三相四线制逆变器中性点电压脉动抑制新型拓扑

蔡春伟 郭玉兴 安普风 张云亮

摘要关键词：三相四线制逆变器；分裂电容；三相不平衡负载；中性点电压脉动抑制；高频变换电路

DOI：10.15938/j.emc.2018.02.007

中图分类号文献标志码：A文章编号：1007-449X（2018）02-0049-08

收稿日期基金项目作者简介：

通信作者：蔡春伟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

随着新能源技术的发展，分布式电源得到了广泛的应用，独立运行的三相逆变器作为分布电源重要组成部分，其负载可能是单相与三相混合，因此需要具备带不平衡负载能力[1-2]。传统的三相逆变器在带不平衡负载时无法输出对称的三相电压，可能出现某相过压或欠压[3]，因此必须对传统三相逆变电路加以改进。目前已有文献主要采用以下3种方法：负载侧与逆变器间接入Δ/Y变压器、三相四桥臂逆变器、分裂电容式逆变器。在Δ/Y变压器的拓扑结构中，变压器副边采用星形连接的方式，从而能够为三相不平衡负载提供中线电流通路，而三相相位相同的中线电流分量可以在变压器角形方式连接的原边绕组中流动，因而起到了一定的平衡作用[4]。变压器的引入还能起到升压、减小直流母线电压等级，以及电容電压等级，同时通过电磁作用将原副边电路隔离。但是，这种拓扑结构也有它本身的缺点，加入工频变压器增加了硬件的成本、重量和体积。另外该电路拓扑结构并没有实现三相电路的完全解耦，无法从根本上解决由三相负载不平衡导致得三相输出不对称的问题。三相四桥臂电路拓扑带三相不平衡负载能力较强，较之于三桥臂的逆变器拓扑，增加了一个桥臂，桥臂的中点与三相负载输出的公共点相连，拓扑简单[4-8]。但是该拓扑结构也存在缺点：需要进行交流逆变侧的电压电流采样和直流母线侧的电压电流采样检测，增加了成本，而且要对采样后的信号进行复杂的坐标变换和信号处理，采样部分的精确度和程序算法的可靠性直接影响了系统交流输出的精确度和稳定度。

分裂电容式三相逆变器实现了三相四线制的拓扑结构，为中性线电流提供回路，有效地消除了三相四线制拓扑结构中由于滤波电容的存在而产生的零序电压畸变[9]；采用两个电容将直流母线分压来钳位交流中性点，在分裂电容的中点电压稳定的前提下，分裂电容式三相逆变器拓扑结构可等效为3个单相半桥逆变器，从而将三相逆变桥解耦，此时可以对三相分别进行控制，便能够有效地改善三相逆变器带不平衡负载时输出电压不对称的问题。

但是，对于这种分裂电容式三相逆变器，由于分裂电容的均压问题的存在限制了这种拓扑的广泛应用[10]，仅在小功率的场合中应用较多。本文在目前已有研究的基础上，对传统分裂电容式三相逆变器电路结构进行改进，将中性点电压脉动抑制拓扑应用于分裂电容式三相逆变器。通过简单的控制算法便可提高分裂电容式三相逆变器的带不平衡负载能力。

1中性点电压脉动对输出的影响

分裂电容式三相逆变器的电路拓扑如图1所示，两个等值电容串联接在直流母线上，输出采用LC滤波，三相中性点与分裂电容中点连接，通过分裂电容来抑制三相中性点电压脉动。

对于三相平衡负载，中性线电流为零，两个分裂电容没有中线电流流过，逆变器可以输出对称等幅值的三相电压。在分裂电容值为480 uF，直流母线100 V，逆变器三相各带阻性负载10 Ω条件下，仿真得到的三相输出电压电流波形如图2所示。

对于三相负载不平衡，中线电流经过中性点与分裂电容中点的连线流入到两个分裂电容中，由于中线电流流入上下电容的极性相反，导致两个分裂电容分压不均，从而使得中性点不断发生波动，分裂电容的稳压能力达到饱和时，逆变器无法输出对称且相同幅值的三相交流电压。

