基于PLECS的不同PWM调制方式下储能变流器主回路功率损耗对比分析

易事特集团(河南)有限公司 马超群 张二宝 骆 毅 张 东 李现亭

随着我国新能源政策的不断调整，未来30年新能源发电将根据国家市场需要快速发展。其中风能、光伏发电将会尤为突出，为了解决发电和用电侧不匹配问题，也使得储能行业的蓬勃发展。储能变流器作为储能系统中重要单元将具有巨大的市场需求度。

效率作为变流器的关键指标，其直接影响到了能源的转化利用率和产品优劣性。其中，脉宽调制（pulse width modulation,PWM）方式对功耗的影响较为明显。

本文利用具备热分析功能的电力电子仿真软件PLECS对一台能变流器模块进行了建模，对比SVPWM、DPWM及软件内置的一种类似截断调制波的调制方式（此处称为TPWM）进行了对比仿真研究。结果表明不连续脉宽调制的确有助于降低系统功率损耗，而选取合适的工况对降低系统功耗同样重要。

1 不同PWM方式的形成

除SPWM和SVPWM调制方式外，可引入了一种过调制处理算法，如图1所示，其通过对三相调制波m进行死区处理，而后加和，并作饱和处理后，形成零序分量，加入原调制波m形成最终的调制波m’，本文称其为TPWM方式。

图1 过调制模块基本原理

基于上述分析，三种调制方式均可表示为原调制波加零序分量的形式，并可采用载波调制方式实现，从而避免复杂的数学计算。

本文采用上述PWM产生方式，对典型的SVPWM、DPWM1及PLECS软件中自带的TPWM控制下的变流器进行功率损耗计算与对比。不同PWM调制方式的零序分量波形如图2所示。

图2 不同PWM调制方式的零序分量波形

2 变流器及主回路建模

本文利用PLECS软件搭建三电平储能变流器整体模型如图3所示。

图3 储能变流器整体模型结构

对主回路中的IGBT及续流二极管开关导通损耗测试数据进行建模，如图4所示。

图4 实际IGBT器件损耗数据建模

整个主回路的拓扑及开关、导通损耗计算的模型如图5所示。

在图3及图5所示的模型中，基本的器件及控制参数如表1所示。

图5 主回路开关、导通损耗计算模型

表1 变流器器件及控制参数

3 不同工况下的变流器功耗对比分析

一般，在交直流双向变换电路中，影响该部分损耗的主要因素有直流母线电压、开关频率及输出功率。

3.1 直流母线电压对损耗的影响

仿真中，交流侧电压有效值为540V，为了保证PWM在线性范围内调制和无需零序分量情况，直流母线电压范围在780～880V，每20V为间距取值进行数值仿真计算损耗。在直流母线电压取不同值时，变流器器开关频率设定为16kHz，功率确定为满功率80kW（单位功率因数，对应初始结温为95℃，散热片温度为75℃，环境温度为25℃）。

不同PWM发波方式在不同直流母线电压下的变流器损耗曲线做出如图6所示。

图6 不同直流母线时变流器的损耗对比

3.2 开关频率对损耗的影响

变流器开关频率对系统损耗及并网电流的谐波均具有明显影响，通常，越高的开关频率意味着更低的谐波，但会导致更高的开关损耗；反之，情况则相反。

为了明确开关频率与损耗间的关系，此处开关频率从10kHz到20kHz每隔2kHz取一值，此时保持直流母线电压为780V，而变流器功率为满功率70kW。结果如图7所示。

图7 不同开关频率时变流器的损耗对比

3.3 输出功率对损耗的影响

变流器输出功率的不同同样会影响桥臂功耗。一般，随输出功率的增加，桥臂电流随之增加，从而IGBT及DIODE的开关及导通损耗均会增加。损耗功率的增加会导致半导体结温的升高，从而进一步导致损耗的增加。

为了明确输出功率与损耗间的关系，选取从0到80kW的不同点，同时为尽可能反映温度的变化影响，对不同功率取不同结温，此时直流母线为780V，开关频率为16kHz。

从图8可以看到，随着输出功率的增加，变流器功耗呈指数关系增长。但SVPWM与其余两种调制方式的功耗差距越来越大，因此，DPWM1与TPWM相对SVPWM功耗降低的比例随功率的增加变得越来越大。

图8 不同输出功率时变流器的损耗对比

结论：不同发波方式对变流器功耗及谐波的影响不同，本文以PLECS仿真软件为基础，建立包含实际器件损耗模型在内的整体变流器仿真模型，对不同发波方式下的半导体开关及导通损耗进行了对比分析。根据相关仿真结果及分析，可以得到下面几个结论：

（1）变流器直流母线电压、开关频率及输出功率的增加均会导致系统功耗的增加，其中以输出功率的影响最大；在输出功率不可改变的情况下，选取更低的直流母线电压及开关频率可以最大可能地降低系统功耗；

（2）采用不连续调制PWM发波方式，如DPWM1及TPWM可以不同程度地降低半导体器件的开关损耗，从而有效地降低系统功耗，通过仿真，在合理选取参数的情况下，DPWM1对单位功率因数运行变流器可较SVPWM调制降低超过12%的功耗，而TPWM在直流母线电压较低的情况下，也可以取得较SVPWM调制降低超过10%功耗的结果。

故为了尽可能地降低变流器功耗，应选取尽可能低的直流母线电压，合适（较高的）的开关频率，并采用不连续调制发波方式。