僅與調(diào)制度M有關(guān)的結(jié)論。

圖2所示為調(diào)制度M為0.9時調(diào)制策略SPWM、SVPWM、DPWM1[2]和 ADPWM[3]的調(diào)制波波形。根據(jù)式（1）可以進一步分別計算出相同載波頻率下各調(diào)制策略關(guān)于調(diào)制度M的HDF數(shù)據(jù)，其中定義SPWM調(diào)制法最大調(diào)制度為1，可以確定另外3種PWM的最大調(diào)制度為1.15。

圖2 不同PWM調(diào)制策略調(diào)制波比較Fig.2 Comparison of modulation waves in different PWM modulation modes

圖3 相同載波頻率時不同PWM方案在各調(diào)制度下的HDF比較Fig.3 Variation of HDFs with different M at the same carrier frequency for different PWM schemes

相同載波頻率時不同PWM方案在各調(diào)制度下的HDF比較如圖3所述。從圖3中可以看出，在全調(diào)制度范圍內(nèi)，逆變器采用ADPWM調(diào)制法的HDF要比使用DPWM1調(diào)制法時小，但比采用連續(xù)調(diào)制法PWM的HDF要大。這意味著DPWM調(diào)制法在減小開關(guān)損耗的同時會造成諧波含量的升高。

3 非單位功率因數(shù)下的優(yōu)化DPWM調(diào)制

通常情況下在母線電壓恒定、IGBT規(guī)格確定時，開關(guān)損耗僅與電流有關(guān)。單位功率因數(shù)運行模式下，電流與電壓同相位，選擇在調(diào)制波峰值附近保持IGBT無開關(guān)動作，可以最大程度地降低開關(guān)損耗。對于非單位功率因數(shù)運行工況，有文獻提到移動斷續(xù)區(qū)域的方式滿足不同功率因數(shù)，但均沒給出具體的實施方案。本文將在ADPWM的基礎(chǔ)上基于載波調(diào)制對非單位功率因數(shù)運行工況下的三電平逆變器調(diào)制提供一種優(yōu)化實施方案。

根據(jù)三電平SVPWM調(diào)制等效原理[9]，同時簡化運算，棄用矢量分區(qū)概念，僅根據(jù)調(diào)制波幅值分區(qū)，得到SPWM實現(xiàn)方式中需要疊加的零序分量形式如下：

式中： 在任意時刻三相調(diào)制波 Va、Vb、Vc中，Vmax為最大值；Vmin為最小值；Vmid為中間值；k為零序電壓分量分配系數(shù)。

II區(qū)：當 S（Va） +S（Vb）+S（Vc）＞ 0 時

為了適應(yīng)非單位功率因數(shù)運行工況，本文提出一種基于三相電流瞬時值正負號選取k的簡便方法，即

式中，Ix（x=a,b,c）為三相電流瞬時值。該方式產(chǎn)生的DPWM稱為優(yōu)化ADPWM，其調(diào)制波形如圖4所示，該種取值方式同樣擴展應(yīng)用到其他形式的DPWM非單位功率因數(shù)運行工況。

為了定量的分析及對比ADPWM調(diào)制法優(yōu)化前后時開關(guān)損耗的大小，引入開關(guān)損耗函數(shù)SLF（switching loss function）[6]進行評估，分別將 ADPWM法與優(yōu)化ADPWM法在不同調(diào)制度及不同功率因數(shù)角的SLF進行計算，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，兩種DPWM法的開關(guān)損耗不僅與功率因數(shù)角有關(guān)，還與調(diào)制度有關(guān)。優(yōu)化ADPWM 調(diào)制法在功率因數(shù)角處于[－90°，90°]區(qū)間時，開關(guān)損耗小于ADPWM調(diào)制法，當調(diào)制度逐漸降低時，開關(guān)損耗會逐步增加。

圖5 各調(diào)制策略在不同功率因數(shù)角及調(diào)制度的SLFFig.5 Variation of SLF with different M and φ

圖6 M=1.15時ADPWM法及優(yōu)化ADPWM法的SLFFig.6 Comparison of SLF with ADPWM and optimal ADPWM scheme at M=1.15

為了直觀地進行比較，圖6給出了在最大調(diào)制度1.15時兩種調(diào)制法的SLF對比，可以看出優(yōu)化ADPWM調(diào)制法的開關(guān)損耗在功率因數(shù)角處于［－90°，90°］區(qū)間時要小于優(yōu)化前的ADPWM調(diào)制法。

4 實驗分析

為了進一步證明提出方案的正確性，設(shè)計了三電平并網(wǎng)逆變器實驗平臺，直流母線電壓560 V，并網(wǎng)接入點電壓315 V/50 Hz，開關(guān)頻率10 kHz，額定電流350 A，對優(yōu)化ADPWM調(diào)制法進行非單位功率因數(shù)工況下的并網(wǎng)實驗。

圖7所示為逆變器有功功率為54 kW、無功功率為28.5 kvar時A相電流及A相橋臂上管端電壓波形。從中可以看出，實驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致，逆變器輸出電流峰值附近區(qū)域仍有開關(guān)管的動作，而在使用優(yōu)化ADPWM時，開關(guān)器件的不動作區(qū)域移動到了逆變器輸出電流峰值附近。優(yōu)化后的調(diào)制法可以更有效地減小并網(wǎng)逆變器開關(guān)損耗，提高并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換效率。

