三电平ANPC变流器损耗平衡的SVPWM策略

田博文，呼斯乐，彭佩佩，陈 创，曹裕捷，李 洁

(1.西安理工大学 电气工程学院，陕西 西安 710048；2.内蒙古电力(集团)有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020；3.中国电力科学研究院有限公司，江苏 南京 210013)

0 引 言

随着国家经济的快速发展，社会对电力需求不断增加，多电平变流器被广泛应用于高压大容量场合[1]。多电平变流器可以承受更高的电压，在应用于电网、电机控制等领域时，可以减小电网中谐波污染，提升电网输电能力，而且使得线路损耗降低[2]；同时，又可提高用户的用电设备工作可靠性[3]。

目前多电平变流器中最常见的是三电平拓扑，其中三电平NPC 变流器已经有非常广泛地应用[4]。传统三电平NPC变流器工作时存在器件结温差异较大，开关器件损耗分布不平衡等问题[5]，这些问题严重影响变流器的可靠性及使用寿命。为了改善NPC变流器损耗不平衡的问题，有学者提出了ANPC拓扑[6]。该拓扑使用可控开关器件代替钳位二极管，既具有钳位结构的特点，同时又可以输出多种零状态，为损耗平衡提供了可能。

损耗平衡策略是ANPC 变流器的研究热点。有学者提出通过2种脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)工作方式切换实现结温平衡控制[7]，随着调制度的变化动态改变2种 PWM 的工作比例，该方法可在一定程度上实现结温平衡控制，但不能有效实现每相桥臂所有器件的损耗分布平衡，且每种 PWM 方式采用不同的零状态，存在多个不同零状态之间的切换，从而额外增加了开关损耗。还有学者采用软开关技术减小ANPC变流器的开关损耗[8]，但该技术中变流器每个桥臂使用2个辅助开关管和1个 LC 谐振支路，增加了系统成本和复杂度，且没有研究器件的损耗平衡。还有学者对ANPC变流器每相桥臂的损耗分布进行研究[9-10]，根据不同的开关模式和不同的工作条件，建立了详细的损耗模型并计算了系统损耗分布，提出了减小损耗的控制策略，但也未对钳位开关管的损耗分布进行研究。

相比于上文应用的PWM策略， SVPWM策略可以提高直流电压利用率，更易实现对三电平变流器的控制[11]。因此，将SVPWM策略应用于三电平ANPC变流器的损耗平衡，通过在换相过程中选择相同的零过渡状态以减少开关管的多余动作，从而实现变流器开关管的损耗平衡。

1 三电平ANPC变流器

1.1 工作原理

将端口输出三种电平状态分别设为P、O、N，设电流流向负载为正方向，取C1=C2，使直流侧电压均分UC1=UC2=UDC/2，三电平ANPC变流器拓扑图[12]如图1所示。Sx1、Sx2、Sx3、Sx4为ANPC变流器的桥臂开关管，Sx5、Sx6为ANPC变流器的钳位开关管，其中x代表a、b、c三相。

三电平ANPC变流器有a、b、c三相，工作状态相同，以a相为例，其工作原理如下。

1) 当开关管Sa1、Sa2、Sa6同时导通且Sa3、Sa4、Sa5同时关断时，电流为正方向，电流经过Sa1、Sa2，a相端输出UDC/2(即输出为状态P)；当电流为负方向时，电流经过Sa1、Sa2的反并联二极管Da1、Da2输出为P状态。

2) 当开关管Sa3、Sa4、Sa5同时导通，电流为正方向时，经过Da3和Da4，a相输出-UDC/2(即输出为状态N)；当电流为负方向时，电流经过Sa3、Sa4，同样a相输出N状态。

3) 当开关管Sa2、Sa5、Sa4开通，或开关管Sa3、Sa6、Sa1开通，a端输出为0(即输出状态为O)，O状态中产生4种不同开关组合。所以，在此拓扑结构中，O状态产生冗余状态分别设为OU1、OU2、OL1、OL2。电流任意方向，零状态开关组合伴随一个开关管，与另一个模块中反并联二极管。

