CN105337524A - 三电平有源中点钳位光伏逆变器开关损耗平衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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Udc/2,0,-Udc/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 |
Udc/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 |
-Udc/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Udc/2,0,-Udc/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 |
Udc/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 |
-Udc/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。
Claims (3)
1.三电平有源中点钳位光伏逆变器开关损耗平衡控制方法,其特征在于,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,每相桥臂可以输出Udc/2,0,-Udc/2三种电平,分别用P、O、N表示;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
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;
在A、F大区: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,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: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,选择切换时中间的零状态选择OU2和OL2,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,选择切换时中间的零状态选择OU2和OL2,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 C、D区采用开关切换方式;
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;
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;
b、c相开关切换方式为将a相相位超前或者滞后120度;
在逆变器运行时各桥臂轮流采用这三种模式。
2.如权利要求1所述的三电平有源中点钳位光伏逆变器开关平衡损耗控制方法,其特征在于: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。
3.如权利要求1所述的三电平中点钳位光伏逆变器开关损耗平衡控制方法,其特征在于,所述开关管S1-S6为IGBT。
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