不平衡負載下逆變器結構的研究★

路 顏，程光威，張 媛

(陜西鐵路工程職業技術學院城軌工程學院，陜西 渭南 714000)

電力系統主要由兩部分組成：一部分是對稱電路，另外一部分是不對稱電路。普通的對稱三相交流電指的是系統會產生三相幅值相等，相位互差120°的三相正弦交流波形。但是電力系統在實際運行過程中，因為各種原因，例如電線桿倒塌、線路斷路等，都會造成系統輸出的三相交流電不再對稱，整個系統的所有過程，例如電力發電、輸送電能、分配電能等，都會受到嚴重的影響，形成嚴重的后果[1]。

普通的三相電路會產生不對稱三相交流電的原因主要包括兩個方面：第一種情況，系統所給定的三相電源本身就是不對稱的。這種情況指的是電力系統中的A，B，C各相電動勢處于不對稱狀態，此時，無論系統承接的三相負載阻抗值相等或者不相等，此時產生的電壓波形都是不對稱的三相正弦波。第二種情況，電力系統所連接的三相負載處于不對稱狀態。這種情況主要是由以下原因造成的[2-4]：

第一，三相負載的阻抗值不相等。

第二，電力系統處于比較惡劣的環境(整個線路產生短路或者斷路等故障)下，造成三相負載不再相等。三相負載處于不平衡狀態時，電力系統就會形成負序以及零序分量。此時，如果三相電源的阻抗值恒等于零，電力系統的功能就不會受到影響。然而，電力系統中的電源內部都會存在實際的電抗，必定會引起輸出電壓不再對稱。

三相電壓處于不平衡狀態體現在：1)A，B，C三相電壓的幅值不相等；2)三者的相位不再對稱，產生了一定的偏移；3)上述兩種情況都存在。

電力網絡在實際運行中，經常會出現三相負載處于不平衡的情況，有時甚至會產生非線性負載。普通的三相電壓型逆變器產生的三相電壓耦合十分緊密，所以，沒有辦法產生對稱的三相交流波形，如果需要解決非線性負載的問題，必須將高次諧波產生的嚴重影響考慮其中。為了解決這些問題，查閱大量資料，解決方案是改變普通逆變器的拓撲結構，主要包括以下幾種。

1 帶分裂電容的三相逆變器拓撲結構

帶分裂電容的三相逆變器拓撲結構見圖1。

這個逆變器的結構特點是：中間包含兩個串聯在一起的電容，電源Udc與兩個電容行成的電路進行并聯，在兩個串聯的電容之間有一條連接線，這樣的結構使得帶分裂電容的三相逆變器能夠進行三相四線輸出。由于帶分裂電容的三相逆變器在結構上相當于將3個相同的半橋電路相互串聯，因此，當它連接三相不對稱負載時仍然能夠產生對稱的三相電壓波形[5]。這個逆變器的優點主要是：第一，這個逆變器的拓撲結構相對比較簡單；第二，這個逆變器中包含比較少的電子元器件。由于在兩個相互串聯的電容之間引出了一根連接線，相當于第四條連接線，系統中產生的中性電流就會從第四條連接線中通過，這就要求電力系統中電容的數值必須準確，才能確保系統產生更高的電能質量，電容器的存在相應地會增加整個逆變器的體積。這個逆變器也存在一定的缺點，通過計算可以得到，它對直流母線電壓的使用率是比較低的，基本上只能達到50%的利用率，因此，這個拓撲結構基本上被應用在中型或者小型功率的設備中。

2 帶NFT的三相逆變器拓撲結構

帶NFT的三相逆變器拓撲結構見圖2。

這個逆變器的結構特點為：與普通三相電壓型逆變器進行對比，這個逆變器在三相濾波電容的后面多了一個結構NFT，NFT是中點行成變壓器的簡稱。帶NFT的三相逆變器具備連接三相不平衡負載和非線性負載的能力，原因在于如果系統中產生中性電流，NFT結構中的三個電感行成了一個完整的星形回路，中性電流就會在這個星形回路中不斷流動，導致中性電流不會對其他電路產生影響，即其他電路中流過的中性電流相當于零。但是，帶NFT的三相逆變器也存在一定的缺點：

隨著電力系統所輸出三相電壓波形不平衡度的數值變大，NFT的體積隨之慢慢變大，當然，其重量也就隨之增大。同時，為了提高整個逆變器的工作效率和電能輸出質量，就會使得NFT中變壓器繞組以特別復雜的方式纏繞在一起，增加了其與外部電路連接的復雜程度[6]。這個逆變器由于自身的拓撲結構變得復雜，使得其消耗的電能也會增加，因此，整個系統輸出的電能效率就會有所下降。

