基于载波调制的三电平并网逆变器断续调制策略

刘永奎，钟建朋，周洪伟，张 磊

（特变电工西安电气科技有限公司，西安710119）

基于载波调制的三电平并网逆变器断续调制策略

刘永奎，钟建朋，周洪伟，张 磊

（特变电工西安电气科技有限公司，西安710119）

首先介绍了三电平逆变器断续调制法的原理及产生方法，对连续脉宽调制PWM方法和断续PWM（DPWM）调制法的性能进行了对比分析。然后提出了一种基于载波调制的优化方案，可以使断续调制法与非单位功率因数运行条件相适应，且采用该优化DPWM调制法的三电平逆变器在非单位功率因数条件下运行时可以获得更小的开关损耗。仿真和实验结果均验证了该方法的正确性与可行性。

三电平；载波调制；DPWM；非单位功率因数

近年来，随着分布式光伏发电系统的快速发展，光伏逆变器得到大量应用，对其研究的程度也越来越深入。现阶段提高光伏逆变器的转换效率成为广泛的关注点之一，而减小开关损耗是最为简单易行的方案。

文献[1]提出在两电平空间矢量调制法基础上进行分段，使部分区域的驱动信号保持开通或关断，形成断续脉宽调制DPWM（discontinuous pulse width modulation），从而使逆变器的等效开关频率下降，降低逆变器的开关损耗；文献[2-5]对常见的60°区间无开关动作DPWM调制提出了改进方案和方法，根据零序分量生成调制相角φ的不同，形成了一系列断续调制策略方案，其中包括DPWM0（φ=0）、DPWM1（φ=π/6）、DPWM2（φ=π/4）及 DPWM3（φ=π/3）等。文献[2]采用两个零矢量与其他非零矢量进行分配，实现在输出电压正、负半周峰值处各有60°区间不进行开关动作，主要目的是在逆变器输出电压最大值附近不进行开关管动作，以减小开关损耗；文献[6]将多种DPWM调制方法进行统一实现，并分别对各种DPWM的性能进行了对比；文献[7]对NPC型三电平逆变器的开关损耗进行了分析，并对连续与断续PWM调制法进行对比；文献[10]对空间矢量调制SVPWM（space vector PWM）与DPWM两种调制方式在T型三电平逆变器损耗与谐波方面进行了分析比较。

本文在此基础上，首先对三电平逆变器DPWM调制法进行研究讨论；然后对非单位功率因数运行条件下的DPWM调制法进行研究，提出一种基于载波调制并可满足逆变器在不同功率因数下运行的DPWM调制方案；最后利用仿真及实验对提出方法进行验证，证明其正确性与可行性。

1 T型三电平逆变器损耗分析

逆变器损耗可分为固有损耗和可控损耗两大部分：固有损耗为硬件设计时引入的损耗，如滤波电感、连接导线和变压器等的自身损耗以及IGBT通态损耗，这部分损耗只与逆变器输出电流大小及相位有关，可通过优化硬件设计来降低；可控损耗在逆变器中通常指IGBT开关损耗，可通过一定的调制策略减小等效开关频率来降低该部分损耗。

图1为本文所用的T型三电平并网逆变器主电路拓扑，与传统I型NPC三电平拓扑相比，其优势在于简单的驱动时序及更低的IGBT通态损耗[11]。

图1 基于LCL滤波的三电平并网逆变器拓扑Fig.1 Topology of the three-level inverter with LCL filter

2 DPWM调制法原理及谐波比较

并网逆变器的调制方式较多，通常使用与空间电压矢量调制法SVPWM （space vector pulse width modulation）等效的零序分量注入SPWM实现，其好处是减小调制运算量及运算环节引入的误差、降低调制输出电压中的谐波成分等。DPWM的本质即通过构造合适的零序分量在一定时间内使三相调制波恒为±1或0，从而使该时间段内IGBT一直处于开通或关断状态，减少开关次数达到降低损耗的目的。

文献[3]在传统 60°DPWM（即 DPWM1）基础上提出Alternative three-level 60°DPWM方案，本文将其简称为 Alternative DPWM（ADPWM），该方案产生的调制波近似连续，可以获得较DPWM1更小的谐波畸变率。为了直观说明各个调制法在谐波畸变方面的优劣，引入谐波畸变因子HDF（harmonic distortion factor）的概念[8]，即

式中：Va为A相调制信号；Vb为B相调制信号；θ为调制信号相位。HDF越大，调制信号的畸变程度越大。同时也可以得到调制信号HDF仅与调制度M有关的结论。

图2所示为调制度M为0.9时调制策略SPWM、SVPWM、DPWM1[2]和 ADPWM[3]的调制波波形。根据式（1）可以进一步分别计算出相同载波频率下各调制策略关于调制度M的HDF数据，其中定义SPWM调制法最大调制度为1，可以确定另外3种PWM的最大调制度为1.15。

