基于PLECS的不同PWM調制方式下儲能變流器主回路功率損耗對比分析

易事特集團(河南)有限公司 馬超群 張二寶 駱 毅 張 東 李現亭

隨著我國新能源政策的不斷調整，未來30年新能源發電將根據國家市場需要快速發展。其中風能、光伏發電將會尤為突出，為了解決發電和用電側不匹配問題，也使得儲能行業的蓬勃發展。儲能變流器作為儲能系統中重要單元將具有巨大的市場需求度。

效率作為變流器的關鍵指標，其直接影響到了能源的轉化利用率和產品優劣性。其中，脈寬調制（pulse width modulation,PWM）方式對功耗的影響較為明顯。

本文利用具備熱分析功能的電力電子仿真軟件PLECS對一臺能變流器模塊進行了建模，對比SVPWM、DPWM及軟件內置的一種類似截斷調制波的調制方式（此處稱為TPWM）進行了對比仿真研究。結果表明不連續脈寬調制的確有助于降低系統功率損耗，而選取合適的工況對降低系統功耗同樣重要。

1 不同PWM方式的形成

除SPWM和SVPWM調制方式外，可引入了一種過調制處理算法，如圖1所示，其通過對三相調制波m進行死區處理，而后加和，并作飽和處理后，形成零序分量，加入原調制波m形成最終的調制波m’，本文稱其為TPWM方式。

圖1 過調制模塊基本原理

基于上述分析，三種調制方式均可表示為原調制波加零序分量的形式，并可采用載波調制方式實現，從而避免復雜的數學計算。

本文采用上述PWM產生方式，對典型的SVPWM、DPWM1及PLECS軟件中自帶的TPWM控制下的變流器進行功率損耗計算與對比。不同PWM調制方式的零序分量波形如圖2所示。

圖2 不同PWM調制方式的零序分量波形

2 變流器及主回路建模

本文利用PLECS軟件搭建三電平儲能變流器整體模型如圖3所示。

圖3 儲能變流器整體模型結構

對主回路中的IGBT及續流二極管開關導通損耗測試數據進行建模，如圖4所示。

圖4 實際IGBT器件損耗數據建模

整個主回路的拓撲及開關、導通損耗計算的模型如圖5所示。

在圖3及圖5所示的模型中，基本的器件及控制參數如表1所示。

圖5 主回路開關、導通損耗計算模型

表1 變流器器件及控制參數

3 不同工況下的變流器功耗對比分析

一般，在交直流雙向變換電路中，影響該部分損耗的主要因素有直流母線電壓、開關頻率及輸出功率。

3.1 直流母線電壓對損耗的影響

仿真中，交流側電壓有效值為540V，為了保證PWM在線性范圍內調制和無需零序分量情況，直流母線電壓范圍在780～880V，每20V為間距取值進行數值仿真計算損耗。在直流母線電壓取不同值時，變流器器開關頻率設定為16kHz，功率確定為滿功率80kW（單位功率因數，對應初始結溫為95℃，散熱片溫度為75℃，環境溫度為25℃）。

不同PWM發波方式在不同直流母線電壓下的變流器損耗曲線做出如圖6所示。

圖6 不同直流母線時變流器的損耗對比

3.2 開關頻率對損耗的影響

變流器開關頻率對系統損耗及并網電流的諧波均具有明顯影響，通常，越高的開關頻率意味著更低的諧波，但會導致更高的開關損耗；反之，情況則相反。

為了明確開關頻率與損耗間的關系，此處開關頻率從10kHz到20kHz每隔2kHz取一值，此時保持直流母線電壓為780V，而變流器功率為滿功率70kW。結果如圖7所示。

圖7 不同開關頻率時變流器的損耗對比

3.3 輸出功率對損耗的影響

變流器輸出功率的不同同樣會影響橋臂功耗。一般，隨輸出功率的增加，橋臂電流隨之增加，從而IGBT及DIODE的開關及導通損耗均會增加。損耗功率的增加會導致半導體結溫的升高，從而進一步導致損耗的增加。

為了明確輸出功率與損耗間的關系，選取從0到80kW的不同點，同時為盡可能反映溫度的變化影響，對不同功率取不同結溫，此時直流母線為780V，開關頻率為16kHz。

從圖8可以看到，隨著輸出功率的增加，變流器功耗呈指數關系增長。但SVPWM與其余兩種調制方式的功耗差距越來越大，因此，DPWM1與TPWM相對SVPWM功耗降低的比例隨功率的增加變得越來越大。

圖8 不同輸出功率時變流器的損耗對比

結論：不同發波方式對變流器功耗及諧波的影響不同，本文以PLECS仿真軟件為基礎，建立包含實際器件損耗模型在內的整體變流器仿真模型，對不同發波方式下的半導體開關及導通損耗進行了對比分析。根據相關仿真結果及分析，可以得到下面幾個結論：

（1）變流器直流母線電壓、開關頻率及輸出功率的增加均會導致系統功耗的增加，其中以輸出功率的影響最大；在輸出功率不可改變的情況下，選取更低的直流母線電壓及開關頻率可以最大可能地降低系統功耗；

（2）采用不連續調制PWM發波方式，如DPWM1及TPWM可以不同程度地降低半導體器件的開關損耗，從而有效地降低系統功耗，通過仿真，在合理選取參數的情況下，DPWM1對單位功率因數運行變流器可較SVPWM調制降低超過12%的功耗，而TPWM在直流母線電壓較低的情況下，也可以取得較SVPWM調制降低超過10%功耗的結果。

故為了盡可能地降低變流器功耗，應選取盡可能低的直流母線電壓，合適（較高的）的開關頻率，并采用不連續調制發波方式。