SVPWM和DPWMA调制方式下逆变器损耗仿真研究.pdf

wwwele169com|37实验研究SVPWM 和 DPWMA 调制方式下逆变器损耗仿真研究焦静静1，谢宏伟2（1.无锡科技职业学院，江苏无锡，214000；2.上汽大通有限公司无锡分公司，江苏无锡，214000）摘要：从提高光伏逆变器的效率和降低成本出发，本文对比研究了光伏逆变器SVPWM和DPWMA两种调制方式的工作原理和实现方式，重点分析了两种调制方式下功率器件的开关损耗，同时设计了一种损耗仿真模型，针对各种工况进行仿真，仿真结果表示，相比于SVPWM，DPWMA调制方式有效降低了功率器件的开关损耗，为系统设计提供有效数据。关键词：SVPWM；DPWMA；损耗；仿真模型0 引言在碳达峰、碳中和目标指引下，太阳能等可再生能源迎来了新的机遇和挑战。光伏逆变器作为光伏并网发电的关键一环，行业态势向高效率和低成本发展。传统光伏逆变器的调制方式有正弦脉宽调制(SinusoidalPulseWidthModulation，SPWM)和空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM)。SPWM 的调制原理是生成由正弦调制波和三角载波相交的脉冲宽度，其原理简单，易于实现，但直流电压利用 率 低。区 别 于 SPWM，SVPWM 解决了直流电压利用率低的问题，同时降低了输出电压谐波畸变率。SPWM 和 SVPWM 均 为 连续 脉 宽 调 制(ContinuousPulseWidthModulation，CPWM)，这些调制方式使得功率器件频繁连续地开关，增加了逆变器的损耗和热应力，影响了逆变器的效率和散热成本，不利于逆变器向行业态势发展。相比于 CPWM，不连续脉宽调制(DiscontinuousPulseWidthModulation，DPWM)在任意时刻仅有两相功率器件动作，第三相箝位在特定的电平，这种调制方式减少了功率器件的开关次数，从而降低了开关管的损耗，以此达到光伏逆变器提高效率和降低散热成本的目的，将 DPWM调制方式应用到逆变器中也成为新的研究热点。为研究不同工况下 SVPWM 和 DPWM 调制方式下损耗差别，本文基于PSIM 设计了一种光伏逆变器逆变端的损耗预测仿真模型，该模型可以快速得到功率器件的损耗，为工程师设计散热方式提供数据，加快设计效率。1 SVPWM 基本原理与实现光伏逆变器逆变端常用的拓扑有 T 型三电平和 I 型三电平，为了适应更高的系统电压场合，I 型三电平因其功率器图 1I 型三电平逆变器拓扑结构(a)空间矢量图 (b)开关序列图图 2 SVPWM 调制方式示意图38|电子制作2023 年 7 月实验研究件串联分担母线电压从而得到广泛应用，其拓扑结构如图 1所示。以 A 相为例，母线电压为 Vbus，当开关管 Q1a、Q2a导通，Q3a、Q4a关断时，输出电压为/2dcU+，定义电路状态P状态；当开关管 Q2a、Q3a导通，Q1a、Q4a关断时，输出电压为 0，定义电路状态 O 状态；当开关管 Q3a、Q4a导通，Q1a、Q2a关断时，输出电压为-/2dcU，定义电路状态 N 状态。三电平逆变器输出共有 27 个状态，以 60划分区域，分为扇区、，每个大扇区又可分为4小扇区，分别用 A、B、C、D 表示。其空间矢量图如图 2(a)所示。以扇区为例，当参考电压矢量 Vref 在区域 A 时，功率器件开关序列为七段式 POOPONPNNONNPNNPONPOO如图 2(b)，Ts代表采样周期。SVPWM 算法实现可以按照零序分量注入三相原始调制信号中，ua、ub、uc为原始调制信号，uz为零序分量，表达式分别为：()()()*sin sin2/3 sin2/30.5aaazbbbzccczzmaxminuMtuuuuMtuuuuMtuuuuuu=+=+=+=+=+式中 umax、umin为相电压最大值和最小值。