周 成

（安徽國際商務(wù)職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 231131）

隨著全球能源問題的不斷加劇以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率光伏逆變器作為經(jīng)濟(jì)高效的綠色可再生能源器件得到了廣泛應(yīng)用，普遍使用的IGBT、IGCT等開關(guān)器件的容量等級(jí)也在不斷提高。為了進(jìn)行可靠的電能轉(zhuǎn)換，其開通與關(guān)斷必須安全可靠，這是逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件[1-4]。然而，在某些條件下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比趨于1或0的窄脈沖信號(hào)。功率開關(guān)器件的開、關(guān)是需要一定時(shí)間的，窄脈沖的發(fā)生可使開關(guān)器件失效而影響到開關(guān)管的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)燒毀并產(chǎn)生巨大損失[5-7]。因此，為了系統(tǒng)安全可靠，運(yùn)行必須盡量消除窄脈沖信號(hào)，通常采取在一個(gè)工頻周期里對(duì)輸出占空比進(jìn)行限制以避免窄脈沖的出現(xiàn)。

1 窄脈沖的產(chǎn)生

在空間矢量調(diào)制方式下，不同調(diào)制比產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的大小是不同的[8-10]。由圖1可知，當(dāng)調(diào)制比較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比在0.5附近波動(dòng)；當(dāng)調(diào)制比較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)窄脈沖。

圖1 調(diào)制比對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的影響

在實(shí)際的逆變發(fā)電光伏系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)通常較小，逆變器的直流輸入電壓將成為影響調(diào)制比大小的主要因素。當(dāng)直流輸入的電壓越大時(shí)，調(diào)制比就越小。直流輸入電壓、電網(wǎng)電壓、調(diào)制比和是否出現(xiàn)窄脈沖的關(guān)系如表1所示。

表1 直流電壓、電網(wǎng)電壓、調(diào)制比和是否出現(xiàn)窄脈沖的關(guān)系

2 窄脈沖抑制策略

在當(dāng)前光伏、風(fēng)力發(fā)電等所使用的各種控制策略中，對(duì)于窄脈沖的處理方法會(huì)因不同的PWM模式和比較寄存器加載方式而不同，因而窄脈沖抑制算法也不同，但是所有算法均須考慮死區(qū)的作用。當(dāng)PWM采用對(duì)稱生成、遞增遞減計(jì)數(shù)模式時(shí)，比較寄存器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)加載寄存器值兩次，在計(jì)數(shù)值等于比較寄存器值時(shí)，PWM會(huì)按照預(yù)先設(shè)置進(jìn)行電平變化產(chǎn)生占空比可變的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。采用遞增遞減模式時(shí)需進(jìn)行如圖2所示的EPWM配置，計(jì)數(shù)器進(jìn)行兩次比較，并產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)在遞減或者遞增模式下的比較寄存器與計(jì)數(shù)器的值相等時(shí)，PWM會(huì)分別翻轉(zhuǎn)為高、低電平。

由圖2可以看出，從遞增到遞減時(shí)EPWMXB容易產(chǎn)生窄脈沖，從遞減到遞增時(shí)EPWMXA容易產(chǎn)生窄脈沖。死區(qū)產(chǎn)生情況如圖2所示，并設(shè)死區(qū)上升/下降沿延時(shí)寄存器的值為xDT。當(dāng)a點(diǎn)到b點(diǎn)計(jì)數(shù)器從遞增到遞減模式變換時(shí)，設(shè)EPWM周期寄存器值為yPRD，a、b處的比較寄存器值分別為Ca、Cb，則a、b之間的時(shí)間寬度Cab以及窄脈沖脈寬Pw分別為

圖2 EPWM輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)及死區(qū)產(chǎn)生位置。（a）從遞增到遞減切換；（b）從遞減到遞增切換

同理可得，當(dāng)從c點(diǎn)到d點(diǎn)，計(jì)數(shù)器從遞減到遞增模式變換時(shí)，c、d點(diǎn)之間的時(shí)間寬度Ccd以及窄脈沖脈寬Pw分別為

在實(shí)際功率器件控制中，死區(qū)xDT和期望的最小脈寬Pwmin是固定的，當(dāng)滿足式（3）時(shí)會(huì)產(chǎn)生窄脈沖：

從窄脈沖的脈寬表達(dá)式及其出現(xiàn)位置，可以判斷出當(dāng)前是處于遞增到遞減切換模式，還是處于遞減到遞增切換模式，進(jìn)而判斷出當(dāng)前窄脈沖產(chǎn)生的位置。由式（1）和（2）可知，計(jì)數(shù)器在不同計(jì)數(shù)模式切換時(shí)，要獲取2次比較寄存器值之間寬度的計(jì)算公式是不一樣的，可以定義兩個(gè)變量D1和D2，分別作如下計(jì)算：

結(jié)合式（3）可得，當(dāng)xDT≤D1≤xDT+Pwmin時(shí)，可判斷出計(jì)數(shù)器工作在從遞增到遞減切換模式。此時(shí)，若Ca＞yPRD-xDT，則取Cb=yPRD-1；若yPRD-(Pwmin+xDT)≤Ca≤yPRD-xDT，則取Cb=2yPRD-(Pwmin+xDT)-Ca。同理可得，當(dāng)xDT≤D2≤xDT+Pwmin時(shí)，可判斷計(jì)數(shù)器工作在從遞減到遞增切換模式，此時(shí)，若Cc＜xDT，則取Cd=1；若xDT≤Cc≤Pwmin+xDT，則取Cd=(Pwmin+xDT)-Cc。程序?qū)?duì)修正后的寄存器值進(jìn)行判斷，然后給EPWM比較寄存器賦值，從而完成窄脈沖的抑制。若D1和D2均不滿足以上條件，則不做窄脈沖抑制處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

窄脈沖在調(diào)制比大時(shí)容易產(chǎn)生，調(diào)制比小時(shí)不容易產(chǎn)生。在程序控制中將空間矢量調(diào)制的輸入進(jìn)行調(diào)整可達(dá)到改變調(diào)制比的效果。調(diào)制比大小所對(duì)應(yīng)的窄脈沖實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示，可以看出，調(diào)制比較小時(shí)占空比在0.5左右，此時(shí)無窄脈沖產(chǎn)生，而當(dāng)調(diào)制比較大時(shí)產(chǎn)生了脈寬大約為1.08μs的窄脈沖。通過在算法程序中加入上述的窄脈沖抑制算法程序可以對(duì)窄脈沖進(jìn)行抑制。窄脈沖的抑制情況如圖4所示，可以看出，窄脈沖的寬度由1.08μs增大到約2.88μs。

圖3 調(diào)制比大小所對(duì)應(yīng)的窄脈沖波形。（a）調(diào)制比小時(shí)的窄脈沖波形；（b）調(diào)制比大時(shí)的窄脈沖波形

圖4 窄脈沖抑制實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

以上研究表明，窄脈沖在調(diào)制比較大時(shí)容易產(chǎn)生，而且使用遞增遞減模式時(shí)PWM可能出現(xiàn)在兩個(gè)位置，進(jìn)行抑制時(shí)需要先判斷其所在位置，然后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)抑制處理。使用窄脈沖抑制算法可有效抑制窄脈沖的產(chǎn)生。窄脈沖抑制算法可應(yīng)用于光伏逆變器、風(fēng)電變流器等高壓大功率控制系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性。