周 成
(安徽国际商务职业学院 信息工程学院,安徽 合肥 231131)
随着全球能源问题的不断加剧以及电力电子技术的不断发展,大功率光伏逆变器作为经济高效的绿色可再生能源器件得到了广泛应用,普遍使用的IGBT、IGCT等开关器件的容量等级也在不断提高。为了进行可靠的电能转换,其开通与关断必须安全可靠,这是逆变器系统稳定运行的先决条件[1-4]。然而,在某些条件下进行驱动控制会产生驱动信号的占空比趋于1或0的窄脉冲信号。功率开关器件的开、关是需要一定时间的,窄脉冲的发生可使开关器件失效而影响到开关管的安全运行,严重时会使系统烧毁并产生巨大损失[5-7]。因此,为了系统安全可靠,运行必须尽量消除窄脉冲信号,通常采取在一个工频周期里对输出占空比进行限制以避免窄脉冲的出现。
在空间矢量调制方式下,不同调制比产生的驱动信号占空比的大小是不同的[8-10]。由图1可知,当调制比较小时,驱动信号的占空比在0.5附近波动;当调制比较大时,驱动会出现窄脉冲。
图1 调制比对驱动信号的影响
在实际的逆变发电光伏系统中,电网电压波动通常较小,逆变器的直流输入电压将成为影响调制比大小的主要因素。当直流输入的电压越大时,调制比就越小。直流输入电压、电网电压、调制比和是否出现窄脉冲的关系如表1所示。
表1 直流电压、电网电压、调制比和是否出现窄脉冲的关系
在当前光伏、风力发电等所使用的各种控制策略中,对于窄脉冲的处理方法会因不同的PWM模式和比较寄存器加载方式而不同,因而窄脉冲抑制算法也不同,但是所有算法均须考虑死区的作用。当PWM采用对称生成、递增递减计数模式时,比较寄存器在一个开关周期内加载寄存器值两次,在计数值等于比较寄存器值时,PWM会按照预先设置进行电平变化产生占空比可变的驱动信号。采用递增递减模式时需进行如图2所示的EPWM配置,计数器进行两次比较,并产生相应的动作。当在递减或者递增模式下的比较寄存器与计数器的值相等时,PWM会分别翻转为高、低电平。
由图2可以看出,从递增到递减时EPWMXB容易产生窄脉冲,从递减到递增时EPWMXA容易产生窄脉冲。死区产生情况如图2所示,并设死区上升/下降沿延时寄存器的值为xDT。当a点到b点计数器从递增到递减模式变换时,设EPWM周期寄存器值为yPRD,a、b处的比较寄存器值分别为Ca、Cb,则a、b之间的时间宽度Cab以及窄脉冲脉宽Pw分别为
图2 EPWM输出驱动信号及死区产生位置。(a)从递增到递减切换;(b)从递减到递增切换
同理可得,当从c点到d点,计数器从递减到递增模式变换时,c、d点之间的时间宽度Ccd以及窄脉冲脉宽Pw分别为
在实际功率器件控制中,死区xDT和期望的最小脉宽Pwmin是固定的,当满足式(3)时会产生窄脉冲:
从窄脉冲的脉宽表达式及其出现位置,可以判断出当前是处于递增到递减切换模式,还是处于递减到递增切换模式,进而判断出当前窄脉冲产生的位置。由式(1)和(2)可知,计数器在不同计数模式切换时,要获取2次比较寄存器值之间宽度的计算公式是不一样的,可以定义两个变量D1和D2,分别作如下计算:
结合式(3)可得,当xDT≤D1≤xDT+Pwmin时,可判断出计数器工作在从递增到递减切换模式。此时,若Ca>yPRD-xDT,则取Cb=yPRD-1;若yPRD-(Pwmin+xDT)≤Ca≤yPRD-xDT,则取Cb=2yPRD-(Pwmin+xDT)-Ca。同理可得,当xDT≤D2≤xDT+Pwmin时,可判断计数器工作在从递减到递增切换模式,此时,若Cc<xDT,则取Cd=1;若xDT≤Cc≤Pwmin+xDT,则取Cd=(Pwmin+xDT)-Cc。程序将对修正后的寄存器值进行判断,然后给EPWM比较寄存器赋值,从而完成窄脉冲的抑制。若D1和D2均不满足以上条件,则不做窄脉冲抑制处理。
窄脉冲在调制比大时容易产生,调制比小时不容易产生。在程序控制中将空间矢量调制的输入进行调整可达到改变调制比的效果。调制比大小所对应的窄脉冲实验波形如图3所示,可以看出,调制比较小时占空比在0.5左右,此时无窄脉冲产生,而当调制比较大时产生了脉宽大约为1.08μs的窄脉冲。通过在算法程序中加入上述的窄脉冲抑制算法程序可以对窄脉冲进行抑制。窄脉冲的抑制情况如图4所示,可以看出,窄脉冲的宽度由1.08μs增大到约2.88μs。
图3 调制比大小所对应的窄脉冲波形。(a)调制比小时的窄脉冲波形;(b)调制比大时的窄脉冲波形
图4 窄脉冲抑制实验波形
以上研究表明,窄脉冲在调制比较大时容易产生,而且使用递增递减模式时PWM可能出现在两个位置,进行抑制时需要先判断其所在位置,然后对其进行相应抑制处理。使用窄脉冲抑制算法可有效抑制窄脉冲的产生。窄脉冲抑制算法可应用于光伏逆变器、风电变流器等高压大功率控制系统中,提高系统运行的稳定性、安全性。