2 DPWM 基本原理与实现DPWM 是在 SVPWM 的基础上舍弃了一个冗余小分量的开关序列，当各扇区箝位相及箝位电平不同，产生了多种DPWM 策略，主要有：DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMA、DPWMB。其中 DPWMA 策略共模电压低、输出电能质量好，因此适合在光伏逆变器中应用，其空间箝位模式分布图如图 3(a)所示。同样以扇区为例，当参考电压矢量 Vref 在区域 A 时，舍弃了 ONN 小分量，功率器件开关序列为五段式 POOPONPNNPONPOO如图 3(b)。参考现有 SVPWM 的零序电压注入PWM调制方式，DPWMA 也可将零序分量注入三相原始调制信号中，零序电压 uz可以表示为：()0.5zdmaxdmaxusign uu=式中，,dadadbdbdmaxdbdbdadcdcdcdadbuuuuuuuuuuuuu=0.50,0.50 xxdxxxuuuxa b cuu=+。3 损耗分析功率器件 IGBT 的损耗主要分为导通损耗和开关损耗，导通损耗指的是IGBT在导通过程中饱和压降和电流的乘积。开关损耗指的是 IGBT 在开通和关断过程中产生的损耗。对比 SVPWM 和 DPWMA 可以发现，DPWMA 调制方式下功率器件可以减少开关次数，以此达到降低功率器件的开关损耗的作用，而增加的导通损耗可以忽略不计。以A相Q1管为例，在 SVPWM 调制方式下，其开通损耗和关断损耗分别为：()()()111_01acTononIconQQswacPEItDt dtfT=()()()111_01acToffoffIcoffQQswacPEItDt dtfT=其中，()()1_onIconQEIt，()()1_offIcoffQEIt表示功率器件 IGBT 在实际电流下的开通、关断能耗，通过该器件的数据手册可以进行拟合；()1QDt 表示开关管 Q1的占空比函数；fsw表示逆变器的开关频率；Tac表示逆变器输出周期。在 上 述 公 式 中，SVPWM 和DPWMA 算法主要影响()1QDt 占空比函数，该函数为开关占空比函数()1Q SWDt和单极性调制占空比函数()1Q ACDt 的乘积。其中，()110 20 Q ACtDtt =开关占空比函数()1Q SWDt 主要与调制电压、母线电压以及相位有关。(a)空间箝位模式图(b)开关序列图图 3DPWM 调制方式示意图wwwele169com|39实验研究*apu指的在时间区间 t0，12acT 为调制电压*au，时间区间t(12acT，acT 为 0。*anu指的在时间区间 t0，12acT 为 0，在时间区间 t(12acT，acT 为调制电压*au。111)01|()0()1(Q SWDDttD t =4 仿真研究影响 SVPWM 和 DPWMA 调制方式下损耗的差别主要为母线电压和交流电压两个参数。在 PSIM 环境下，针对 SVPWM 和 DPWMA 这两种调制方式在不同工况下进行仿真从而对比开关损耗，功率器件采用 Vincotech 公司的30-PT07MIB300S503，开关频率为 16kHz，功率为100kW，母线电压和交流电压的仿真参数如表 1 所示。表1逆变器仿真参数仿真参数工况1工况2工况3母线电压800V800V1000V交流电压500Vac540Vac500Vac按照SVPWM和DPWM实现方式对仿真模型进行了搭建，部分损耗仿真模型如图 4 所示，通过 2 输入多通路复用器切换两种方式。