三电平有源中点钳位光伏逆变器开关损耗平衡控制方法

摘要

本发明涉及三电平有源中点钳位光伏逆变器开关损耗平衡控制方法，主要包括以下步骤：①根据三电平有源中点钳位光伏逆变器的输出开关状态得出输出状态P状态切换到OU1、OU2和OL2状态相比P切换到OL1状态损耗小、N状态切换到OU2、OL1和OL2状态时相比N切换到OU1开关损耗小；②根据步骤①的结论得出空间矢量图的六大区中开关损耗最小的开关切换方式；③选择合适的开关切换方式实现开关损耗分布平衡。该控制方法在不影响并网逆变器输出波形质量的前提下，通过采用合适的开关切换方式有效的控制了各开关管的损耗平衡，提高了器件的使用寿命和提高了系统可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏逆变器控制领域，尤其涉及三电平有源中点钳位光伏逆变 器开关损耗平衡控制方法。

背景技术

和两电平相比，三电平具有开关器件承受电压应力仅为一半直流侧电压、 输出量谐波得到显著衰减等优点。目前，随着电力电子器件的发展，如IGBT、 HV-IGBT、IGCT等，给功率变换器中应用先进调制方法带来了机遇，诸如谐波 干扰等可被进一步优化。因此，基于IGBT等功率器件的三电平逆变器在高压、 大功率应用场合得到了广泛研究。现在已研究出了很多优化PWM方法，如 GDPWM、SHEPWM等，可是这些方法在实际应用中比较少用，因为三电平逆 变器中存在的不足大多可以通过提高开关频率克服，但随着开关频率的提高， 功率器件的功耗是一个亟待解决的问题，特别是开关损耗，它使功率器件的开 关频率潜能得不到充分发挥，这个问题对于基于IGBT的三电平逆变器尤为严 重，因为如果工作在高频状态，功率器件由于开关损耗而引起的发热给充分应 用其优点带来障碍。

本发明对于由开关损耗带来的问题主要从平衡开关损耗着手，采用适当的 开关切换方式使得各功率器件开关损耗平衡，从而避免某一个功率器件因过热 而损坏，能够相对延长整个系统中硬件的使用寿命，提高系统稳定性。

发明内容

为了使逆变器中功率器件开关损耗相对平衡，使得功率器件的开关频率潜 能能够更进一步发挥的目的，本发明提供以下技术方法：

三电平有源中点钳位光伏逆变器开关损耗平衡控制方法，包括以下步骤：

①根据三电平有源中点钳位光伏逆变器的输出开关状态得出输出状态P状态切 换到OU1、OU2和OL2状态相比P切换到OL1状态损耗小、N状态切换到OU2、 OL1和OL2状态时相比N切换到OU1开关损耗小；

三电平有源中点钳位光伏并网逆变器拓扑由直流分压电容C1和C2、以及 三相逆变电路组成，所述C1、C2串联；所述三相逆变器电路每相桥臂由6个开 关器件S1、S2，S3，S4，S5，S6组成，每个开关管对应有a，b，c三相；所述 S1、S2，S3，S4依次同向串联并与C1、C2的串联电路并联，所述S5，S6串 联且一端连接于S1、S2中点，另一端连接于S3，S4中点；且S5，S6中点连接 到C1、C2中点；各开关器件分别反并联一个续流二极管，分别为D1-D6；

由于钳位电路的作用，使得每相桥臂可以输出U_dc/2,0,-U_dc/2三种电平，分别 用P、O、N表示；O状态时电流可以通过S2，S5或S3，S6流出，也可以通过 S2，S5或S3，S6流入，O状态时电流的路径可以通过开关管的开通与关断控 制，这种O状态的冗余状态的加入为损耗在各个开关管之间的平衡提供了可能； 因此，三电平有源中点钳位光伏逆变器每相有6种开关状态，如表1所示：

表1、三电平有源中点钳位光伏逆变器的输出开关状态

输出电压 S1 S2 S3 S4 S5 S6 状态 U_dc/2 1 1 0 0 0 1 P 0 0 1 0 0 1 0 OU1 0 0 1 0 1 1 0 OU2 0 0 0 1 0 0 1 OL1 0 1 0 1 0 0 1 OL2 -U_dc/2 0 0 1 1 1 0 N

由表1可知，当从P状态切换到OU1状态时，开关损耗集中S1、S5、S6； P状态切换到OU2状态时，开关损耗集中在S1、S4、S5、S6；P状态切换到 OL1时，开关损耗集中在S1、S2和S3；P状态切换到OL2时，开关损耗集中 在S2和S3；当从N状态切换到OU1状态时，开关损耗集中在S2、S3和S4； N状态切换到OU2时，开关损耗集中在S2和S3；N状态切换到OL1或OL2 时，开关损耗全部集中在S4和S6；通过分析可见，P状态切换到OU1、OU2 和OL2状态，N状态切换到OU2、OL1和OL2状态时开关损耗较小；输出状态 切换时的损耗分布如表2所示：

