基于SPWM/SVPWM调制策略的逆变器效率研究

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（安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601）

1 引言

随着传统能源的日益枯竭，太阳能已经成为一种十分具有潜力的新能源，光伏发电是当前太阳能利用的主要方式之一。并网逆变器作为太阳能电池与电网的接口装置，在新能源的开发和利用中有着至关重要的作用。光伏并网逆变器的效率是光伏发电系统的一个重要指标，如何提高逆变器的转换效率，是一个研究热点。

目前，科研工作者在逆变器效率的研究上做了很多工作。文献[1]分析了正弦脉宽调制技术SPWM和电压空间矢量调制技术SVPWM之间的区别与联系，指出采用SVPWM时电压利用效率比SPWM高约15.47%，能获得更高的调制度，但未从功率角度定量分析两种调制策略的区别。文献[2]对SPWM调制方法的损耗做了简单分析，但未给出损耗的计算方法，未分析SVPWM调制时损耗的计算和系统效率。

本文从提高光伏并网逆变器效率的角度出发，分别采用SPWM调制技术和SVPWM调制技术，分析逆变器损耗的计算方法，比较采用这两种调制策略时，逆变器的输出效率，利用Matlab进行仿真，分析不同控制策略对逆变器效率的影响，并搭建实验平台，进行了实验验证。

2 光伏并网逆变器的拓扑结构

一般的光伏并网逆变系统由太阳能电池阵列、直流母线电容C、逆变桥、滤波电路和变压器组成，示意图如图1所示。太阳能电池产生的直流电能通过逆变桥后，转变成交流电能，经过滤波电感后与电网连接。直流母线电容作为支撑电容，维持母线直流电压的恒定，使其基本保持在一定的稳定值范围。由于光伏电池电压较低，逆变桥后还会增加一个变压器，起升压作用，以便得到用户需要的电压值。

图1 并网逆变器的三相拓扑结构Fig.1 Three-phase gridconnected inverter topology

3 逆变器的损耗分析

光伏并网逆变器的损耗主要包括功率器件的损耗、滤波电路的损耗和变压器的损耗3部分。本文重点研究功率器件损耗，包括导通损耗和开关损耗。由于三相的对称性，可以A相为例来进行损耗分析。

3.1 SPWM调制策略时逆变器的效率分析与仿真

采用SPWM调制时，取三角波为载波，正弦波为调制波，计算出占空比为

其中，m为调制度，则第n个开关周期内的占空比为

式中：fs为载波频率；f0为基波频率。

上桥臂导通时间为Dn×Ts，下桥臂导通时间为(1-Dn)×Ts，Ts为开关周期。

3.1.1 导通损耗计算

由于开关周期时间很短，在1个开关周期内负载电流值可认为保持不变，则第n个开关周期负载电流可以写成:

式中：Im为输出负载电流的幅值；φ为功率因数角。

逆变器的输出电压和电流如图2所示，根据电流的方向，划分为4个区域。每个区域电流流过的器件如图2所示。

图2 逆变器输出区域划分Fig.2 Inverter output region division

在区域Ⅰ（Ⅳ）内，负载电流小于0，电流流入逆变器，图1中A点输出正电平时，电流实际流经二极管D1，A点输出负电平时，电流实际流经IGBT 管 S4。

区域Ⅰ功率器件导通损耗计算如下：

其中

E+onⅠ为Ⅰ区域A点输出正电平时产生的导通损耗，E-onⅠ为Ⅰ区域A点输出负电平时产生的导通损耗，N1为Ⅰ区域内的开关次数，利用下式计算：

IGBT导通压降vce和二极管导通压降vF与流经电流iA的关系可以从IGBT手册中查到。

在区域Ⅱ（Ⅲ）中，负载电流大于0，电流流出逆变器，当A点输出正电平时，电流流经S1管，当A点输出负电平时，电流实际流经二极管D4。逆变器功率器件导通损耗计算如下：

N2为区域Ⅰ和Ⅱ内的开关次数，计算如下：

由区域对偶性，总导通损耗为

3.1.2 开关损耗计算

在IGBT开通、关断及反并联二极管关断的过程中，由于电压和电流变化需要一定的时间，产生了交叠面积，形成了功率器件的开关损耗。IGBT开通一次的能量损耗定义为Eon，IGBT关断一次的能量损耗定义为Eoff，反并联二极管关断一次的能量损耗定义为Err，这3个参数与流过的电流有关，可以从生产厂商提供的数据手册中查到。

功率开关器件在每一个开关周期内，总会产生1次Eon、1次Eoff和1次Err。功率器件开关损耗可以由下式计算：

式中:Vdc为逆变器实际输入的直流电压值；为数据手册上开关损耗测试的参考直流电压值，一般为600 V；N为载波比。

式中,pair和rinf分别为环境气压和此时的爆轰产物半径。联立式(21)--式(23)，可求出碎片第3阶段的速度增量vi：

总损耗P1为导通损耗Pon1与开关损耗Psw1之和，如下式：

采用SPWM调制策略时，逆变器的效率η1为

式中：Ps为输入功率。

3.1.3 仿真

设直流电压为500 V，载波频率为1 500 Hz，基波频率为50 Hz，滤波电感0.015 H，仿真时间为0.06 s。

Matlab仿真图如图3所示。

图3 采用SPWM调制策略时逆变器效率仿真图Fig.3 SPWM modulation strategy of inverter efficiency simulation diagram

