三电平ANC并网逆变器损耗分布平衡分析

熊树 陈玉

摘 要光伏并网逆变器可以有效的利用太阳能资源，将其转变为人们需要的各种能源，实现资源的可持续利用。为了科学合理的提高整个光伏并网发电系统的效率和输出电能质量，以及整体容量，可以通过积极利用三电平拓扑的光伏并网逆变器来实现。本文主要对三电平ANPC光伏并网逆变器拓扑和开关损耗进行简单分析，并根据SHEPWM的调制方法，着重提出控制损耗分布平衡的策略。

【关键词】并网逆变器 损耗分布 平衡分析

1 前言

随着科学技术的不断进步，光伏并网发电系统也在不断改进和发展。相关科研人员不断提出各种各样的拓扑结构，像全桥拓扑、T型拓扑以及HERIC拓扑等等。而三电平ANPC并网逆变器，通过PWM可以有限分析出在各种输出状态间切换器件的相关分布情况，并据此采取措施来实现损耗分布的平衡。

2 三电平ANPC光伏并网逆变器拓扑和开关损耗分析

根据三电平ANPC光伏并网逆变器的拓扑组成结构，可以看出该系统主要有四部分组成，分别是：滤波器、光伏组件以及并网逆变器和电网。三电平ANPC光伏并网逆变器当中，分别由Sx1～Sx6这六个开关器件组成每一相桥臂，且每一个开关器件都反并联一个续流二极管，通过配合钳位电路，内部的所有相桥臂都能够实现三种电平的输出，分别是Udc/2，0， -Udc/2。因为ANPC比原来的NPC多用了有源的开关器件，所以可以在0电平输出的状态下，不管是在电流流出的时候，还是电流流入的时候，都在原先基础上多了一条电流的通路。综合分析之后，可以得出三电平ANPC逆变器所有相桥臂都能实现6种状态的打开和关闭。这种设计和状态下，相比原先实现了0冗余，且能够根据选定不同状态来对器件的各种耗损实现控制，使其更加平衡。

根据相关试验分析可以得出，在不同状态切换当中，合理把握其规律，按照实验中耗损最小的状态进行科学的把握，可以通过使用最优化的换流方式，有效的将耗损控制在最小状态。

3 SHEPWM调制方法

根据上述分析，我们可以看出，采取科学合理的方式进行开关的选择，可以有效控制开关的损耗。基于此，我们来研究一下SHEPWM的调制方法。

SHEPWM的调制方法主要是通过科学优化的选择开关，使逆变器中相应的脉宽调制电压波形得到合理的控制，并且采取科学手段消除在变压器输出状态下电压当中存在的各种特定次数的谐波。

通过研究三电平SHEPWM的相电压波形，并运用相关定理将其进行科学的分解，得出了一组非线性超越方程组，一般情况下，要对其求解会利用优化算法以及基于牛顿迭代法两种思路。利用优化算法进行该方程式的求解，不用选取相应的方程式初值，也不用对整个调制度范围内解的变化趋势进行预测，相比基于牛顿迭代法计算起来更加方面也更切合实际。

4 损耗分布平衡控制策略

研究耗损分布的时候，我们可以将每个开关管的温度假设在一个相对稳定的状态中。依据开关状态SHEPWM波形趋势，可以得到在相对的基波周期里，a相状态的满足式，并且b和c也能得到同理的相移。并根据相关公式，可以把SHEPWM相应输出的波形进行合理分区，研究之后，可以将区域分成三个部分。这当中，对于a相電压以及电流波形，具体分区情况可以参考图1。

