三相四線制逆變器中性點電壓脈動抑制新型拓撲

蔡春偉 郭玉興 安普風 張云亮

摘要關鍵詞：三相四線制逆變器；分裂電容；三相不平衡負載；中性點電壓脈動抑制；高頻變換電路

DOI：10.15938/j.emc.2018.02.007

中圖分類號文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2018）02-0049-08

收稿日期基金項目作者簡介：

通信作者：蔡春偉A neutral point voltage ripple inhibition topology for

threephase fourwire inverter

CAI Chunwei1，GUO Yuxing1，AN Pufeng2，ZHANG Yunliang3

（1.School of Information Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology， Weihai 264209，China；

2.Suzhou Inovance Technology Co.，Ltd， Suzhou 215104， China；

3.Weihai Guangtai Airport Equipment Co.，Ltd， Weihai 264209，China）

Abstract：The midwire current of threephase split DC link inverter flow into split capacitors under unbalanced load， causing the neutral point voltage ripple. The ripple will influence threephase output voltages′ amplitude and phase. Moreover，with the growth of midwire current，in order to guarantee the symmetric threephase voltage， the splitcapacitor capacity has to be increased to decrease voltage ripple， but the increasing capacitor capacity will lead to a great addition of cost and volume. To solve the unbalanced voltage of splitcapacitor problem caused by capacitors′ divergence and the increasing of load imbalance， a high frequency converter was applied to the preceding stage of threephase split DC link inverter to balance the voltage of splitcapacitor，and a neutral point voltage ripple inhibition topology for threephase fourwire inverter was proposed and its working models were analyzed. As the simulation and experiment results show， this topology improves inverter′s ability for restraining threephase unbalanced load and reduces the capacity and volume of splitcapacitor efficiently.

Keywords：threephase fourwire inverter； splitcapacitor； threephase unbalanced load；neutral point voltage ripple inhibition； high frequency converter

0引言

隨著新能源技術的發(fā)展，分布式電源得到了廣泛的應用，獨立運行的三相逆變器作為分布電源重要組成部分，其負載可能是單相與三相混合，因此需要具備帶不平衡負載能力[1-2]。傳統(tǒng)的三相逆變器在帶不平衡負載時無法輸出對稱的三相電壓，可能出現(xiàn)某相過壓或欠壓[3]，因此必須對傳統(tǒng)三相逆變電路加以改進。目前已有文獻主要采用以下3種方法：負載側(cè)與逆變器間接入Δ/Y變壓器、三相四橋臂逆變器、分裂電容式逆變器。在Δ/Y變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)中，變壓器副邊采用星形連接的方式，從而能夠為三相不平衡負載提供中線電流通路，而三相相位相同的中線電流分量可以在變壓器角形方式連接的原邊繞組中流動，因而起到了一定的平衡作用[4]。變壓器的引入還能起到升壓、減小直流母線電壓等級，以及電容電壓等級，同時通過電磁作用將原副邊電路隔離。但是，這種拓撲結(jié)構(gòu)也有它本身的缺點，加入工頻變壓器增加了硬件的成本、重量和體積。另外該電路拓撲結(jié)構(gòu)并沒有實現(xiàn)三相電路的完全解耦，無法從根本上解決由三相負載不平衡導致得三相輸出不對稱的問題。三相四橋臂電路拓撲帶三相不平衡負載能力較強，較之于三橋臂的逆變器拓撲，增加了一個橋臂，橋臂的中點與三相負載輸出的公共點相連，拓撲簡單[4-8]。但是該拓撲結(jié)構(gòu)也存在缺點：需要進行交流逆變側(cè)的電壓電流采樣和直流母線側(cè)的電壓電流采樣檢測，增加了成本，而且要對采樣后的信號進行復雜的坐標變換和信號處理，采樣部分的精確度和程序算法的可靠性直接影響了系統(tǒng)交流輸出的精確度和穩(wěn)定度。