表2、输出状态切换时的损耗分布

②根据步骤①的结论得出空间矢量图的六大区中开关损耗最小的开关切换方 式；

将三电平空间矢量图等分为A、B、C、D、E、F六个大区，下面对各个大 区的状态转换特征和开关切换方式进行论述：

在A、F大区：此时a相和c相开关状态有状态转换；b相有和三种状态转换；c相有状态转换；在的状态 切换时，只能选择同一个零开关状态，否则将存在两个不同零状态的切换，增 加开关损耗，例如选择及时，就存在的状态转换， 增加了Sx2、Sx3、Sx5和Sx6的开关损耗，选择切换时中间的零状态 选择OU2和OL2，开关损耗最小；

在B、E大区：此时a相有和三种状态转换；b相 状态转换；c相有状态转换；在的状态切换时，同样选择 或切换，避免了两个不同零状态的切换，且开关损耗 最小；

在C、D大区：a相有状态转换；b相有状态转换；c相有和三种状态转换；在的状态切换时，同样选择 或切换，避免了两个不同零状态的切换，且开关损耗 最小；

③建立三种换流模式，轮流选择换流模式实现开关损耗分布平衡：

建立三种换流模式，在a相时将六个有源开关分为三对(Sa1,Sa5)、(Sa2,Sa3) 和(Sa4,Sa6)；

模式I：A、F区采用的开关切换方式；B、E区采用而C、D区采用开关切换方式，此时开关损耗分布在 (Sa1,Sa5)、(Sa2,Sa3)和(Sa4,Sa6)开关管上，且(Sa1,Sa5)上分布较多，近似为 (Sa2,Sa3)和(Sa4,Sa6)的一倍；

模式II：A、F区采用的开关切换方式；B、E区采用而C、D区采用开关切换方式，此时开关损耗分布在 (Sa1,Sa5)、(Sa2,Sa3)和(Sa4,Sa6)开关管上，且(Sa2,Sa3)上分布较多，近似为 (Sa1,Sa5)和(Sa4,Sa6)的一倍；

模式III：A、F区采用的开关切换方式；B、E区采用而C、D区采用开关切换方式，此时开关损耗分布在 (Sa1,Sa5)、(Sa2,Sa3)和(Sa4,Sa6)开关管上，且(Sa4,Sa6)上分布较多，近似为 (Sa1,Sa5)和(Sa2,Sa3)的一倍；

不同模式下的开关切换方式如表3所示：

表3、整个空间矢量图中不同模式下的开关切换方式(a相)

b、c相开关切换方式为将a相相位超前或者滞后120度；

因此在逆变器运行时各桥臂轮流采用这三种模式，可以有效的实现器件的 开关损耗分布的平衡控制。

进一步的，采用三个温度传感器分别采集S1、S2和S4的温度信号，通过温 度反馈，选择三种换流模式，具体选择方法为，根据温度传感器实时采集的3 个开关管的温度值，若S1温度最低，则采用模式I；若S2温度最低，则采用模 式II；若S4温度最低，则采用模式III，通过温度反馈，灵活选择三种换流模式， 避免了复杂的开关损耗计算，实现更加精确的开关损耗平衡分布。

进一步的，所述开关管S1-S6为IGBT，由于驱动功率小而饱和压降低，常 被用于开关频率高、电压大的场合，进行开关损耗平衡控制能够使IGBT充分发 挥频率潜能。

本发明的有益效果在于：能够在不影响并网逆变器输出波形质量的前提下， 通过采用合适的换流模式有效的控制各开关管的损耗平衡，节约了硬件成本， 延长了器件的使用寿命和提高了系统可靠性。

附图说明

图1、三电平有源中点钳位光伏并网逆变器及相关组件拓扑

图2、三电平逆变器空间矢量图

图中：PV为光伏组件

具体实施方式

①根据三电平有源中点钳位光伏逆变器的输出开关状态得出输出状态P状 态切换到OU1、OU2和OL2状态相比P切换到OL1状态损耗小、N状态切换 到OU2、OL1和OL2状态时相比N切换到OU1开关损耗小；

如图1所示，三电平有源中点钳位光伏并网逆变器拓扑由直流分压电容C1 和C2、以及三相逆变电路组成，所述C1、C2串联；所述三相逆变器电路每相 桥臂由6个开关器件S1、S2，S3，S4，S5，S6组成，每个开关管对应有a，b， c三相；所述S1、S2，S3，S4依次同向串联并与C1、C2的串联电路并联，所 述S5，S6串联且一端连接于S1、S2中点，另一端连接于S3，S4中点；且S5， S6中点连接到C1、C2中点；各开关器件分别反并联一个续流二极管，分别为 D1-D6；本实施例中开关管S1-S6为IGBT。