将工况 1、工况 2 和工况 3 的参数代入仿真模型，得到SVPWM 和 DPWMA 调制方式下功率瞬时损耗仿真波形如图5 所示，对比峰值电流处，SVPWM 调制方式瞬时损耗最大，而DPWMA 调制方式下 Q1管处于箝位区间，功率器件无开关动作，损耗几乎为 0，该现象也是 DPWMA 调制方式下损耗降低的直接原因。图 6 为根据仿真波形得到的平均功率，由仿真可以发现在各种工况下DPWMA 调制方式在降低开关损耗方面的优越性，功率下降可达 30%以上。图 7 为 PSIM 仿真和计算的对比数据，计算值与仿真值的误差在 4%左右，由数据验证了仿真的正确性，可以作为散热设计的参考。5 结语本文首先详细介绍了 SVPWM 和 DPWMA 调制方式下的工作原理，利用零序分量注入三相原始调制信号方式进行两种调制方式的实现，分析了不同调制方式下的开关损耗计算，最后针对这两种调制方式在 PSIM 环境下上进行了仿真其余图 4损耗仿真模型40|电子制作2023 年 7 月实验研究模型的搭建，并针对参数母线电压和交流电压的不同工况进行了仿真，仿真结果表明，DPWMA 调制方式下的功率器件的开关损耗明显小于 SVPWM 调制方式，仿真得到的损耗数据与计算后的结果几乎一致，该仿真模型为工程师散热设计提供了基本的数据。参考文献 1 卞蓓蕾,宋振浩,吕志鹏等.一种新型拓扑的三电平变换器及其损耗分析 J.供用电,2022,39(04):2-10.2 林辉,王博.NPC 三电平逆变器 IGBT 损耗计算 J.电子器件,2022,45(05):1162-1167.3 吴 志 红,何 耀 华.IGBT 损 耗 和 温 度 估 算 J.微 特 电机,2022,50(07):24-28.4 袁帅,荆龙,刘京斗,孙瑞东.三电平变流器的 DPWM 切换研究 J.电力电子技术,2022,56(09):130-134.5 郭寅远,李二海,任高全,曹元威.三电平光伏逆变器分段调制研究 J.电力电子技术,2021,55(12):110-113.(a)SVPWM 调制方式 (b)DPWM 调制方式图 5各工况瞬时损耗图 7DPWMA 调制方式下 PSIM 和计算损耗数据对比图 6DPWMA 和 SVPWM 调制方式下各工况开关损耗对比此设计的目标是通过摄像头图像处理完成对不良坐姿的检测和提醒，通过以上的测试发现，通过融合判断值和角度的换算，可以做到3左右的浮动误差，符合要求。但是也发现，该设计有一定的局限性，一是在位置的摆放问题，不能做到任意位置检测，如果人体前有很大的遮挡时就无法测量，二是在低头超过 35时人脸已经消失了一半，这种情况可能与摄像头的架设角度有关，也和坐姿角度算法本身的局限有关。如果可以做到人体骨骼的识别或者搭配陀螺仪设备在人体结合运算，那么精度将大幅提升也可以减少外界环境的误差。但是本设计依然可以完成大部分场景的测试，在室外强光的环境下依然可以正常运行，且整个算法的运行可以保证图像帧率在 30FPS 左右，如果产生了久坐也可以进行提示。整个系统的可扩展性比较高，可以继续添加其他功能。参考文献 1 吕松泽,王子牛,赵航,蒙鹏君,于少勇,李小涛.久坐的健康危害与运动干预的研究进展 J.当代体育科技,2021,11(36):168-172.2 王春阳.基于图像技术的人体坐姿监测研究 C.西安电子科技大学,2013.3 曾星,罗武胜,孙备,鲁琴,刘涛诚.基于深度图像的嵌入式人体坐姿检测系统的实现 J.计算机测量与控制,2017,25(09):8-12.4方劲.基于双目视觉的人体坐姿识别技术研究C.宁波大学,2020.5 胡应坤,张萍,赖健.具有坐姿纠正与人体感应的多功能智能台灯 J.电子世界,2021,(15):131-133.6刘步青,汪璞.坐姿检测专利技术综述J.河南科技,2019,(33):56-58.通信作者：金红。（上接第 13 页）