分裂電容式三相逆變器實現(xiàn)了三相四線制的拓撲結(jié)構(gòu)，為中性線電流提供回路，有效地消除了三相四線制拓撲結(jié)構(gòu)中由于濾波電容的存在而產(chǎn)生的零序電壓畸變[9]；采用兩個電容將直流母線分壓來鉗位交流中性點，在分裂電容的中點電壓穩(wěn)定的前提下，分裂電容式三相逆變器拓撲結(jié)構(gòu)可等效為3個單相半橋逆變器，從而將三相逆變橋解耦，此時可以對三相分別進行控制，便能夠有效地改善三相逆變器帶不平衡負載時輸出電壓不對稱的問題。

但是，對于這種分裂電容式三相逆變器，由于分裂電容的均壓問題的存在限制了這種拓撲的廣泛應用[10]，僅在小功率的場合中應用較多。本文在目前已有研究的基礎上，對傳統(tǒng)分裂電容式三相逆變器電路結(jié)構(gòu)進行改進，將中性點電壓脈動抑制拓撲應用于分裂電容式三相逆變器。通過簡單的控制算法便可提高分裂電容式三相逆變器的帶不平衡負載能力。

1中性點電壓脈動對輸出的影響

分裂電容式三相逆變器的電路拓撲如圖1所示，兩個等值電容串聯(lián)接在直流母線上，輸出采用LC濾波，三相中性點與分裂電容中點連接，通過分裂電容來抑制三相中性點電壓脈動。

對于三相平衡負載，中性線電流為零，兩個分裂電容沒有中線電流流過，逆變器可以輸出對稱等幅值的三相電壓。在分裂電容值為480 uF，直流母線100 V，逆變器三相各帶阻性負載10 Ω條件下，仿真得到的三相輸出電壓電流波形如圖2所示。

對于三相負載不平衡，中線電流經(jīng)過中性點與分裂電容中點的連線流入到兩個分裂電容中，由于中線電流流入上下電容的極性相反，導致兩個分裂電容分壓不均，從而使得中性點不斷發(fā)生波動，分裂電容的穩(wěn)壓能力達到飽和時，逆變器無法輸出對稱且相同幅值的三相交流電壓。

1.1三相四線制逆變器負載電壓不平衡機理

由于負載中性點N與分裂電容中點N′直接相連，在三相不平衡的條件下，三相負載電流ia、ib、ic的和i0通過中線流入分裂電容，假設流入兩個分裂電容的電流相等，三相分裂電容式逆變器可以等效成3個單相半橋逆變器，在正弦脈寬調(diào)制下，考慮到調(diào)制頻率遠大于輸出電壓頻率，忽略脈寬調(diào)制帶來的諧波分量，只考慮占空比中的基波分量，三相電流與中線電流滿足式（1）。

Udc2cos（ωt）=Ldiadt+（Ra//Ca）ia+12C∫i0dt，

Udc2cos（ωt+23π）=Ldibdt+（Rb//Cb）ib+12C∫i0dt，

Udc2cos（ωt-23π）=Ldicdt+（Rc//Cc）ic+12C∫i0dt。（1）

式中：L表示濾波電感值，單位為H；C為分裂電容值，單位為F。

方程（1）的解算過于復雜，根據(jù)文獻[11]論述的直流母線分裂電容電壓脈動量與連接點接入電流初始相位角和電流大小的關系。令

ΔU=12C∫i0dt。（2）

用式（2）表示中線電流流過分裂電容，產(chǎn)生的中點電壓脈動。假設三相負載為純阻性負載且阻值都為R，中線電流i0為零，則ΔU為零，則會輸出對稱的三相交流電壓，負載不平衡時，ΔU疊加在原本對稱的三相電壓上，由于矢量關系如式（3）所示：