由于钳位电路的作用，使得每相桥臂可以输出U_dc/2,0,-U_dc/2三种电平，分别 用P、O、N表示；O状态时电流可以通过S2，S5或S3，S6流出，也可以通过 S2，S5或S3，S6流入，O状态时电流的路径可以通过开关管的开通与关断控 制，这种O状态的冗余状态的加入为损耗在各个开关管之间的平衡提供了可能； 因此，三电平有源中点钳位光伏逆变器每相有6种开关状态，如表1所示：

表1、三电平有源中点钳位光伏逆变器的输出开关状态

输出电压 S1 S2 S3 S4 S5 S6 状态 U_dc/2 1 1 0 0 0 1 P 0 0 1 0 0 1 0 OU1 0 0 1 0 1 1 0 OU2 0 0 0 1 0 0 1 OL1 0 1 0 1 0 0 1 OL2 -U_dc/2 0 0 1 1 1 0 N

由表1可知，当从P状态切换到OU1状态时，开关损耗集中S1、S5、S6； P状态切换到OU2状态时，开关损耗集中在S1、S4、S5、S6；P状态切换到 OL1时，开关损耗集中在S1、S2和S3；P状态切换到OL2时，开关损耗集中 在S2和S3；当从N状态切换到OU1状态时，开关损耗集中在S2、S3和S4； N状态切换到OU2时，开关损耗集中在S2和S3；N状态切换到OL1或OL2 时，开关损耗全部集中在S4和S6；通过分析可见，P状态切换到OU1、OU2 和OL2状态，N状态切换到OU2、OL1和OL2状态时开关损耗较小；输出状态 切换时的损耗分布如表2所示：

表2、输出状态切换时的损耗分布

②根据步骤①的结论得出空间矢量图的六大区中开关损耗最小的开关切换方 式；

如图2所示，将三电平空间矢量图等分为A、B、C、D、E、F六个大区， 下面对各个大区的状态转换特征和开关切换方式进行论述：

在A、F大区：此时a相和c相开关状态有状态转换；b相有和三种状态转换；c相有状态转换；在的状态 切换时，只能选择同一个零开关状态，否则将存在两个不同零状态的切换，增 加开关损耗，例如选择及时，就存在的状态转换， 增加了Sx2、Sx3、Sx5和Sx6的开关损耗，选择切换时中间的零状态 选择OU2和OL2，开关损耗最小；

在B、E大区：此时a相有和三种状态转换；b相 状态转换；c相有状态转换；在的状态切换时，同样选择 或切换，避免了两个不同零状态的切换，且开关损耗 最小；

在C、D大区：a相有状态转换；b相有状态转换；c相有和三种状态转换；在的状态切换时，同样选择 或切换，避免了两个不同零状态的切换，且开关损耗 最小；

③建立三种换流模式，轮流选择换流模式实现开关损耗分布平衡：

建立三种换流模式，在a相下将六个有源开关分为三对(Sa1,Sa5)、(Sa2,Sa3) 和(Sa4,Sa6)；

模式I：A、F区采用的开关切换方式；B、E区采用而C、D区采用开关切换方式，此时开关损耗分布在 (Sa1,Sa5)、(Sa2,Sa3)和(Sa4,Sa6)开关管上，且(Sa1,Sa5)上分布较多，近似为 (Sa2,Sa3)和(Sa4,Sa6)的一倍；

模式II：A、F区采用的开关切换方式；B、E区采用而C、D区采用开关切换方式，此时开关损耗分布在 (Sa1,Sa5)、(Sa2,Sa3)和(Sa4,Sa6)开关管上，且(Sa2,Sa3)上分布较多，近似为 (Sa1,Sa5)和(Sa4,Sa6)的一倍；

模式III：A、F区采用的开关切换方式；B、E区采用而C、D区采用开关切换方式，此时开关损耗分布在 (Sa1,Sa5)、(Sa2,Sa3)和(Sa4,Sa6)开关管上，且(Sa4,Sa6)上分布较多，近似为 (Sa1,Sa5)和(Sa2,Sa3)的一倍；

不同模式下的开关切换方式如表3所示：

表3、整个空间矢量图中不同模式下的开关切换方式(a相)

b、c相开关切换方式为将a相相位超前或者滞后120度；

因此在逆变器运行时各桥臂轮流采用这三种模式，可以有效的实现器件的 开关损耗分布的平衡控制。

采用三个温度传感器分别采集S1、S2和S4的温度信号，通过温度反馈， 选择三种换流模式，具体选择方法为，根据温度传感器实时采集的3个开关管 的温度值，若S1温度最低，则采用模式I；若S2温度最低，则采用模式II；若 S4温度最低，则采用模式III，通过温度反馈，灵活选择三种换流模式，避免了 复杂的开关损耗计算，实现更加精确的开关损耗平衡分布。

本发明的有益效果在于：能够在不影响并网逆变器输出波形质量的前提下， 通过采用合适的换流模式有效的控制各开关管的损耗平衡，节约了硬件成本， 延长了器件的使用寿命和提高了系统可靠性。

以上述依据本发明理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人 员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。 本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围 来确定其技术性范围。