不同調制方式下逆變器主回路功率損耗的對比分析

郝為瀚，郭金川，孔志達

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 100032）

0 引 言

一般光伏并網逆變器的功率損耗取決于其硬件主回路的設計與相應的軟件控制技術。其中，脈寬調制方式對功耗的影響較為明顯。目前，在光伏并網逆變器中，空間矢量脈寬調制（Space Vector PWM，SVPWM）技術得到了較為普遍的應用。與以往常見的正弦脈寬調制（SPWM）相比，SVPWM可以獲得更高的直流電壓利用率（提高約15.4%），有利于提高光伏并網逆變器的使用率[1]。

盡管SVPWM可提高系統的直流電壓利用率，但其對逆變器的功率損耗并無明顯改善。為降低逆變器功率損耗，開發了大量的不連續脈寬調制（Discontinuous PWM，DPWM）技術，通過改變調制波的形狀，令其在特定時間段內保持橋臂輸出為正或負向直流側電壓，從而降低MOSFET/IGBT器件的開關損耗，達到降低系統功率損耗的目的[2]。

為了對比分析不同PWM策略方式下逆變器系統的功率損耗并分析不同因素對功耗的影響，本文利用具備熱分析功能的電力電子仿真軟件PLECS對一臺70 kW的逆變器進行了建模，對SVPWM、DPWM1以及軟件內置的一種類似截斷調制波的調制方式（此處稱為TPWM）進行了對比仿真研究。結果表明，不連續脈寬調制的確有助于降低系統功率損耗，而選取合適的工況對降低系統功耗同樣重要。

1 不同PWM方式的形成

一般來說，載波脈寬調制與空間矢量脈寬調制方式是目前逆變器中普遍采用的兩種脈寬調制技術。

載波脈寬調制通常為正弦脈寬調制（SPWM）技術，出現較早，工程實現簡單，技術成熟且應用較廣。相比而言，空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術出現較晚，基于磁鏈跟蹤思想，將三相輸出視為整體進行考慮，在直流電壓利用率和諧波含量等方面具有一定的優勢，因此在當前有取代SPWM成為逆變器主要控制方式的趨勢。但是，SVPWM基于矢量整體考慮，采用傳統的方法，需要進行復雜的三角函數與坐標變換運算，計算量較大，對硬件的計算能力提出了較高的要求。

通過在SPWM調制波中加入特定的零序分量，可以得到與SVPWM一致的輸出波形。研究表明，僅根據調制波幅值進行分區可得到統一的零序分量表達式。通過選取不同的參數，可由SPWM調制波最終得到SVPWM與DPWM的調制波形。零序分量的表達式分如下兩種情況。

第一種，當S(Ua)+S(Ub)+S(Uc)＜0（I區）時，零序分量的表達式為：

第二種，當S(Ua)+S(Ub)+S(Uc)＞0（II區）時，零序分量的表達式為：

其中：

式（1）與式（2）中，在任意時刻三相調制波Ua、Ub、Uc中，定義最大值為Umax，最小值為Umin。Umid為另外一個中間值，k為零序電壓分量分配系數。

除上述兩種PWM策略外，為了解決過調制問題，可以提高直流側電壓利用率。在PLECS軟件中，它引入了一種過調制處理算法。如圖1所示，它通過對三相調制波m進行死區處理，而后加和，并作飽和處理后形成零序分量，加入原調制波m形成最終的調制波m'，本文稱其為TPWM方式。

圖1 過調制模塊基本原理

基于上述分析，SVPWM、DPWM1以及TPWM這3種調制方式均可表示為原調制波加零序分量的形式，并可采用載波調制方式實現，從而避免復雜的數學計算。

本文采用PWM產生方式，對典型的SVPWM、DPWM1以及PLECS軟件中自帶的過調制處理模塊（3-Phase Overmodulation）形成的調制方式TPWM控制下的逆變器進行功率損耗計算與對比。