1.1三相四线制逆变器负载电压不平衡机理

由于负载中性点N与分裂电容中点N′直接相连，在三相不平衡的条件下，三相负载电流ia、ib、ic的和i0通过中线流入分裂电容，假设流入两个分裂电容的电流相等，三相分裂电容式逆变器可以等效成3个单相半桥逆变器，在正弦脉宽调制下，考虑到调制频率远大于输出电压频率，忽略脉宽调制带来的谐波分量，只考虑占空比中的基波分量，三相电流与中线电流满足式（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表示滤波电感值，单位为H；C为分裂电容值，单位为F。

方程（1）的解算过于复杂，根据文献[11]论述的直流母线分裂电容电压脉动量与连接点接入电流初始相位角和电流大小的关系。令

ΔU=12C∫i0dt。（2）

用式（2）表示中線电流流过分裂电容，产生的中点电压脉动。假设三相负载为纯阻性负载且阻值都为R，中线电流i0为零，则ΔU为零，则会输出对称的三相交流电压，负载不平衡时，ΔU叠加在原本对称的三相电压上，由于矢量关系如式（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分别表示不平衡负载的电压，U·a、U·b、U·c表示平衡负载电压。

为了更加直观看出ΔU对三相电压的影响，绘制如图3所示三相负载电压矢量关系图。从图3中看出中点电压脉动使得原本对称的三相电压的幅值和相位都产生了影响。图3三相负载电压矢量图

Fig.3Voltage vector illustration of threephase loads

1.2单相不平衡对三相负载电流的幅值相位影响

在分裂电容为480 uF，直流母线电压为100 V的条件下对分裂电容式三相逆变器进行仿真，在三相负载不平衡时，如图4中（a）图表示三相负载分别为1 Ω、10 Ω、10 Ω时的三相电流波形，对比图2中平衡时的三相电流均为4.3 A，可以看出A相负载的增大引起了B相负载电流降低，C相负载电流增大；相反地，图4中（b）图表示三相负载分别为100 Ω、10 Ω、10 Ω时的三相电流波形，可以看出A相负载的减小引起了B相负载电流增大，C相负载电流减小。不失一般性，经仿真验证，此结论普遍适用于分裂电容式逆变器。

同时，A相负载的不平衡，也使得其他相负载电流的相位发生偏移，如图5所示。由图4和图5看出三相分裂电容式逆变器其中的一相负载不平衡，使得三相负载的输出电压和电流都发生了畸变，这种畸变主要是由于中性点电位的漂移产生的，式（2）中分裂电容的电压波动即为中性点的漂移量，可以看出在负载不平衡程度一定即中线电流相同时，增大分裂电容容量可以减小中点电位漂移，故得出结论：对于小功率负载，分裂电容式三相逆变器的抗负载不平衡能力较强。理论上，只要保证分裂电容的容量足够大，在中线电流大小相同时便可以实现中性点的稳定，从而实现对不平衡负载的抑制作用。

但使用电容容量增大的方式来提高分裂式电容三相逆变器带不平衡负载的能力不能从根本上解决三相输出不对称问题：一方面增大电容容量使得逆变器体积增大、成本增加[12]；另一方面越是容量大的两个电容，二者之间的实际电容值误差就越大，难以稳定中性点电压。由式（2）中电容值与中点电位脉动的反比例关系可以看出：电容扩大到一定程度时，电容对输出电压畸变的抑制作用接近饱和，若要得到更好的抑制效果，只能对电容电压进行控制。因此就分裂电容式三相逆变器而言，对分裂电容进行电压均衡控制来抑制中性点电压脉动是较为理想的办法。