1.2 损耗分析

ANPC变流器损耗主要由开关损耗和导通损耗组成，以a相为例，设以流出电流为正，由P状态到OU1、OU2过渡时，电路存在以下换流损耗[13-14]。

1) 当输出状态为P时，开关管Sa1、Sa2、Sa6开通时，电流分别经过Sa1、Sa2流出，存在Sa1、Sa2的导通损耗。注意：P状态时，Sa6开通，但Sa3、Sa4未开通，开关Sa6没有电流经过，因此没有损耗。此时，存在Sa1、Sa2导通损耗。

2) 当P状态向OU1状态过渡时，Sa1、Sa6关断，Sa4、Sa5开通。电流分别经过Sa5的反并联二极管D5以及Sa2。Sa1、Sa6关断时，Sa1存在关断损耗，Sa6无损耗。

3) 当OU1状态向P状态过渡时，Sa4、Sa5关断，Sa1、Sa6开通。电流经过Sa1、Sa2流出,开关Sa6没有电流经过，因此没有损耗。此过程存在D5反向恢复损耗，Sa1开通损耗。

4) 当输出状态为OU1时,Sa2、Sa4、Sa5开通时，电流经过反并联二极管D5以及Sa2。注意：OU1状态时，Sa4开通，但Sa3未开通，开关Sa4没有电流经过，因此没有损耗。此时，存在D5、Sa2导通损耗。

5) 当P状态向OU2状态过渡时，Sa1、Sa6关断，Sa5开通，与P状态向OU1状态过渡大致相同，电流分别经过Sa5的反并联二极管D5以及Sa2输出。此过程Sa1存在关断损耗。

6) 当OU2状态向P状态过渡时，此过程存在D5反向恢复损耗，Sa1开通损耗。

7) 当输出状态为OU1时，存在D5、Sa2导通损耗。

8) 当P状态向OL2状态过渡(Sa1、Sa3、Sa6开通)时，Sa2关断，Sa3开通，电流经过Sa3的反并联二极管D3以及Sa6输出。Sa6在P状态时，无电流经过，所以无损耗。此过程存在Sa2关断损耗。

9) 当OL2状态向P状态过渡时，Sa3关断，Sa2开通，电流经过Sa1、Sa2输出. 此过程存在Sa3的反并联二极管D3反向恢复损耗，Sa2开通损耗。

10) 当输出状态为OL2时，Sa1、Sa3、Sa6开通，电流经过Sa6以及Sa3的反并联二极管D3，此时存在D3，Sa6导通损耗。

11) 当P状态向OL1状态过渡(Sa3、Sa6开通)时,Sa1、Sa2关断，Sa3开通，电流经过Sa6以及Sa3的反并联二极管D3，此时存在Sa1、Sa2关断损耗。

12) 当OL1状态向P状态过渡时，Sa1、Sa2开通，Sa3关断，电流经过Sa1、Sa2，此时存在D3反向恢复损耗，Sa1、Sa2开通损耗。此状态过渡引起开关管Sa1、Sa2、Sa3产生损耗，相比较其余状态之间过渡损耗增加，则予以排除。相对于其他换流过程，其损耗分布如上述分析。

依据输出电压电平状态，负载电流方向与状态转化前后顺序存在以下情况[15]。

P+表示输出电平为P，电流方向为“+”，即输出；N-表示输出电平为N，电流方向为“-”。则有如下的16种混合状态(不同电平状态与电流方向转化前后不同)。

当由P+状态转化为OU1-状态时，Sa1存在关断损耗，Sa5存在开通损耗；由OU1-状态转化为P+状态时，Sa1存在开通损耗，Sa5存在关断损耗；P-状态转化为OU1+状态时，D1存在反向恢复损耗；OU1+状态转化为P-状态时，D5存在反向恢复损耗；P+状态转化为OL2-状态时，Sa2存在关断损耗，Sa3存在开通损耗；OL2-状态转化为P+状态时，Sa2存在开通损耗，Sa3存在关断损耗；P-状态转化为OL2+状态时，D2存在反向恢复损耗；OL2+状态转化为P-状态时，D3存在反向恢复损耗。

