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，曹裕捷，李 潔

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

0 引 言

隨著國家經濟的快速發展，社會對電力需求不斷增加，多電平變流器被廣泛應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，在應用于電網、電機控制等領域時，可以減小電網中諧波污染，提升電網輸電能力，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撲，其中三電平NPC 變流器已經有非常廣泛地應用[4]。傳統三電平NPC變流器工作時存在器件結溫差異較大，開關器件損耗分布不平衡等問題[5]，這些問題嚴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，有學者提出了ANPC拓撲[6]。該拓撲使用可控開關器件代替鉗位二極管，既具有鉗位結構的特點，同時又可以輸出多種零狀態，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。有學者提出通過2種脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)工作方式切換實現結溫平衡控制[7]，隨著調制度的變化動態改變2種 PWM 的工作比例，該方法可在一定程度上實現結溫平衡控制，但不能有效實現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，存在多個不同零狀態之間的切換，從而額外增加了開關損耗。還有學者采用軟開關技術減小ANPC變流器的開關損耗[8]，但該技術中變流器每個橋臂使用2個輔助開關管和1個 LC 諧振支路，增加了系統成本和復雜度，且沒有研究器件的損耗平衡。還有學者對ANPC變流器每相橋臂的損耗分布進行研究[9-10]，根據不同的開關模式和不同的工作條件，建立了詳細的損耗模型并計算了系統損耗分布，提出了減小損耗的控制策略，但也未對鉗位開關管的損耗分布進行研究。

相比于上文應用的PWM策略， SVPWM策略可以提高直流電壓利用率，更易實現對三電平變流器的控制[11]。因此，將SVPWM策略應用于三電平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以減少開關管的多余動作，從而實現變流器開關管的損耗平衡。

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分別設為P、O、N，設電流流向負載為正方向，取C1=C2，使直流側電壓均分UC1=UC2=UDC/2，三電平ANPC變流器拓撲圖[12]如圖1所示。Sx1、Sx2、Sx3、Sx4為ANPC變流器的橋臂開關管，Sx5、Sx6為ANPC變流器的鉗位開關管，其中x代表a、b、c三相。

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

1) 當開關管Sa1、Sa2、Sa6同時導通且Sa3、Sa4、Sa5同時關斷時，電流為正方向，電流經過Sa1、Sa2，a相端輸出UDC/2(即輸出為狀態P)；當電流為負方向時，電流經過Sa1、Sa2的反并聯二極管Da1、Da2輸出為P狀態。

2) 當開關管Sa3、Sa4、Sa5同時導通，電流為正方向時，經過Da3和Da4，a相輸出-UDC/2(即輸出為狀態N)；當電流為負方向時，電流經過Sa3、Sa4，同樣a相輸出N狀態。

3) 當開關管Sa2、Sa5、Sa4開通，或開關管Sa3、Sa6、Sa1開通，a端輸出為0(即輸出狀態為O)，O狀態中產生4種不同開關組合。所以，在此拓撲結構中，O狀態產生冗余狀態分別設為OU1、OU2、OL1、OL2。電流任意方向，零狀態開關組合伴隨一個開關管，與另一個模塊中反并聯二極管。

1.2 損耗分析

ANPC變流器損耗主要由開關損耗和導通損耗組成，以a相為例，設以流出電流為正，由P狀態到OU1、OU2過渡時，電路存在以下換流損耗[13-14]。

1) 當輸出狀態為P時，開關管Sa1、Sa2、Sa6開通時，電流分別經過Sa1、Sa2流出，存在Sa1、Sa2的導通損耗。注意：P狀態時，Sa6開通，但Sa3、Sa4未開通，開關Sa6沒有電流經過，因此沒有損耗。此時，存在Sa1、Sa2導通損耗。

2) 當P狀態向OU1狀態過渡時，Sa1、Sa6關斷，Sa4、Sa5開通。電流分別經過Sa5的反并聯二極管D5以及Sa2。Sa1、Sa6關斷時，Sa1存在關斷損耗，Sa6無損耗。

3) 當OU1狀態向P狀態過渡時，Sa4、Sa5關斷，Sa1、Sa6開通。電流經過Sa1、Sa2流出,開關Sa6沒有電流經過，因此沒有損耗。此過程存在D5反向恢復損耗，Sa1開通損耗。