2中性点电压脉动抑制拓扑

文献[13]针对电流模式控制半桥型直流/直流转换器时产生的电压不均问题，提出了一种添加辅助绕组的均压结构。本文对这种直流/直流变换器的结构加以改进，并应用到分裂电容式三相逆变器拓扑结构中，来均衡逆变器上下两个分裂电容的电压，从而抑制中性点漂移。这种中性点电压脉动抑制拓扑的电路拓扑由串联接在直流母线上的两个带反并联体二极管的IGBT，两个二极管和一个高频变压器组成。其中，高频变压器的匝数比N1∶N2=1∶1，线圈N1的异名端与线圈N2的同名端共同连接到两个分裂电容中间连接点，线圈N1的同名端与两个IGBT的中间连接点相连，线圈N2的异名端与两个二极管的中间连接点相连，从而使得高频变压器原副边电流方向相同。中性点电压脉动抑制拓扑通过控制两个IGBT的高频开通和关断实现中性点电位的稳定。分裂电容式三相逆变器输出侧采用LC滤波，三相负载星型连接，在直流电源侧与三相逆变桥之间加入这种中性点电压脉动抑制拓扑，整体结构如图6所示。这种电路通过均衡分裂电容电压，使得三相逆变器在带不平衡负载时可以输出对称的三相电压。

下面对这种中性点电压脉动抑制拓扑的工作过程进行分析，首先构建等效电路模型：将逆变桥以及三相负载等效成两个串联的可变电阻，中性点引出线接入分裂电容中性点。

初始状态下，均压控制器的上下两个开关管均处于关断状态。当ΔU为负时，即上端电容C1的电压Vc1大于下端电容C2的电压Vc2。此时控制电路检测到中性点偏差，控制开关管T1导通，形成图7所示的电流回路①（C+1-T1-N1-C-1），电流回路①中C+1、C-1分別表示电容的上下极板。电容C1通过电流回路①放电，使得Vc1减小，同时，通过变压器励磁电感，在变压器的副边（线圈N2）发生能量传递，形成电流回路②（N2-C2-D2-N2），电流回路②中C+2与C-2分别为电容C2的上下极板，通过电流回路②对电容C2充电， C2向负载R2充电，使得流过R2的电流增大，使得下端电容C2的电压Vc2增大，直到控制电路检测到上下电容的电压值为0，关断开关管T1。由此可见，中性点电压脉动抑制拓扑通过高频变压器的隔离与能量传递功能，实现了在R1>R2时，对电容的均压控制。

该工作模态中变压器的原边线圈N1两端电压满足式（4）。整个过程的工作模态如图7所示。

VN1=VC1+VT1。（4）

式中：VT1表示开关管T1的导通压降（V）；VN1表示变压器线圈N1的压降（V）。

变压器的副边电压表示为式（5）。

VN2=VC2+VD2。（5）

式中：VD2表示二极管D2的导通压降（V）；VN2表示变压器线圈N2的压降（V）。

变压器的匝数比N1∶N2=1∶1，即VN1=VN2，进而结合式（4）和式（5）可以得到式两个分裂电容电压差值被限制在开关管和二极管的正向导通压降的和以内，即

VC1-VC2=VT1+VD2。（6）图7中性点电压脉动抑制拓扑的工作模态1

Fig.7Operating mode 1 of neutral point voltage

ripple inhibition topology

同理，当ΔU为负时，即上端电容C1的电压Vc1小于下端电容C2的电压Vc2。控制开关管T2导通，产生电流回路③（C+2-N1-T2-C-2），通过电流回路③，电容C2放电，下电容电压Vc2减小，同时在变压器副边（线圈N2）发生能量传递，形成电流回路④（N2-D1-C1-N2），对电容C1充电，流过R1的电流增大，上电容电压Vc1增大，直到控制电路检测上下电容差值为0控制开关管T2关断。