当由N+状态转化为OU1-状态时，D3存在反向恢复损耗；OU1-状态转化为N+状态时，D2存在反向恢复损耗；N-状态转化为OU1+状态时，Sa2存在开通损耗，Sa3存在关断损耗；OU1+状态转化为N-状态时，Sa2存在关断损耗，Sa3存在导通损耗；N+状态转化为OL1-状态时，D4存在反向恢复损耗；OL1-状态转化为N+状态时，D6存在反向恢复损耗；N-状态转化为OL1+状态时，Sa4存在关断损耗，Sa6存在开通损耗；OL1+状态转化为N-状态时，Sa4存在开通损耗，Sa6存在关断损耗。

换流过程中各个开关管损耗如下[16]：

每个开关管的通态损耗Pcond.S为

(1)

式中:IS为流过该开过管的电流；vS为该开关管的初始饱和压降；rS为该开关管的通态电阻。

每个开关管的开关损耗Psw.S为

Psw.S=fsw.SEsw.SIS

(2)

式中:fsw.S为开关管的开关频率。

因此开关管的总损耗PS为

PS=Psw.S+Pcond.S

(3)

每个开关管并联的续流二极管的通态损耗Pcond.D为

(4)

式中:ID为流过二极管的电流；vD为二极管的初始饱和压降；rD为通态电阻。

由于实际应用中二极管的开关损耗比较小，常常被忽略,因此，开关管的实际总损耗为

Ploss=PS+Pcond.D

(5)

(6)

式中:n为各个器件的不平衡度;Ploss.AV为各器件损耗的平均值。

2 损耗平衡SVPWM策略

SVPWM是控制三电平变流器的重要方法[17]，首先,将所有的开关状态划分为不同的电压矢量，判断各电压矢量所属的大扇区，小扇区;其次,再计算出各电压矢量作用的时间;最后,选择7段式发波的形式对三电平ANPC变流器进行控制[18]。图2为SVPWM电压矢量分布图。

图 2 SVPWM电压矢量分布Fig.2 Distribution of SVPWM voltage vector

传统的SVPWM策略调制周期内零状态选择OU2，一个调制周期损耗分布不均[19]。长时间的工作会导致Sx1至Sx4结温分布不均衡从而损坏开关器件。为避免输出电压矢量错乱，降低输出电压波形畸变概率，减少开关损耗，实现损耗平衡，一般情况下，输出电压矢量须遵循一定的排列序列作用于主电路。首先,根据调制度的不同将6扇区划分层次，从而划分为不同的工作模式；其次,根据划分的工作模式选择相同的过渡零状态；最后,总结过渡模式的状态选择方法。

2.1 划分扇区层次

为了避免输出电压矢量发生错乱，降低输出电压波形畸变概率，减少开关损耗，一般情况电压矢量遵循一定的排列序列作用于主电路。当出现P到O到N状态变换时，由于O状态有4种冗余状态，即多种选择方式。为了降低开关损耗，应当P到O，O到N状态变换中间，O状态选择相同过渡状态。若P到OU1，OU2到N，则中间过程存在OU1到OU2之间转化，增加开关损耗，应当避免此种情况发生。因此，有如下划分：

第1层，m<0.5，扇区中1、2小区；第2层，0.5≤m<1，包含3、4、5、6小区；第3层，m=1，只包含5、6小区。采用第2层，即0.5≤m<1进行说明。根据对图2观察：β轴右侧处于P、O状态；左侧则处于N、O状态。

1) 若以纵轴右侧扇区为起点，左右对称，在左侧扫过对称区域可能实现平衡；

2) 若以E扇区或左侧扇区为起点，此时，至少应以调制周期整数倍实现。

根据分析P到O，N到O状态选择可得：

第1种选择以β轴为分界线，第2种选择以α，β双轴为分界线，第3种选择以6个扇区为总体，且观察矢量分布图，任意电压矢量经过180°对称，说明PPN经过180°旋转得NNP。