利用Matlab仿真后，得到输出和输入功率波形如图4所示。

图4 采用SPWM调制策略时逆变器效率仿真波形图Fig.4 SPWM modulation strategy of inverter efficiency simulation waveforms graph

3.2 采用SVPWM调制策略时逆变器的效率分析与仿真

采用SVPWM调制时，可以获得更大的直流电压利用效率，同时避免了输入直流中点漂移问题。SVPWM调制方式不存在占空比概念，其损耗需要按照各部分电压、电流和导通时间分别计算。

3.2.1 导通损耗计算

三相逆变器开关的开、关组成8个基本状态，记每相桥臂上管开通为1，关断为0，则8个基本状态分别为：000，001，010，011，100，101，110，111。由此8个开关状态可在α，β平面坐标系中得到8个基本矢量，这8个矢量将平面分成6个区域，如图5所示。利用这8个基本矢量可以合成α，β平面内任意空间矢量。希望输出的三相交流电压为一个在坐标系下逆时针旋转的矢量Vref，当Vref位于第k个区域时，可以由该区域相邻的2个矢量Vk和Vk+1以及零矢量Vz作用不同时间来合成Vref。三相逆变器有2个零矢量，分别是V0(000)和V7(111)。零矢量作用时间的分配方法不同，就会形成不同的SVPWM调制策略。本文采用对称式调制策略，即在1个开关周期Ts中使用 2个零空间矢量 V0(000)和 V7(000)，第1个区域内，空间矢量的排列顺序是:000，100，110，111，110，100，000，如图 6 所示，每个开关周期有6次开关切换。

图5 基本开关矢量图Fig.5 Basic switching vectors

图6 矢量序列分布图Fig.6 Vector distribution graph of sequence

区域Ⅰ内相邻矢量及零矢量作用的时间可以由下式得到：

式中：Ts为开关周期；M为逆变器三相线电压最大值与直流侧电压值之比；θ为目标矢量Vref在区域内转过的角度。

A相上桥臂在1至6区域内的导通时间Tup可由下式求得，下桥臂的导通时间为

将一个工频周期内的输出电压电流划分为图2所示4个区域。在Ⅰ区域内，功率开关器件导通损耗计算如下:

N1为Ⅰ区域内的开关次数，利用下式计算:

在Ⅱ区域内，功率器件导通损耗计算如下:

N2为区域Ⅰ和Ⅱ内的开关次数，计算如下:

由区域对偶性，总导通损耗为

3.2.2 开关损耗计算

采用对称式SVPWM调制策略时，一个开关周期内，功率器件开关次数与SPWM调制时相同，开关损耗计算方法与前述一致。

总损耗P2为导通损耗Pon2与开关损耗Psw2之和，如下式：

采用SVPWM调制策略时，逆变器的效率η2为

式中：Psv为输入功率。

相同硬件条件下，理论上逆变器采用SVPWM调制策略的效率比采用SPWM调制策略时的效率高，原因在于SVPWM调制策略能获得更高的调制度，对直流电压的利用效率更高。本文实验部分将对这个结论进行验证。

3.2.3 仿真

采用与SPWM相同的仿真条件，即直流电压为500 V，载波频率为1 500 Hz，滤波电感为0.015 H，仿真时间为0.06 s。

Matlab仿真如图7所示。

利用Matlab进行仿真，得到输出和输入功率如图8所示。

从示波器中可以读出，输出功率为9 465.1 W，输入功率为9 695.5 W，因而得到采用SVPWM调制策略时，逆变器的转化效率为97.62%。

可见，条件相同时，采用SVPWM调制策略，逆变器的输出功率更大，转化效率更高。

图8 采用SVPWM调制策略时逆变器效率仿真波形图Fig.8 SVPWM modulation strategy of inverter efficiency simulation waveforms graph

4 实验

分别采用SPWM和SVPWM调制策略，进行实验，实验条件如下：直流侧电压为500 V，直流母线电容为4 700 μF，采用日本富士FGW50N60HD型号IGBT搭建逆变桥，利用DSP2812芯片进行控制，产生驱动信号。采用SPWM和SVPWM调制策略时，利用功率表测量的输入/输出功率如表1所示。

表1 不同调制策略效率实验比较Tab.1 Experimental comparison of different modulation strategies efficiency

从表1可以看出，采用SVPWM调制策略，逆变器的输出功率更大，效率有明显的提升，与仿真结果一致。

5 结论

本文基于SPWM和SVPWM两种调制策略，分析了逆变器效率的计算方法，利用Matlab进行仿真，得到功率的仿真波形，在此基础上，搭建了实验平台，进行实验验证。仿真和实验结果都表明，采用SVPWM控制策略，逆变器的输出功率更大，效率更高。

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