该工作模态中变压器的原边线圈N1两端电压满足式（7）。整个过程的工作模态如图8所示。

VN1=VC2-VT2。（7）

式中VT2表示开关管T2的导通压降（V）。

变压器的副边电压

VN2=VC1+VD1，（8）

式中VD1表示二极管D1的导通压降（V）。

同理，结合式（7）和式（8）可以得到

VC2-VC1=VT2+VD1。（9）

由式（6）以及式（9）可以看出，在这种中性点电压脉动抑制拓扑的调节下，整个过程中上下两个分裂电容的电压差值被限制在开关管以及二极管的导通压降的和之内，从而保证了三相中性点的稳定性。

3仿真研究与分析

选取相应的仿真参数，对加入中性点电压脉动抑制拓扑前后的分裂电容式三相逆变器进行仿真对比。仿真的具体参数在表1中给出。

图10（a）为上电容电压高于下电容电压时，一段时间内的两个动态开关管T1、T2两端的电压波形以及流过T1的电流波形，图10（b）为加入中性点电压脉动抑制拓扑后三相负载的电压电流波形，图10（c）为加入中性点电压脉动抑制拓扑后分裂电容电压波形和电流波形。

观察图10（b）可知，三相四线制逆变器中性点电压脉动抑制拓扑的输出电压波形几乎没有畸变，能够在上下分裂电容容值不等并且三相负载不平衡的条件下输出三相对称的正弦波，三相电压的峰值依次为42.9 V、43.0 V、43.1 V，三相电压的THD值分别为0.10%、0.08%、0.19%，电压不对称率约为0.1%。

观察图10（c）可知，中线电流增大，表明电容充放电减小。中性点电压波动很小，幅值为0.5 V。可见此电路拓扑能够有效的保证中性点电压的稳定。由仿真结果可以看出，加入中性点电压脉动抑制拓扑后将分裂电容中点7V的波动缩小为0.5 V。说明加入中性点电压脉动抑制拓扑可以有效地限制分裂电容逆变器在不平衡负载下中性点的电压波动，从而保证了三相电压的对称输出，提高了三相分裂电容式逆变器的带不平衡负载能力。

4实验验证

为了验证拓扑的工作性能，搭建实验平台，实验参数与仿真条件一致，实验得到结果在下面给出。图11表示分裂电容式三相逆变器在分裂电容值为360 uf条件下测得的实验波形，其中图11（a）为三相负载两端的电压波形，明显出现不对称。电压幅值分别约为45 V、40 V、50 V，三相电压不对称率接近12.59%。图11（b）为三相四线逆变器中线电流和中性点电压波形，由于分裂电容作用，中性点电压与中线电流相位相差90度，而中性点电压脉动幅值在6 V左右。

图12表示加入中性点电压脉动抑制拓扑后，高频变压器原副边电压波形，其中VN1、VN2分别代表变压器原边、副边电压。可以看出变压器两端电压在+50 V和-50 V交替变化，开关频率为40 kHz，工作模态正常。

图13表示加入中性点电压脉动抑制拓扑后三相逆变器的实验波形，其中图13（a）为两个IGBT的CE两端电压和流过上开关管的电流波形。图13（b）为三相负载两端电压波形，电压幅值分别约为42 V、45 V、44 V，三相电压接近于平衡状态，三相电压不对称率约为4.01%。图13（c）为中线电流和中性点电压波形，中线电流明显增大，表明流过电容电流减小。中性点电压脉动得到较大限制，幅值在1.5 V左右。

5结论

1）分裂电容式三相逆变器在带三相不平衡负载时，中线电流流入电容中点，对三相输出电压幅值与相位都产生了影响。将中性点电压脉动抑制拓扑应用于分裂电容式三相逆变器，可以有效地抑制分裂电容中点电压脉动，稳定了中性点电压，从而使该拓扑在负载不平衡的条件下输出对称的三相电压。

2）通过中性点电压脉动抑制拓扑，可以减小带分裂电容式三相逆变器带不平衡负载时所需要的分裂电容值，有利于减小逆变器整体体积。

3）电压脉动抑制拓扑的工作是基于正激原理，在控制中预留了一定续流时间来释放电感能量。中线电流过大可能会造成的变压器磁芯饱和。

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