不同调制方式下逆变器主回路功率损耗的对比分析

郝为瀚，郭金川，孔志达

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 100032）

0 引 言

一般光伏并网逆变器的功率损耗取决于其硬件主回路的设计与相应的软件控制技术。其中，脉宽调制方式对功耗的影响较为明显。目前，在光伏并网逆变器中，空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM，SVPWM）技术得到了较为普遍的应用。与以往常见的正弦脉宽调制（SPWM）相比，SVPWM可以获得更高的直流电压利用率（提高约15.4%），有利于提高光伏并网逆变器的使用率[1]。

尽管SVPWM可提高系统的直流电压利用率，但其对逆变器的功率损耗并无明显改善。为降低逆变器功率损耗，开发了大量的不连续脉宽调制（Discontinuous PWM，DPWM）技术，通过改变调制波的形状，令其在特定时间段内保持桥臂输出为正或负向直流侧电压，从而降低MOSFET/IGBT器件的开关损耗，达到降低系统功率损耗的目的[2]。

为了对比分析不同PWM策略方式下逆变器系统的功率损耗并分析不同因素对功耗的影响，本文利用具备热分析功能的电力电子仿真软件PLECS对一台70 kW的逆变器进行了建模，对SVPWM、DPWM1以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

一般来说，载波脉宽调制与空间矢量脉宽调制方式是目前逆变器中普遍采用的两种脉宽调制技术。

载波脉宽调制通常为正弦脉宽调制（SPWM）技术，出现较早，工程实现简单，技术成熟且应用较广。相比而言，空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术出现较晚，基于磁链跟踪思想，将三相输出视为整体进行考虑，在直流电压利用率和谐波含量等方面具有一定的优势，因此在当前有取代SPWM成为逆变器主要控制方式的趋势。但是，SVPWM基于矢量整体考虑，采用传统的方法，需要进行复杂的三角函数与坐标变换运算，计算量较大，对硬件的计算能力提出了较高的要求。

通过在SPWM调制波中加入特定的零序分量，可以得到与SVPWM一致的输出波形。研究表明，仅根据调制波幅值进行分区可得到统一的零序分量表达式。通过选取不同的参数，可由SPWM调制波最终得到SVPWM与DPWM的调制波形。零序分量的表达式分如下两种情况。

第一种，当S(Ua)+S(Ub)+S(Uc)＜0（I区）时，零序分量的表达式为：

第二种，当S(Ua)+S(Ub)+S(Uc)＞0（II区）时，零序分量的表达式为：

其中：

式（1）与式（2）中，在任意时刻三相调制波Ua、Ub、Uc中，定义最大值为Umax，最小值为Umin。Umid为另外一个中间值，k为零序电压分量分配系数。

除上述两种PWM策略外，为了解决过调制问题，可以提高直流侧电压利用率。在PLECS软件中，它引入了一种过调制处理算法。如图1所示，它通过对三相调制波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，SVPWM、DPWM1以及TPWM这3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PWM产生方式，对典型的SVPWM、DPWM1以及PLECS软件中自带的过调制处理模块（3-Phase Overmodulation）形成的调制方式TPWM控制下的逆变器进行功率损耗计算与对比。

2 逆变器及主回路建模

本文利用PLECS软件搭建三电平逆变器主回路和控制回路模型，通过选用IGBT器件的开关及导通损耗实际测试数据建立其热损耗模型，分析3种不同发波方式在不同直流母线电压（调制度）、不同开关频率（调制比）以及不同功率（并网电流）情况下逆变桥中器件的功耗变化情况。利用PLECS软件中的工具，将所采用IGBT器件的开关导通损耗测试数据进行建模，,通过热路模型计算损耗与温升之间的关系，为损耗的迭代计算提供支撑。考虑到未知实际系统中的散热硅脂与散热片的热阻与热容参数，且整个热平衡过程持续时间较长，故在仿真中通过在不同功率下给定不同结温的方法进行处理。基本的器件及控制参数如表1所示。

表1 逆变器器件及控制参数

3 不同工况下的逆变器功耗对比分析

3.1 直流母线电压对损耗的影响

3种发波方式中，采用SVPWM时逆变器的损耗最大，采用DPWM1时系统损耗最小，采用TPWM时系统损耗居中。采用SVPWM与DPWM1时，逆变器损耗与直流母线电压近似呈正比例线性关系变化。而采用TPWM时，随直流母线电压升高，逆变器损耗与电压不成线性关系变化。这主要是由于TPWM策略在直流母线电压变化时，其不调制角度占比会随之变化。

3.2 开关频率对损耗的影响

逆变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，情况相反。

为了明确开关频率与损耗间的关系，此处开关频率从10～20 kHz每隔2 kHz取一值，此时保持直流母线电压为780 V，而逆变器功率满功率70 kW。不同发波方式下，逆变器功耗随开关频率的增加均出现明显增加，且与开关频率成近似指数关系。其中，DPWM1的功耗仍为最小。随着开关频率的增加，DPWM1和TPWM发波方式下逆变器功耗相对SVPWM时下降的幅度有所增加，即开关频率越大，DPWM1相对SVPWM对逆变器损耗的降低作用越明显。

3.3 输出功率对损耗的影响

逆变器输出功率的不同同样会影响逆变器功耗。一般，随输出功率的增加，并网的电流会随之增加，从而IGBT和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增加[3]。

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

随着输出功率的增加，逆变器功耗呈指数关系增长。但是，SVPWM与其他两种调制方式的功耗差距越来越大。因此，DPWM1和TPWM相对SVPWM来说，功耗降低的比例随功率的增加变得越来越大。

4 结 论

逆变器直流母线电压、开关频率以及输出功率的增加，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和开关频率可以最大可能地降低系统功耗。采用不连续PWM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逆变器可较SVPWM策略降低超过12%的功耗，而在直流母线电压较低的情况下也可以取得较SVPWM策略降低超过10%的功耗。因此，为了尽可能地降低逆变器功耗，应选取尽可能低的直流母线电压和合适（较高的）的开关频率，并采用不连续调制发波方式。