圖7 功率因數(shù)為0.8時并網(wǎng)電流及A相橋臂上端IGBT驅(qū)動波形Fig.7 Grid current and IGBT driving waveforms of phase A bridge upper-leg when power factor is 0.8

5 結(jié)語

本文對三電平逆變器DPWM調(diào)制法的原理進行了分析，并在此基礎(chǔ)上對ADPWM調(diào)制法進行了優(yōu)化，使其在功率因數(shù)角處于±90°區(qū)間內(nèi)時，比沒有優(yōu)化前的開關(guān)損耗更低，且諧波畸變沒有明顯的增加。仿真和實驗結(jié)果驗證了所提方案的正確性及可行性。

[1]Trzynadlowski A M,Kirlin R L,Legowski S.Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate[C].//Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,Control,and Instrumentation,1993:689-694.

[2]Un E,Hava A M.A near-state PWM method with reduced switching losses and reduced common-mode voltage for three-phase voltage source inverters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2009,45（2）:782-793.

[3]Bruckner T,Holmes D G.Optimal pulse-width modulation for three-level inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20（1）:82-89.

[4]Depenbrock B M.Pulse width control of a 3-phase inverter with non-sinusoidal phase voltages[C]//IEEE International Semiconductor Power Converter Conference.Lake Buena Vista，F(xiàn)L：IEEE，1977：399-403.

[5]Hava A M,Kerkman R J,Lipo T A.A high-performance generalized discontinous PWM algorithm[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34（5）:1059-1071.

[6]安少亮,孫向東,陳櫻娟,等.一種新的不連續(xù)PWM統(tǒng)一化實現(xiàn)方法[J].中國電機工程學報,2012,32（24）:59-66.An Shaoliang,Sun Xiangdong,Chen Yingjuan,et al.A new generalized implementation method of discontinuous PWM[J].Proceedings of the CSEE,2012,32（24）:59-66（in Chinese）.

[7]Chaturvedi P K,Jain S,Agarwal P.Reduced switching loss pulse width modulation technique for three-level diode clamped inverter[J].IET Power Electronics,2011,4（4）:393-399.

[8]Holmes D,Lipo T.Pulse Width Modulation for Power Converters:Principles and Practice[M].New York：Wiley-IEEE Press,2003:241-249.

[9]吳洪洋,何湘寧.多電平載波PWM法與SVPWM法之間的本質(zhì)聯(lián)系及其應(yīng)用[J].中國電機工程學報,2002,22（5）:10-15.Wu Hongyang,He Xiangning.Relationship between multilevel carrier-based PWM and SVPWM and its applications[J].Proceedings of the CSEE,2002,22（5）:10-15（in Chinese）.

[10]孫超,嚴成,張揚帆,等.T型三電平并網(wǎng)逆變器兩種調(diào)制策略研究[J].電源學報,2013,11（3）:42-47.Sun Chao,Yan Cheng,Zhang Yangfan,et al.Research on two modulation scheme of three-level T-type grid-connected inverter[J].Journal of Power Supply,2013,11（3）:42-47（in Chinese）.

[11]鄭詩程,彭勃,徐禮萍.T型三電平拓撲的PWM控制策略[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2016,28（2）:93-97.Zheng Shicheng,Peng Bo,Xu Liping.PWM control strategy of T-type three-level topology[J].Proceedings of the CSU-EPSA,2016,28（2）:93-97（in Chinese）.

劉永奎

劉永奎（1985-），男，通信作者，碩士，工程師，研究方向：電力電子與光伏并網(wǎng)技術(shù)，E-mail：summer.lemon@126.com。

鐘建朋（1981-），男，博士，工程師，研究方向：電力電子與光伏并網(wǎng)技術(shù)，E-mail：jpzhong333@163.com。

周洪偉（1982-），男，碩士，工程師，研究方向：電力電子與光伏并網(wǎng)技術(shù)，E-mail：hwzhoufly@foxmail.com。

張磊（1979-），男，博士，高級工程師，研究方向：光伏發(fā)電設(shè)備，E-mail：zhanglei@tbeaenergy.com。

Carrier-based Discontinuous Pulse-width Modulation Strategy for Three-level Grid-connected Inverters

LIU Yongkui,ZHONG Jianpeng,ZHOU Hongwei,ZHANG Lei
（TBEA Xi’an Electric Technology Co.,Ltd.，Xi’an 710119,China）

This paper firstly presents the principle and realization of the discontinuous pulse-width modulation（DPWM）for the three-level inverter,and carries out a comparative study of the performance of the continuous PWM and the DPWM.As a result,an optimal carrier-based modulation scheme is proposed to accommodate the DPWM with the non-unity power factor operation of inverters.In addition,the proposed optimal DPWM can reduce the switching loss of three-level inverters running at a non-unity power factor.Simulation and experimental results finally validate the correctness and feasibility of the modulation scheme.

three-level;carrier-based modulation;discontinuous pulse-width modulation（DPWM）;non-unity power factor

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.96

TM461

A

2016-04-09；

2016-05-27

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2015AA050606）

Project Supported by National High-tech Ramp;D Program（863 Program） of China（2015AA050606）