根据图1所示，在区域Ⅰ中，输出状态有两种，分别是：Udc/2，0，在区域Ⅱ中，输出状态有三种，分为是：Udc/2，0，-Udc/2，而区域Ⅲ中，也有0和-Udc/2这两种输出状态。所以，可以分析出在区域Ⅰ当中，换流方式为：0Udc/2；在区域Ⅱ当中，换流方式为：0Udc/2，0-Udc/2；在区域Ⅲ当中，换流方式则是：0-Udc/2。由此可以发现，在区域Ⅰ和Ⅲ中，0状态能够随意的选择开关，不管选择哪个开关，它的损耗都相对较小，可是在区域Ⅱ中进行开关的选择就不能那么随意了，由于它存在两种换流方式，所以在选择时候，只有同一个0开关状态可以供选择，如果不按这个方式操作，就会由于切换两种不同为零的状态而导致开关的损耗增加。在区域Ⅰ还有区域Ⅲ当中，因为SHEPWM使用开关的次数相应比较多，使消谐波次数也增多，相对应就会使损耗逐渐增大，但是在区域Ⅱ当中，一个周期都只存在2次开关动作，损耗机会较小。为了进一步有效的使三电平ANPC逆变器损耗分布更为平衡，并根据三电平ANPC逆变器的输出开关状态提出了三种环流模式，并展示了每个模式下不同的换流方式（表1）。表中主要展示的是a相换流的方式，b和c同理于a。

上表中虽展示了损耗在各种不同工作模式之下的分布状况，但还要结合实际的功率因数进行分析，因为功率因数跟电流通路有很大的相关连性。依据不同取值的开关角度和功率因数角具体分为4中情况来进行具体分析，4种情况分别为：φ>α1，0<φ<α1，-α1≤φ≤0还有φ<-α1，并结合图3，以φ>α1为例来进行不同模式下不同损耗的状况分析，其他情况的分析方法与此类似。（下文中P表示Udc/2，N表示-Udc/2）

模式Ⅰ下：

（1）逆变器在[0，φ]区域之间进行工作的时候，调制电压为正而负载电压是负，桥臂在0和P之间进行输出状态的切换，而采用POU2的换流方式，整个换流方式的进行过程中，D1和T5进行开关的切换时既损耗导通，又损耗开关，整个过程中D2则一直停留在导通的状态下，只产生相应的导通损耗。

（2）变频器在[φ，π]区域之间进行工作的时候，此时的调制电压变为了正，而负载电压成了正，桥臂同样在0和P之间进行输出状态的切换，依旧使用POU2这样的方式进行换流，在这个过程中，T1与D5进行开关的切换工作，不光产生开关损耗也产生导通损耗，此时的T2则由于其一直处在导通的状态下，也是只产生相应的导通损耗。

（3）变频器在[π，π+φ]区域之间进行工作的时候，就会使调制电压重新变成负的，相应的负载电压也又变成了负的，此时桥臂在N和0之间进行输出状态的切换，并且使用NOU2这样的方式进行换流，整个换流过程当中D3与T2进行开关的切换工作，此时二者既有开关损耗又有导通损耗，D4以及D5则由于其停留在导通状态下，没有参与切换工作，则只产生了导通损耗。

（4）另外，变频器在[π+φ，2π]区域之间进行工作的时候，此时的调制电压还是负的，负载电压则同样是负的，桥臂在0与N之间进行输出状态的转换，采用OL2M这样的换流方式，整个过程中T4还有D6进行开关的来回切换工作，同时存在导通耗损好开关耗损，T3则只发生导通耗损。

根据上文，分析了每一相桥臂在一个个的使用这三种模式的控制策略，并得出这种情况下，S1～S4耗损分布实现了相对的平衡，而根据ANPC的拓扑特性，对于S5与S6其本身就产生不了大的耗损，所以S5和S6也相应的实现了耗损的平衡分布。

5 结论

多电平拓扑输出的电压与正弦波更为接近，且谐波的含量更小，耐压等级更高，可以有效的提高电能输出质量以及系统的效率和容量。ANPC相比传统的NPC增加了先进且可以合理调控的开关器件，可以根据实际情况选择合适的电流回路，从而控制相关器件的耗损分布平衡。将二者结合，采用三电平ANPC并网逆变器，可科学合理的将系统中的损耗分布平衡。

参考文献

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[2]张文娟，张志刚.基于SPWM的三电平ANPC逆变器损耗平衡控制方法[J].电力电子技术， 2016，50（09）：4-6.

[3]马大俊，胡存刚，王群京等.三电平ANPC逆变器中点电压平衡控制策略[J].电子测量与仪器学报，2016，30（12）：1992-2000.

作者简介

熊树（1980-），男，江苏省淮安市人。硕士学位。副教授。主要研究方向为开关磁阻电机控制。

作者单位

淮阴师范学院物理与电子电气工程学院 江苏省淮安市 223300