- 頭條能同時降低開關損耗和控制中點電位平衡的混合調制策略2019-04-22 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在變流器全功率因數區域運行時，該混合調制策略均能有效地控制中點電位平衡并降低開關損耗。
近年來隨著新能源產業的不斷發展，光伏并網逆變器的裝機容量迅速增加。光伏并網逆變器采用三電平拓撲[1]，與傳統的兩電平拓撲相比，在相同的條件下具有以下優點：①輸出波形更為接近正弦，諧波含量低；②開關器件每次開關時電壓變化率du/dt和電流變化率di/dt較小，器件承受的開關應力減小，電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）程度大大減輕；③效率高，在相同諧波含量時，開關頻率大大降低，開關損耗明顯減少；④適用于高壓、大功率場合。
對三電平變流器而言，中點電位平衡是確保變流器安全穩定運行的必要條件。如果不對中點電位進行控制，不僅會導致輸出電壓波形中諧波含量上升，而且會使開關管承受較大的電壓應力，器件發熱量增加，從而影響裝置的壽命，嚴重時甚至會損壞開關器件以及燒毀直流側電容。因此，中點電位平衡問題一直是三電平變流器研究的重點[2-7]。此外隨著各種工業領域，尤其是光伏產業對大功率變流器的需求不斷增加以及半導體器件開關頻率的不斷提高，器件工作時產生的損耗已不容忽視，過大的開關損耗不僅會降低變流器效率，而且要求變流器具有良好的散熱能力，這將增加額外的成本。因此同中點電位平衡問題一樣，開關損耗問題也受到了國內外學者的廣泛關注。
截至目前，絕大多數的文獻將三電平中點鉗位型（Neutral Point Clamped, NPC）變流器的中點電位平衡問題及開關損耗問題分開進行考慮研究，或只考慮中點電位平衡問題[4-7]，或只考慮開關損耗問題，只有極少量文獻同時對兩者進行了研究分析。
針對中點電位平衡問題，控制方法主要有硬件電路和軟件控制兩種類型。由于外加硬件電路控制中點電位的方法會給系統額外增加不必要的費用，因此為了抑制中點電位波動和偏差，一般采用軟件控制策略，多數是改進型的空間矢量調制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）方法。
有文獻通過檢測直流電容電壓和負載三相電流的信息，調整小矢量對的時間分配因子實現對中點電流的精確控制。文獻[5]在傳統的SVPWM基礎上引入虛擬空間矢量，通過合理選取虛擬中矢量分配系數的值，可以在一定范圍內抑制中點電壓的波動。文獻[6]提出了一種精細分區控制中點電位平衡的新方法，該方法在不同工作區域采用不同調制方法盡量控制中點電流絕對值最小，從而控制中點電位平衡。
有文獻提出了一種基于120°坐標系的SVPWM快速算法。通過總結適當的分布規律，能夠快速得出用于中點電位平衡的冗余矢量而無需查表。以上方法均可以一定程度地抑制中點電位波動和偏差，但均未有效降低開關損耗。
針對開關損耗問題，有的研究人員引入軟開關技術，能夠顯著降低半導體器件的開關損耗，但其需要額外的硬件電路，增加了系統成本，控制較復雜。文獻[9]采用不連續SVPWM，在各相半個周期中，開關管保持60°區域不動作，降低了開關次數，從而減小了開關損耗，但其在非單位功率因數條件時，損耗降低并不明顯，調制過程中也無法抑制中點電位的波動。、
有學者利用三相瞬時電流的最大相或最小相，在原有指令電壓的基礎上疊加補償電壓，降低開關損耗，但該方法在中點電位發生偏移時并不適用。此外，同時針對中點電位平衡問題和開關損耗問題，也有少量文獻進行了相關研究。
另外，有文獻提出一種通過切換矢量序列來均衡直流側電壓的控制策略，可以同時實現中點電位平衡控制以及低開關損耗，但只討論了單位功率因數的情況，缺乏對全功率因數區域的研究。有文獻基于載波移位脈寬調制（Phase Disposition PWM, PDPWM）策略的中點電位平衡方法，提出了一種最小開關損耗脈寬調制（Small switch Losses PWM, SLPWM）和PDPWM混合調制策略，能夠有效降低開關損耗和控制中點電位，但其本質上是載波調制，因此直流側電壓利用率較低，且調制過程太復雜，不適用于工程實踐。
有文獻提出了一種協調控制策略，可以同時控制中點電位平衡并降低開關損耗，但開關管不動作區域離散分布，因而無法明顯降低開關損耗。有文獻提出一種基于DSVPWM1和DSVPWM3[15,16]混合調制策略，能夠有效控制中點電位平衡和降低開關損耗，但并未考慮兩者切換時的過渡，可能會出現兩個開關管同時動作的情況。
針對中點電位平衡問題和開關損耗問題，基于不連續SVPWM方法，西安交通大學電氣工程學院的研究人員羅銳、何英杰等，在2018年第14期《電工技術學報》上撰文，提出了一種能夠同時降低開關損耗和控制中點電位平衡的混合調制策略。該策略通過檢測變流器交流側三相瞬時電流的方向與直流側兩個電容電壓的差值來切換矢量序列，進而控制中點電位在合理范圍內波動以及選擇電流最大相或較大相不動作來降低開關損耗，這兩部分之間的切換采用滯環控制方式。在變流器全功率因數區域運行時，該混合調制策略均能有效地控制中點電位平衡并降低開關損耗。最后仿真和實驗結果驗證該調制策略的可行性和有效性。
圖1 三電平變流器主電路
（原文標題“三電平變流器中點電位平衡及低開關損耗SVPWM策略”，DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170786）