2 逆變器及主回路建模

本文利用PLECS軟件搭建三電平逆變器主回路和控制回路模型，通過選用IGBT器件的開關及導通損耗實際測試數據建立其熱損耗模型，分析3種不同發波方式在不同直流母線電壓（調制度）、不同開關頻率（調制比）以及不同功率（并網電流）情況下逆變橋中器件的功耗變化情況。利用PLECS軟件中的工具，將所采用IGBT器件的開關導通損耗測試數據進行建模，,通過熱路模型計算損耗與溫升之間的關系，為損耗的迭代計算提供支撐?？紤]到未知實際系統中的散熱硅脂與散熱片的熱阻與熱容參數，且整個熱平衡過程持續時間較長，故在仿真中通過在不同功率下給定不同結溫的方法進行處理。基本的器件及控制參數如表1所示。

表1 逆變器器件及控制參數

3 不同工況下的逆變器功耗對比分析

3.1 直流母線電壓對損耗的影響

3種發波方式中，采用SVPWM時逆變器的損耗最大，采用DPWM1時系統損耗最小，采用TPWM時系統損耗居中。采用SVPWM與DPWM1時，逆變器損耗與直流母線電壓近似呈正比例線性關系變化。而采用TPWM時，隨直流母線電壓升高，逆變器損耗與電壓不成線性關系變化。這主要是由于TPWM策略在直流母線電壓變化時，其不調制角度占比會隨之變化。

3.2 開關頻率對損耗的影響

逆變器開關頻率對系統損耗及并網電流的諧波均具有明顯影響。通常，越高的開關頻率意味著更低的諧波，但會導致更高的開關損耗；反之，情況相反。

為了明確開關頻率與損耗間的關系，此處開關頻率從10～20 kHz每隔2 kHz取一值，此時保持直流母線電壓為780 V，而逆變器功率滿功率70 kW。不同發波方式下，逆變器功耗隨開關頻率的增加均出現明顯增加，且與開關頻率成近似指數關系。其中，DPWM1的功耗仍為最小。隨著開關頻率的增加，DPWM1和TPWM發波方式下逆變器功耗相對SVPWM時下降的幅度有所增加，即開關頻率越大，DPWM1相對SVPWM對逆變器損耗的降低作用越明顯。

3.3 輸出功率對損耗的影響

逆變器輸出功率的不同同樣會影響逆變器功耗。一般，隨輸出功率的增加，并網的電流會隨之增加，從而IGBT和DIODE的開關及導通損耗均會增加。損耗功率的增加會導致半導體結溫的升高，從而進一步導致損耗增加[3]。

為了明確輸出功率與損耗間的關系，從0～80 kW中選取不同點。同時，為盡可能反映溫度變化的影響，對不同功率取不同結溫，此時直流母線為780 V，開關頻率為16 kHz。

隨著輸出功率的增加，逆變器功耗呈指數關系增長。但是，SVPWM與其他兩種調制方式的功耗差距越來越大。因此，DPWM1和TPWM相對SVPWM來說，功耗降低的比例隨功率的增加變得越來越大。

4 結 論

逆變器直流母線電壓、開關頻率以及輸出功率的增加，均會導致系統功耗的增加，其中以輸出功率的影響最大。在輸出功率不可改變的情況下，選取更低的直流母線電壓和開關頻率可以最大可能地降低系統功耗。采用不連續PWM方式如DPWM1及TPWM，可以不同程度地降低半導體器件的開關損耗，從而有效降低系統功耗。通過仿真，在合理選取參數的情況下，DPWM1對單位功率因數運行逆變器可較SVPWM策略降低超過12%的功耗，而在直流母線電壓較低的情況下也可以取得較SVPWM策略降低超過10%的功耗。因此，為了盡可能地降低逆變器功耗，應選取盡可能低的直流母線電壓和合適（較高的）的開關頻率，并采用不連續調制發波方式。