U·′a=U·a+ΔU·，

U·′b=U·b+ΔU·，

U·′c=U·c+ΔU·。（3）

式中：U·′a、U·′b、U·′c分別表示不平衡負載的電壓，U·a、U·b、U·c表示平衡負載電壓。

為了更加直觀看出ΔU對三相電壓的影響，繪制如圖3所示三相負載電壓矢量關系圖。從圖3中看出中點電壓脈動使得原本對稱的三相電壓的幅值和相位都產(chǎn)生了影響。圖3三相負載電壓矢量圖

Fig.3Voltage vector illustration of threephase loads

1.2單相不平衡對三相負載電流的幅值相位影響

在分裂電容為480 uF，直流母線電壓為100 V的條件下對分裂電容式三相逆變器進行仿真，在三相負載不平衡時，如圖4中（a）圖表示三相負載分別為1 Ω、10 Ω、10 Ω時的三相電流波形，對比圖2中平衡時的三相電流均為4.3 A，可以看出A相負載的增大引起了B相負載電流降低，C相負載電流增大；相反地，圖4中（b）圖表示三相負載分別為100 Ω、10 Ω、10 Ω時的三相電流波形，可以看出A相負載的減小引起了B相負載電流增大，C相負載電流減小。不失一般性，經(jīng)仿真驗證，此結(jié)論普遍適用于分裂電容式逆變器。

同時，A相負載的不平衡，也使得其他相負載電流的相位發(fā)生偏移，如圖5所示。由圖4和圖5看出三相分裂電容式逆變器其中的一相負載不平衡，使得三相負載的輸出電壓和電流都發(fā)生了畸變，這種畸變主要是由于中性點電位的漂移產(chǎn)生的，式（2）中分裂電容的電壓波動即為中性點的漂移量，可以看出在負載不平衡程度一定即中線電流相同時，增大分裂電容容量可以減小中點電位漂移，故得出結(jié)論：對于小功率負載，分裂電容式三相逆變器的抗負載不平衡能力較強。理論上，只要保證分裂電容的容量足夠大，在中線電流大小相同時便可以實現(xiàn)中性點的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)對不平衡負載的抑制作用。

但使用電容容量增大的方式來提高分裂式電容三相逆變器帶不平衡負載的能力不能從根本上解決三相輸出不對稱問題：一方面增大電容容量使得逆變器體積增大、成本增加[12]；另一方面越是容量大的兩個電容，二者之間的實際電容值誤差就越大，難以穩(wěn)定中性點電壓。由式（2）中電容值與中點電位脈動的反比例關系可以看出：電容擴大到一定程度時，電容對輸出電壓畸變的抑制作用接近飽和，若要得到更好的抑制效果，只能對電容電壓進行控制。因此就分裂電容式三相逆變器而言，對分裂電容進行電壓均衡控制來抑制中性點電壓脈動是較為理想的辦法。

2中性點電壓脈動抑制拓撲

文獻[13]針對電流模式控制半橋型直流/直流轉(zhuǎn)換器時產(chǎn)生的電壓不均問題，提出了一種添加輔助繞組的均壓結(jié)構(gòu)。本文對這種直流/直流變換器的結(jié)構(gòu)加以改進，并應用到分裂電容式三相逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中，來均衡逆變器上下兩個分裂電容的電壓，從而抑制中性點漂移。這種中性點電壓脈動抑制拓撲的電路拓撲由串聯(lián)接在直流母線上的兩個帶反并聯(lián)體二極管的IGBT，兩個二極管和一個高頻變壓器組成。其中，高頻變壓器的匝數(shù)比N1∶N2=1∶1，線圈N1的異名端與線圈N2的同名端共同連接到兩個分裂電容中間連接點，線圈N1的同名端與兩個IGBT的中間連接點相連，線圈N2的異名端與兩個二極管的中間連接點相連，從而使得高頻變壓器原副邊電流方向相同。中性點電壓脈動抑制拓撲通過控制兩個IGBT的高頻開通和關斷實現(xiàn)中性點電位的穩(wěn)定。分裂電容式三相逆變器輸出側(cè)采用LC濾波，三相負載星型連接，在直流電源側(cè)與三相逆變橋之間加入這種中性點電壓脈動抑制拓撲，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。這種電路通過均衡分裂電容電壓，使得三相逆變器在帶不平衡負載時可以輸出對稱的三相電壓。

