三电平有源中点钳位光伏逆变器开关损耗平衡控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光伏逆变器控制领域，尤其设及=电平有源中点错位光伏逆变器开关 损耗平衡控制方法。
【背景技术】
[0002] 和两电平相比，=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S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、S肥PWM等，可是运些方法在实际应用中比较少用，因为S电 平逆变器中存在的不足大多可W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，运个问题对于基于IGBT的S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。
[0003] 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】
[0004] 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W下技术方法： 阳〇化]=电平有源中点错位光伏逆变器开关损耗平衡控制方法，包括W下步骤：
[0006] ①根据=电平有源中点错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0U1、0U2和0L2状态相比P切换到OLl状态损耗小、N状态切换到0U2、OLl和0L2状 态时相比N切换到OUl开关损耗小；
[0007] =电平有源中点错位光伏并网逆变器拓扑由直流分压电容Cl和C2、W及=相逆 变电路组成，所述CUC2串联；所述=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，每个开关管对应有曰，b，C=相；所述S1、S2,S3,S4依次同向串联并与CU 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CUC2中点；各开关器件分别反并联一个续流二极管，分别为D1-D6 ;
[0008] 由于错位电路的作用，使得每相桥臂可W输出Udc/2, 0, -Udc/2S种电平，分别用P、 0、N表示；0状态时电流可W通过S2,S5或S3,S6流出，也可W通过S2,S5或S3,S6流入， 0状态时电流的路径可W通过开关管的开通与关断控制，运种0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，=电平有源中点错位光伏逆变器每相有 6种开关状态，如表1所示：
[0009] 表1、=电平有源中点错位光伏逆变器的输出开关状态
[0011] 由表I可知，当从P状态切换到OUl状态时，开关损耗集中SI、S5、S6 ;P状态切换 到0U2状态时，开关损耗集中在S1、S4、S5、S6 ;P状态切换到OLl时，开关损耗集中在S1、S2 和S3 ;P状态切换到0L2时，开关损耗集中在S2和S3 ;当从N状态切换到OUl状态时，开关 损耗集中在S2、S3和S4 ;N状态切换到0U2时，开关损耗集中在S2和S3 ;N状态切换到化1 或0L2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0U1、0U2和0L2状 态，N状态切换到0U2、OLl和0L2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：
[0012] 表2、输出状态切换时的损耗分布
[0014] 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；
[0015] 将S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：
[0016] 在A、F大区：此时a相和C相开关状态有P一O状态转换；b相有P一0、O^N 和P一O一NS种状态转换；C相有O^N状态转换；在P一O^N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 P一OU2及OLl一N时，就存在OU2一OLl的状态转换，增加了 8x2、Sx3、S巧和Sx6的 开关损耗，选择切换时中间的零状态选择0U2和化2,开关损耗最小； 阳017] 在B、E大区：此时a相有P一0、从->N和P片O^Nミ种状态转换；b相P一0 状态转换；C相有O^N状态转换；在P一O一N的状态切换时，同样选择Pw〇U2一N或Pw〇L2^N切换，避免了两个不同零状态的切换，且开关损耗最小； 阳01引在C、D大区：a相有O一N状态转换；b相有P一O状态转换；C相有P一0、 和S种状态转换；在P一好一N的状态切换时，同样选择P^OU2一N 或P<^OL2^N切换，避免了两个不同零状态的切换，且开关损耗最小；
[0019] ③建立=种换流模式，轮流选择换流模式实现开关损耗分布平衡：
[0020] 建立=种换流模式，在a相时将六个有源开关分为=对（Sal,Sa5)、（Sa2,Sa3)和 (Sa4,Sa6)；
[002U模式I:A、F区采用P一om的开关切换方式；B、E区采用Pw0U2,OU2^N， f一QU2片N;而C、D区采用0L2一N开关切换方式，此时开关损耗分布在（Sal,Sa5)、 (Sa2,Sa3)和（Sa4,Sa6)开关管上，且（Sal,Sa5)上分布较多，近似为（Sa2,Sa3)和 (Sa4,Sa6)的一倍； 阳02引模式II:A、F区采用P一0U2的开关切换方式；B、E区采用P一0L2wN;而C、D区采用OU2一N开关切换方式，此时开关损耗分布在（Sal,Sa5)、 (Sa2,Sa3)和（Sa4,Sa6)开关管上，且（Sa2,Sa3)上分布较多，近似为（Sal,Sa5)和 (Sa4,Sa6)的一倍； 阳02：3]模式III:A、F区采用P一0U2的开关切换方式；B、E区采用P^〇L2,〇m林化 P^OL2wN;而C、D区采用0L2一N开关切换方式，此时开关损耗分布在（Sal,Sa5)、 (Sa2,Sa3)和（Sa4,Sa6)开关管上，且（Sa4,Sa6)上分布较多，近似为（Sal,Sa5)和 (Sa2,Sa3)的一倍；
[0024] 不同模式下的开关切换方式如表3所示：
[0025] 表3、整个空间矢量图中不同模式下的开关切换方式（a相）
[0026]
[0027]b、C相开关切换方式为将a相相位超前或者滞后120度；
[0028] 因此在逆变器运行时各桥臂轮流采用运=种模式，可W有效的实现器件的开关损 耗分布的平衡控制。
[0029] 进一步的，采用=个溫度传感器分别采集S1、S2和S4的溫度信号，通过溫度反馈， 选择=种换流模式，具体选择方法为，根据溫度传感器实时采集的3个开关管的溫度值，若 Sl溫度最低，则采用模式I;若S2溫度最低，则采用模式II;若S4溫度最低，则采用模式 III，通过溫度反馈，灵活选择=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。
[0030] 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。
[0031] 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】
[0032] 图US电平有源中点错位光伏并网逆变器及相关组件拓扑
[0033] 图2、S电平逆变器空间矢量图
[0034] 图中：PV为光伏组件
【具体实施方式】
[0035] ①根据=电平有源中点错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0U1、0U2和0L2状态相比P切换到OLl状态损耗小、N状态切换到0U2、OLl和0L2状 态时相比N切换到OUl开关损耗小；
[0036] 如图1所示，S电平有源中点错位光伏并网逆变器拓扑由直流分压电容Cl和C2、 W及=相逆变电路组成，所述CUC2串联；所述=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，每个开关管对应有曰，b，C=相；所述S1、S2,S3,S4依次同向串 联并与CUC2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CUC2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。
[0037] 由于错位电路的作用，使得每相桥臂可^输出叫。/2,0，-叫。/2^种电平，分别用口、 0、N表示；O状态时电流可W通过S2,S5或S3,S6流出，也可W通过S2,S5或S3,S6流入， 0状态时电流的路径可W通过开关管的开通与关断控制，运种0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