4) 當輸出狀態為OU1時,Sa2、Sa4、Sa5開通時，電流經過反并聯二極管D5以及Sa2。注意：OU1狀態時，Sa4開通，但Sa3未開通，開關Sa4沒有電流經過，因此沒有損耗。此時，存在D5、Sa2導通損耗。

5) 當P狀態向OU2狀態過渡時，Sa1、Sa6關斷，Sa5開通，與P狀態向OU1狀態過渡大致相同，電流分別經過Sa5的反并聯二極管D5以及Sa2輸出。此過程Sa1存在關斷損耗。

6) 當OU2狀態向P狀態過渡時，此過程存在D5反向恢復損耗，Sa1開通損耗。

7) 當輸出狀態為OU1時，存在D5、Sa2導通損耗。

8) 當P狀態向OL2狀態過渡(Sa1、Sa3、Sa6開通)時，Sa2關斷，Sa3開通，電流經過Sa3的反并聯二極管D3以及Sa6輸出。Sa6在P狀態時，無電流經過，所以無損耗。此過程存在Sa2關斷損耗。

9) 當OL2狀態向P狀態過渡時，Sa3關斷，Sa2開通，電流經過Sa1、Sa2輸出. 此過程存在Sa3的反并聯二極管D3反向恢復損耗，Sa2開通損耗。

10) 當輸出狀態為OL2時，Sa1、Sa3、Sa6開通，電流經過Sa6以及Sa3的反并聯二極管D3，此時存在D3，Sa6導通損耗。

11) 當P狀態向OL1狀態過渡(Sa3、Sa6開通)時,Sa1、Sa2關斷，Sa3開通，電流經過Sa6以及Sa3的反并聯二極管D3，此時存在Sa1、Sa2關斷損耗。

12) 當OL1狀態向P狀態過渡時，Sa1、Sa2開通，Sa3關斷，電流經過Sa1、Sa2，此時存在D3反向恢復損耗，Sa1、Sa2開通損耗。此狀態過渡引起開關管Sa1、Sa2、Sa3產生損耗，相比較其余狀態之間過渡損耗增加，則予以排除。相對于其他換流過程，其損耗分布如上述分析。

依據輸出電壓電平狀態，負載電流方向與狀態轉化前后順序存在以下情況[15]。

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

當由P+狀態轉化為OU1-狀態時，Sa1存在關斷損耗，Sa5存在開通損耗；由OU1-狀態轉化為P+狀態時，Sa1存在開通損耗，Sa5存在關斷損耗；P-狀態轉化為OU1+狀態時，D1存在反向恢復損耗；OU1+狀態轉化為P-狀態時，D5存在反向恢復損耗；P+狀態轉化為OL2-狀態時，Sa2存在關斷損耗，Sa3存在開通損耗；OL2-狀態轉化為P+狀態時，Sa2存在開通損耗，Sa3存在關斷損耗；P-狀態轉化為OL2+狀態時，D2存在反向恢復損耗；OL2+狀態轉化為P-狀態時，D3存在反向恢復損耗。

當由N+狀態轉化為OU1-狀態時，D3存在反向恢復損耗；OU1-狀態轉化為N+狀態時，D2存在反向恢復損耗；N-狀態轉化為OU1+狀態時，Sa2存在開通損耗，Sa3存在關斷損耗；OU1+狀態轉化為N-狀態時，Sa2存在關斷損耗，Sa3存在導通損耗；N+狀態轉化為OL1-狀態時，D4存在反向恢復損耗；OL1-狀態轉化為N+狀態時，D6存在反向恢復損耗；N-狀態轉化為OL1+狀態時，Sa4存在關斷損耗，Sa6存在開通損耗；OL1+狀態轉化為N-狀態時，Sa4存在開通損耗，Sa6存在關斷損耗。

換流過程中各個開關管損耗如下[16]：

每個開關管的通態損耗Pcond.S為

(1)

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

每個開關管的開關損耗Psw.S為

Psw.S=fsw.SEsw.SIS

(2)

式中:fsw.S為開關管的開關頻率。

因此開關管的總損耗PS為

PS=Psw.S+Pcond.S

(3)

每個開關管并聯的續流二極管的通態損耗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為通態電阻。

由于實際應用中二極管的開關損耗比較小，常常被忽略,因此，開關管的實際總損耗為

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,將所有的開關狀態劃分為不同的電壓矢量，判斷各電壓矢量所屬的大扇區，小扇區;其次,再計算出各電壓矢量作用的時間;最后,選擇7段式發波的形式對三電平ANPC變流器進行控制[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