下面對這種中性點電壓脈動抑制拓撲的工作過程進行分析，首先構(gòu)建等效電路模型：將逆變橋以及三相負載等效成兩個串聯(lián)的可變電阻，中性點引出線接入分裂電容中性點。

初始狀態(tài)下，均壓控制器的上下兩個開關管均處于關斷狀態(tài)。當ΔU為負時，即上端電容C1的電壓Vc1大于下端電容C2的電壓Vc2。此時控制電路檢測到中性點偏差，控制開關管T1導通，形成圖7所示的電流回路①（C+1-T1-N1-C-1），電流回路①中C+1、C-1分別表示電容的上下極板。電容C1通過電流回路①放電，使得Vc1減小，同時，通過變壓器勵磁電感，在變壓器的副邊（線圈N2）發(fā)生能量傳遞，形成電流回路②（N2-C2-D2-N2），電流回路②中C+2與C-2分別為電容C2的上下極板，通過電流回路②對電容C2充電， C2向負載R2充電，使得流過R2的電流增大，使得下端電容C2的電壓Vc2增大，直到控制電路檢測到上下電容的電壓值為0，關斷開關管T1。由此可見，中性點電壓脈動抑制拓撲通過高頻變壓器的隔離與能量傳遞功能，實現(xiàn)了在R1>R2時，對電容的均壓控制。

該工作模態(tài)中變壓器的原邊線圈N1兩端電壓滿足式（4）。整個過程的工作模態(tài)如圖7所示。

VN1=VC1+VT1。（4）

式中：VT1表示開關管T1的導通壓降（V）；VN1表示變壓器線圈N1的壓降（V）。

變壓器的副邊電壓表示為式（5）。

VN2=VC2+VD2。（5）

式中：VD2表示二極管D2的導通壓降（V）；VN2表示變壓器線圈N2的壓降（V）。

變壓器的匝數(shù)比N1∶N2=1∶1，即VN1=VN2，進而結(jié)合式（4）和式（5）可以得到式兩個分裂電容電壓差值被限制在開關管和二極管的正向?qū)▔航档暮鸵詢?nèi)，即

VC1-VC2=VT1+VD2。（6）圖7中性點電壓脈動抑制拓撲的工作模態(tài)1

Fig.7Operating mode 1 of neutral point voltage

ripple inhibition topology

同理，當ΔU為負時，即上端電容C1的電壓Vc1小于下端電容C2的電壓Vc2。控制開關管T2導通，產(chǎn)生電流回路③（C+2-N1-T2-C-2），通過電流回路③，電容C2放電，下電容電壓Vc2減小，同時在變壓器副邊（線圈N2）發(fā)生能量傳遞，形成電流回路④（N2-D1-C1-N2），對電容C1充電，流過R1的電流增大，上電容電壓Vc1增大，直到控制電路檢測上下電容差值為0控制開關管T2關斷。

該工作模態(tài)中變壓器的原邊線圈N1兩端電壓滿足式（7）。整個過程的工作模態(tài)如圖8所示。

VN1=VC2-VT2。（7）

式中VT2表示開關管T2的導通壓降（V）。

變壓器的副邊電壓

VN2=VC1+VD1，（8）

式中VD1表示二極管D1的導通壓降（V）。

同理，結(jié)合式（7）和式（8）可以得到

VC2-VC1=VT2+VD1。（9）

由式（6）以及式（9）可以看出，在這種中性點電壓脈動抑制拓撲的調(diào)節(jié)下，整個過程中上下兩個分裂電容的電壓差值被限制在開關管以及二極管的導通壓降的和之內(nèi)，從而保證了三相中性點的穩(wěn)定性。