3 帶D/yn變壓器的三相逆變器拓撲結構

帶D/yn變壓器的三相逆變器拓撲結構見圖3。

這個逆變器的特點在于：與普通三相電壓型逆變器相比，這個逆變器是在輸出端的后面連接逆變器，最后連接所需要的負載，其中變壓器的聯結方式主要是三角形/星形連接，星形接法可以有中性線，也可以不連接中性線。如果所連接的負載處于不平衡的狀態時，此種拓撲結構的優點是在中性線中會有電流通過，因為變壓器左側的結構采用三角形聯結，所產生的中性電流就會在三角形中不斷的往復循環，最終所產生的不平衡電流和不平衡電壓就會被減小一部分，形成較好的輸出波形。但是這個結構也存在一定的缺點，由于這個逆變器中明顯地添加了一部分結構，就是由一次側為三角形，二次側為星形而組成的變壓器結構，這種情況就會造成這個逆變器無論從體積還是重量方面都會明顯增加。同時，逆變器由于自身結構的影響也會產生一定值的漏電電抗，因此，當這個逆變器所接的負載處于不平衡的狀態時，最終所輸出的三相電壓有可能也會處于不對稱的狀態[7-8]。

4 組合式三相逆變器的拓撲結構

組合式三相逆變器的拓撲結構如圖4所示。從圖4能夠得到，此拓撲結構的特點是左側三個完全相同的單相的逆變器，它們通過LC電路的耦合，最終形成了一個新的組合式三相逆變器。

基于這個三相逆變器的結構特點，它的優點是左側三個單相逆變器之間是獨立的，因此，可以考慮將A相電路通過第一個逆變器進行控制，B相電路通過第二個逆變器進行控制，C相電路通過第三個逆變器進行控制。如果電路中所接的負載呈現不平衡的狀態，這種拓撲結構可以起到良好的效果，使所產生的電壓波形盡可能呈現三相對稱的狀態。當所使用的電器屬于大功率電器時，大部分都會應用這種拓撲結構。但是這個組合式三相逆變器也有它的缺陷，在這個拓撲結構中，明顯可以看出其中包括了12個開關，相比其他逆變器而言，它的數量明顯偏多，導致這個逆變器自身的體積也會相應增加，因此，在真正應用的階段，性價比較低。

5 三相四橋臂逆變器的拓撲結構

三相四橋臂逆變器的拓撲結構主要呈現形式如圖5,圖6所示。將圖5,圖6進行對比，就可以發現圖6是在圖5的基礎上添加了一個電感Ln，它的作用主要是濾除雜波。其他部分都是相同的，因此，將兩種拓撲結構統一進行介紹。

將它們與普通的三相電壓型逆變器進行比較，可以發現，普通的三相電壓型逆變器僅僅包含三個相同的橋臂，而這兩個拓撲結構在原有橋臂的基礎上增加了一個橋臂，形成了4個橋臂，構成了三相四線制輸出方式，使其具備解決由于不平衡負載產生的三相不對稱輸出電壓的能力。從它本身的結構能夠看出，在第四個橋臂之間引出了一條中性線，中線和第四橋臂的交叉點被稱為中性點，通過中性點的電壓值大小主要是由第四個橋臂決定的。普通的三相三橋臂逆變器僅僅包含2個自由度，而三相四橋臂逆變器卻擁有3個自由度。如果采用這個結構進行控制，需要把第1,2,3個橋臂進行解耦，這種情況下就可以對A,B,C三相電壓進行分別控制，即使該拓撲結構所接的負載處于不平衡狀態，甚至非線性狀態，該逆變器依然能良好的解決這個問題，產生三相對稱輸出波形。三相四橋臂逆變器具備很多優點:1)相比其他的逆變器結構，它的拓撲結構比較簡單，不需要增加其他的裝置，體積和重量比較??；2)這種拓撲結構的電壓利用率比較高；3)實際應用時，它的性價比較高。

6 結語

當系統中所接的三相負載相等時，即負載處于三相平衡狀態時，普通的三相電壓型逆變器就可以滿足需求，能夠輸出三相對稱的輸出波形，A,B,C三相電壓之間角度相差120°，它們的幅值也是相等的。但是當電力系統由于電桿倒塌、短路、開路等故障時，通過逆變器產生的波形就會出現很大的偏負，不符合電力設備的需求，因此就要對這種現象進行解決。文中所提出的6種拓撲結構可以不同程度的解決這個問題，同時也對各自的優缺點進行了闡述。近年來，采用三相四橋臂逆變器拓撲結構解決這類問題比較多，因為此結構本身具備三相四線制輸出，不但能解決不平衡負載的問題，還能一定程度上解決非線性負載的問題。當然，其他拓撲結構也都被應用到不同場合，大家可以根據自己的需求進行解決，使電力系統能夠達到更高的利用率，造福萬民。