傳統的SVPWM策略調制周期內零狀態選擇OU2，一個調制周期損耗分布不均[19]。長時間的工作會導致Sx1至Sx4結溫分布不均衡從而損壞開關器件。為避免輸出電壓矢量錯亂，降低輸出電壓波形畸變概率，減少開關損耗，實現損耗平衡，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,根據調制度的不同將6扇區劃分層次，從而劃分為不同的工作模式；其次,根據劃分的工作模式選擇相同的過渡零狀態；最后,總結過渡模式的狀態選擇方法。

2.1 劃分扇區層次

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

第1層，m<0.5，扇區中1、2小區；第2層，0.5≤m<1，包含3、4、5、6小區；第3層，m=1，只包含5、6小區。采用第2層，即0.5≤m<1進行說明。根據對圖2觀察：β軸右側處于P、O狀態；左側則處于N、O狀態。

1) 若以縱軸右側扇區為起點，左右對稱，在左側掃過對稱區域可能實現平衡；

2) 若以E扇區或左側扇區為起點，此時，至少應以調制周期整數倍實現。

根據分析P到O，N到O狀態選擇可得：

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個扇區為總體，且觀察矢量分布圖，任意電壓矢量經過180°對稱，說明PPN經過180°旋轉得NNP。

因此得到如下規律:

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

2) 應注意掃過小區個數影響損耗平衡控制；

3) 每個扇區中小區3、4、5、6關于橫坐標存在對稱關系，即正三角與倒三角對稱(O狀態)。

2.2 劃分狀態選擇模型

根據扇區層次的劃分可將工作模式分為3種，根據調制度m靈活選擇工作模式，以a相為例。

模式1：β軸為分界線,左右側零狀態分別選擇OU1、OL2。

模式2：在模式1基礎之上B、E扇區零狀態分別替換為OL2、OU1。

模式3：在模式1基礎之上A、C、D、F扇區零狀態分別替換為OL2、OU1、OU1、OL2。

注：B、E扇區β軸左右側零狀態分別為OL2、OU1。

3 仿真驗證

為了驗證上述理論分析的正確性，采用Matlab進行仿真。直流電壓為400 V，開關頻率為10 kHz，負載電容為100 μF，負載電感為30 mH，電阻10 Ω，調制度為0.65。IGBT不是理想器件，存在器件損耗，根據具體配備的數據手冊。以Infineon公司生產的型號為FF300R12KS4的IGBT為例[20]，以a相為例，損耗平衡前、后開關管損耗功率的仿真結果如圖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，調制周期內零狀態選擇OU2，一個調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，損耗平衡優化后，一個調制周期損耗分布相對平均，且橋臂開關管的功率損耗有所減少。采用0.02 s 時的數據，損耗平衡前、后的仿真結果如表1所示。

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

根據表1的數據，通過式(6)計算出a相橋臂開關管(Sa1～Sa4)的不平衡度和鉗位開關管(Sa5～Sa6)不平衡度。通過不平衡度可以描述a相橋臂開關管和鉗位開關管損耗偏離平均損耗的程度，以此來體現采用損耗平衡策略的效果。損耗平衡前，橋臂開關管的最大不平衡度為23.12%，鉗位開關管的最大不平衡度為11.19%，損耗平衡后，橋臂開關管的最大不平衡度為6.37%，鉗位開關管的最大不平衡度為4.71%。由于傳統SVPWM策略沒有選擇相同的過渡狀態，導致開關管的多余動作，從而產生一定的損耗，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制周期內，各個開關管的損耗分布更加均勻，其對應的不平衡也大大減小。

4 結 語

本文對三電平ANPC 型變流器P、O、N狀態組合和負載電流方向進行詳細的分析，并列出換流方式對各個開關產生導通損耗與開關損耗分布情況,制定相關損耗平衡的 SVPWM 策略。調制策略采用對稱思想進行切換以及遵循相關原則，通過對開關次數的減少，換流方式的選擇，從而實現橋臂中開關器件損耗平衡。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行仿真驗證，與不加損耗平衡對比，新調制策略下ANPC變流器整體的不平衡度明顯減小，各開關管的損耗分布更加均勻。