3仿真研究與分析

選取相應的仿真參數(shù)，對加入中性點電壓脈動抑制拓撲前后的分裂電容式三相逆變器進行仿真對比。仿真的具體參數(shù)在表1中給出。

圖10（a）為上電容電壓高于下電容電壓時，一段時間內(nèi)的兩個動態(tài)開關管T1、T2兩端的電壓波形以及流過T1的電流波形，圖10（b）為加入中性點電壓脈動抑制拓撲后三相負載的電壓電流波形，圖10（c）為加入中性點電壓脈動抑制拓撲后分裂電容電壓波形和電流波形。

觀察圖10（b）可知，三相四線制逆變器中性點電壓脈動抑制拓撲的輸出電壓波形幾乎沒有畸變，能夠在上下分裂電容容值不等并且三相負載不平衡的條件下輸出三相對稱的正弦波，三相電壓的峰值依次為42.9 V、43.0 V、43.1 V，三相電壓的THD值分別為0.10%、0.08%、0.19%，電壓不對稱率約為0.1%。

觀察圖10（c）可知，中線電流增大，表明電容充放電減小。中性點電壓波動很小，幅值為0.5 V?？梢姶穗娐吠負淠軌蛴行У谋ＷC中性點電壓的穩(wěn)定。由仿真結(jié)果可以看出，加入中性點電壓脈動抑制拓撲后將分裂電容中點7V的波動縮小為0.5 V。說明加入中性點電壓脈動抑制拓撲可以有效地限制分裂電容逆變器在不平衡負載下中性點的電壓波動，從而保證了三相電壓的對稱輸出，提高了三相分裂電容式逆變器的帶不平衡負載能力。

4實驗驗證

為了驗證拓撲的工作性能，搭建實驗平臺，實驗參數(shù)與仿真條件一致，實驗得到結(jié)果在下面給出。圖11表示分裂電容式三相逆變器在分裂電容值為360 uf條件下測得的實驗波形，其中圖11（a）為三相負載兩端的電壓波形，明顯出現(xiàn)不對稱。電壓幅值分別約為45 V、40 V、50 V，三相電壓不對稱率接近12.59%。圖11（b）為三相四線逆變器中線電流和中性點電壓波形，由于分裂電容作用，中性點電壓與中線電流相位相差90度，而中性點電壓脈動幅值在6 V左右。

圖12表示加入中性點電壓脈動抑制拓撲后，高頻變壓器原副邊電壓波形，其中VN1、VN2分別代表變壓器原邊、副邊電壓?？梢钥闯鲎儔浩鲀啥穗妷涸?50 V和-50 V交替變化，開關頻率為40 kHz，工作模態(tài)正常。

圖13表示加入中性點電壓脈動抑制拓撲后三相逆變器的實驗波形，其中圖13（a）為兩個IGBT的CE兩端電壓和流過上開關管的電流波形。圖13（b）為三相負載兩端電壓波形，電壓幅值分別約為42 V、45 V、44 V，三相電壓接近于平衡狀態(tài)，三相電壓不對稱率約為4.01%。圖13（c）為中線電流和中性點電壓波形，中線電流明顯增大，表明流過電容電流減小。中性點電壓脈動得到較大限制，幅值在1.5 V左右。

5結(jié)論

1）分裂電容式三相逆變器在帶三相不平衡負載時，中線電流流入電容中點，對三相輸出電壓幅值與相位都產(chǎn)生了影響。將中性點電壓脈動抑制拓撲應用于分裂電容式三相逆變器，可以有效地抑制分裂電容中點電壓脈動，穩(wěn)定了中性點電壓，從而使該拓撲在負載不平衡的條件下輸出對稱的三相電壓。

2）通過中性點電壓脈動抑制拓撲，可以減小帶分裂電容式三相逆變器帶不平衡負載時所需要的分裂電容值，有利于減小逆變器整體體積。

3）電壓脈動抑制拓撲的工作是基于正激原理，在控制中預留了一定續(xù)流時間來釋放電感能量。中線電流過大可能會造成的變壓器磁芯飽和。

參 考 文 獻：

[1]沈國橋， 徐德鴻. LCL濾波并網(wǎng)逆變器的分裂電容法電流控制[J]. 中國電機工程學報， 2008， 28（18）： 36.