图2 不同PWM调制策略调制波比较Fig.2 Comparison of modulation waves in different PWM modulation modes

图3 相同载波频率时不同PWM方案在各调制度下的HDF比较Fig.3 Variation of HDFs with different M at the same carrier frequency for different PWM schemes

相同载波频率时不同PWM方案在各调制度下的HDF比较如图3所述。从图3中可以看出，在全调制度范围内，逆变器采用ADPWM调制法的HDF要比使用DPWM1调制法时小，但比采用连续调制法PWM的HDF要大。这意味着DPWM调制法在减小开关损耗的同时会造成谐波含量的升高。

3 非单位功率因数下的优化DPWM调制

通常情况下在母线电压恒定、IGBT规格确定时，开关损耗仅与电流有关。单位功率因数运行模式下，电流与电压同相位，选择在调制波峰值附近保持IGBT无开关动作，可以最大程度地降低开关损耗。对于非单位功率因数运行工况，有文献提到移动断续区域的方式满足不同功率因数，但均没给出具体的实施方案。本文将在ADPWM的基础上基于载波调制对非单位功率因数运行工况下的三电平逆变器调制提供一种优化实施方案。

根据三电平SVPWM调制等效原理[9]，同时简化运算，弃用矢量分区概念，仅根据调制波幅值分区，得到SPWM实现方式中需要叠加的零序分量形式如下：

式中： 在任意时刻三相调制波 Va、Vb、Vc中，Vmax为最大值；Vmin为最小值；Vmid为中间值；k为零序电压分量分配系数。

II区：当 S（Va） +S（Vb）+S（Vc）＞ 0 时

为了适应非单位功率因数运行工况，本文提出一种基于三相电流瞬时值正负号选取k的简便方法，即

式中，Ix（x=a,b,c）为三相电流瞬时值。该方式产生的DPWM称为优化ADPWM，其调制波形如图4所示，该种取值方式同样扩展应用到其他形式的DPWM非单位功率因数运行工况。

为了定量的分析及对比ADPWM调制法优化前后时开关损耗的大小，引入开关损耗函数SLF（switching loss function）[6]进行评估，分别将 ADPWM法与优化ADPWM法在不同调制度及不同功率因数角的SLF进行计算，结果如图5所示。

从图5可以看出，两种DPWM法的开关损耗不仅与功率因数角有关，还与调制度有关。优化ADPWM 调制法在功率因数角处于[－90°，90°]区间时，开关损耗小于ADPWM调制法，当调制度逐渐降低时，开关损耗会逐步增加。

图5 各调制策略在不同功率因数角及调制度的SLFFig.5 Variation of SLF with different M and φ

图6 M=1.15时ADPWM法及优化ADPWM法的SLFFig.6 Comparison of SLF with ADPWM and optimal ADPWM scheme at M=1.15

为了直观地进行比较，图6给出了在最大调制度1.15时两种调制法的SLF对比，可以看出优化ADPWM调制法的开关损耗在功率因数角处于［－90°，90°］区间时要小于优化前的ADPWM调制法。

4 实验分析

为了进一步证明提出方案的正确性，设计了三电平并网逆变器实验平台，直流母线电压560 V，并网接入点电压315 V/50 Hz，开关频率10 kHz，额定电流350 A，对优化ADPWM调制法进行非单位功率因数工况下的并网实验。

图7所示为逆变器有功功率为54 kW、无功功率为28.5 kvar时A相电流及A相桥臂上管端电压波形。从中可以看出，实验结果与仿真分析结果基本一致，逆变器输出电流峰值附近区域仍有开关管的动作，而在使用优化ADPWM时，开关器件的不动作区域移动到了逆变器输出电流峰值附近。优化后的调制法可以更有效地减小并网逆变器开关损耗，提高并网逆变器转换效率。

图7 功率因数为0.8时并网电流及A相桥臂上端IGBT驱动波形Fig.7 Grid current and IGBT driving waveforms of phase A bridge upper-leg when power factor is 0.8

5 结语

本文对三电平逆变器DPWM调制法的原理进行了分析，并在此基础上对ADPWM调制法进行了优化，使其在功率因数角处于±90°区间内时，比没有优化前的开关损耗更低，且谐波畸变没有明显的增加。仿真和实验结果验证了所提方案的正确性及可行性。

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刘永奎

刘永奎（1985-），男，通信作者，硕士，工程师，研究方向：电力电子与光伏并网技术，E-mail：summer.lemon@126.com。

钟建朋（1981-），男，博士，工程师，研究方向：电力电子与光伏并网技术，E-mail：jpzhong333@163.com。

周洪伟（1982-），男，硕士，工程师，研究方向：电力电子与光伏并网技术，E-mail：hwzhoufly@foxmail.com。

张磊（1979-），男，博士，高级工程师，研究方向：光伏发电设备，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

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2015AA050606）

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