因此得到如下规律:

1) 扇区1与4扫过区域相同，扇区2与5扫过区域相同，扇区3与6扫过区域相同，则扫过区域相同的扇区采用同种换流方式；

2) 应注意扫过小区个数影响损耗平衡控制；

3) 每个扇区中小区3、4、5、6关于横坐标存在对称关系，即正三角与倒三角对称(O状态)。

2.2 划分状态选择模型

根据扇区层次的划分可将工作模式分为3种，根据调制度m灵活选择工作模式，以a相为例。

模式1：β轴为分界线,左右侧零状态分别选择OU1、OL2。

模式2：在模式1基础之上B、E扇区零状态分别替换为OL2、OU1。

模式3：在模式1基础之上A、C、D、F扇区零状态分别替换为OL2、OU1、OU1、OL2。

注：B、E扇区β轴左右侧零状态分别为OL2、OU1。

3 仿真验证

为了验证上述理论分析的正确性，采用Matlab进行仿真。直流电压为400 V，开关频率为10 kHz，负载电容为100 μF，负载电感为30 mH，电阻10 Ω，调制度为0.65。IGBT不是理想器件，存在器件损耗，根据具体配备的数据手册。以Infineon公司生产的型号为FF300R12KS4的IGBT为例[20]，以a相为例，损耗平衡前、后开关管损耗功率的仿真结果如图3、4所示。

(a) Sa1 (b) Sa2 (c) Sa3

(d) Sa4 (e) Sa5 (f) Sa6图 3 损耗平衡前开关管损耗功率Fig.3 Power loss of switch before loss balance

(a) Sa1 (b) Sa2 (c) Sa3

(d) Sa4 (e) Sa5 (f) Sa6 图 4 损耗平衡后开关管损耗功率Fig.4 Power loss of switch after loss balance

如图3所示，损耗平衡前，调制周期内零状态选择OU2，一个调制周期损耗分布不均，且Sa2、Sa3损耗在0.02 s损耗差过大。如图4所示，损耗平衡优化后，一个调制周期损耗分布相对平均，且桥臂开关管的功率损耗有所减少。采用0.02 s 时的数据，损耗平衡前、后的仿真结果如表1所示。

表 1 0.02 s开关管损耗平衡前、后对比Tab.1 Comparison of switch before and after loss balance at 0.02 s

根据表1的数据，通过式(6)计算出a相桥臂开关管(Sa1～Sa4)的不平衡度和钳位开关管(Sa5～Sa6)不平衡度。通过不平衡度可以描述a相桥臂开关管和钳位开关管损耗偏离平均损耗的程度，以此来体现采用损耗平衡策略的效果。损耗平衡前，桥臂开关管的最大不平衡度为23.12%，钳位开关管的最大不平衡度为11.19%，损耗平衡后，桥臂开关管的最大不平衡度为6.37%，钳位开关管的最大不平衡度为4.71%。由于传统SVPWM策略没有选择相同的过渡状态，导致开关管的多余动作，从而产生一定的损耗，使得各管损耗分布不均匀，不平衡度也相对较高。相比较平衡之前的损耗，所提出的损耗平衡策略的一个调制周期内，各个开关管的损耗分布更加均匀，其对应的不平衡也大大减小。

4 结 语

本文对三电平ANPC 型变流器P、O、N状态组合和负载电流方向进行详细的分析，并列出换流方式对各个开关产生导通损耗与开关损耗分布情况,制定相关损耗平衡的 SVPWM 策略。调制策略采用对称思想进行切换以及遵循相关原则，通过对开关次数的减少，换流方式的选择，从而实现桥臂中开关器件损耗平衡。最后,对所提出的基于三电平ANPC变流器的新型损耗平衡策略进行仿真验证，与不加损耗平衡对比，新调制策略下ANPC变流器整体的不平衡度明显减小，各开关管的损耗分布更加均匀。