SHEN Guoqiao， XU Dehong. Current control for gridconnected inverters by splitting the capacitor of LCL filter[J]. Proceedings of the CSEE， 2008， 28（18）：36.

[2]GUO Xiuhua，CHANG Chewei，LR Changchien. An automatic voltage compensation technique for threephase standalone inverter to serve unbalanced or nonlinear load[C]//IEEE 2nd International Future Energy Electronics Conference （IFEEC）. 2015：1.

[3]ANWARI M， HIENDRO A. New unbalance factor for estimating performance of a threephase induction motor with underand overvoltage unbalance[J].IEEE Transactions on Energy Conversion， 2010， 25（3）：619.

[4]曹太強， 祁強， 王軍. 三相逆變電源不平衡負載控制方法的研究[J]. 電機與控制學報， 2012， 16（4）：50.

CAO Taiqiang， QI Qiang， WANG Jun. Study on unbalanced load of threephase inverter[J]. Electric Machines and Control，2012， 16（4）：50.

[5]STEIGERWAL RL. Characteristics of currentfed inverter with commutation applied through load neutral point[J]. IEEE Transactions on Industry Applications. 1979， 15（5）：256.

[6]馬海嘯，葉海云，龔春英.三相四橋臂逆變器的三角波輔助控制策略[J]. 電機與控制學報， 2016， 20（1）： 14.

MA Haixiao， YE Haiyun， GONG Chunying. Control strategy of threephase fourleg inverter using an auxiliary triangle waveform. Electric Machines and Control，2016， 20（1）： 14.

[7]OZDEMIR A，OZDEMIR Z. Digital current control of a threephase fourleg voltage source inverter by using pqr theory[J].IET Power Electronics，2014， 7（3）：527.

[8]閆士杰， 冷冰， 杜蘅. 基于H∞重復控制的三相四橋臂逆變器研究[J]. 電機與控制學報， 2012，16（9）： 39.

YAN Shijie， LENG Bing， DU Heng.Research on the threephase fourleg inverter based on H∞ repetitive control [J]. Electric Machines and Control， 2012，16（9）：39.

[9]MARCO R， VENKATA Y，ANA L. Digital predictive current control of a threephase fourleg inverter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2013， 60（11）：4903.

[10]孫馳，馬偉明.三相逆變器輸出電壓不平衡的產(chǎn)生機理分析及其矯正[J]. 中國電機工程學報， 2006：58.

SUN Chi， MA Weiming.Analysis of the unsymmetrical output voltages distortion mechanism of threephase inverter and its corrections[J].Proceedings of the CSEE， 2006：58.

[11]張佳佳， 石東源. 分布式電源用四橋臂變換器中點電壓漂移控制[J]. 電工技術學報，2013， 28（2）：226.

ZHANG Jiajia， SHI Dongyuan.Control of neutral point voltage shift for fourleg converter in distributed generation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013， 28（2）：226.

[12]陳東華，謝少軍.電流型控制半橋逆變器研究（I）——直流分壓電容不均壓問題[J]. 電工技術學報， 2004， 19（4）：85.

CHEN Donghua， XIE Shaojun. Research on currentmode control halfbridge inverter（I）Voltage unbalance of input capacitors[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2004， 19（4）：85.

[13]裴雪軍， 陳材.三相電壓源逆變器直流側(cè)支撐電容的電壓脈動分析與設計[J]. 電工技術學報， 2014， 29（3）：254.

PEI Xuejun， CHEN Cai. Analysis of voltage ripple and design for DClink capacitor in threephase voltage source inverters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（3）：254.

[14]HUNG Y C， SHUY F S， LIN C J. New voltage balance technique for capacitors of symmetrical halfbridge converter with current mode control[C]//The Fifth International Conference on Power Electronic and Drive Systems，2003. PEDS， 2003， 1：365.