不平衡负载下逆变器结构的研究★

路 颜，程光威，张 媛

(陕西铁路工程职业技术学院城轨工程学院，陕西 渭南 714000)

电力系统主要由两部分组成：一部分是对称电路，另外一部分是不对称电路。普通的对称三相交流电指的是系统会产生三相幅值相等，相位互差120°的三相正弦交流波形。但是电力系统在实际运行过程中，因为各种原因，例如电线杆倒塌、线路断路等，都会造成系统输出的三相交流电不再对称，整个系统的所有过程，例如电力发电、输送电能、分配电能等，都会受到严重的影响，形成严重的后果[1]。

普通的三相电路会产生不对称三相交流电的原因主要包括两个方面：第一种情况，系统所给定的三相电源本身就是不对称的。这种情况指的是电力系统中的A，B，C各相电动势处于不对称状态，此时，无论系统承接的三相负载阻抗值相等或者不相等，此时产生的电压波形都是不对称的三相正弦波。第二种情况，电力系统所连接的三相负载处于不对称状态。这种情况主要是由以下原因造成的[2-4]：

第一，三相负载的阻抗值不相等。

第二，电力系统处于比较恶劣的环境(整个线路产生短路或者断路等故障)下，造成三相负载不再相等。三相负载处于不平衡状态时，电力系统就会形成负序以及零序分量。此时，如果三相电源的阻抗值恒等于零，电力系统的功能就不会受到影响。然而，电力系统中的电源内部都会存在实际的电抗，必定会引起输出电压不再对称。

三相电压处于不平衡状态体现在：1)A，B，C三相电压的幅值不相等；2)三者的相位不再对称，产生了一定的偏移；3)上述两种情况都存在。

电力网络在实际运行中，经常会出现三相负载处于不平衡的情况，有时甚至会产生非线性负载。普通的三相电压型逆变器产生的三相电压耦合十分紧密，所以，没有办法产生对称的三相交流波形，如果需要解决非线性负载的问题，必须将高次谐波产生的严重影响考虑其中。为了解决这些问题，查阅大量资料，解决方案是改变普通逆变器的拓扑结构，主要包括以下几种。

1 带分裂电容的三相逆变器拓扑结构

带分裂电容的三相逆变器拓扑结构见图1。

这个逆变器的结构特点是：中间包含两个串联在一起的电容，电源Udc与两个电容行成的电路进行并联，在两个串联的电容之间有一条连接线，这样的结构使得带分裂电容的三相逆变器能够进行三相四线输出。由于带分裂电容的三相逆变器在结构上相当于将3个相同的半桥电路相互串联，因此，当它连接三相不对称负载时仍然能够产生对称的三相电压波形[5]。这个逆变器的优点主要是：第一，这个逆变器的拓扑结构相对比较简单；第二，这个逆变器中包含比较少的电子元器件。由于在两个相互串联的电容之间引出了一根连接线，相当于第四条连接线，系统中产生的中性电流就会从第四条连接线中通过，这就要求电力系统中电容的数值必须准确，才能确保系统产生更高的电能质量，电容器的存在相应地会增加整个逆变器的体积。这个逆变器也存在一定的缺点，通过计算可以得到，它对直流母线电压的使用率是比较低的，基本上只能达到50%的利用率，因此，这个拓扑结构基本上被应用在中型或者小型功率的设备中。

2 带NFT的三相逆变器拓扑结构

带NFT的三相逆变器拓扑结构见图2。

这个逆变器的结构特点为：与普通三相电压型逆变器进行对比，这个逆变器在三相滤波电容的后面多了一个结构NFT，NFT是中点行成变压器的简称。带NFT的三相逆变器具备连接三相不平衡负载和非线性负载的能力，原因在于如果系统中产生中性电流，NFT结构中的三个电感行成了一个完整的星形回路，中性电流就会在这个星形回路中不断流动，导致中性电流不会对其他电路产生影响，即其他电路中流过的中性电流相当于零。但是，带NFT的三相逆变器也存在一定的缺点：

随着电力系统所输出三相电压波形不平衡度的数值变大，NFT的体积随之慢慢变大，当然，其重量也就随之增大。同时，为了提高整个逆变器的工作效率和电能输出质量，就会使得NFT中变压器绕组以特别复杂的方式缠绕在一起，增加了其与外部电路连接的复杂程度[6]。这个逆变器由于自身的拓扑结构变得复杂，使得其消耗的电能也会增加，因此，整个系统输出的电能效率就会有所下降。

3 带D/yn变压器的三相逆变器拓扑结构

带D/yn变压器的三相逆变器拓扑结构见图3。

这个逆变器的特点在于：与普通三相电压型逆变器相比，这个逆变器是在输出端的后面连接逆变器，最后连接所需要的负载，其中变压器的联结方式主要是三角形/星形连接，星形接法可以有中性线，也可以不连接中性线。如果所连接的负载处于不平衡的状态时，此种拓扑结构的优点是在中性线中会有电流通过，因为变压器左侧的结构采用三角形联结，所产生的中性电流就会在三角形中不断的往复循环，最终所产生的不平衡电流和不平衡电压就会被减小一部分，形成较好的输出波形。但是这个结构也存在一定的缺点，由于这个逆变器中明显地添加了一部分结构，就是由一次侧为三角形，二次侧为星形而组成的变压器结构，这种情况就会造成这个逆变器无论从体积还是重量方面都会明显增加。同时，逆变器由于自身结构的影响也会产生一定值的漏电电抗，因此，当这个逆变器所接的负载处于不平衡的状态时，最终所输出的三相电压有可能也会处于不对称的状态[7-8]。

4 组合式三相逆变器的拓扑结构

组合式三相逆变器的拓扑结构如图4所示。从图4能够得到，此拓扑结构的特点是左侧三个完全相同的单相的逆变器，它们通过LC电路的耦合，最终形成了一个新的组合式三相逆变器。

基于这个三相逆变器的结构特点，它的优点是左侧三个单相逆变器之间是独立的，因此，可以考虑将A相电路通过第一个逆变器进行控制，B相电路通过第二个逆变器进行控制，C相电路通过第三个逆变器进行控制。如果电路中所接的负载呈现不平衡的状态，这种拓扑结构可以起到良好的效果，使所产生的电压波形尽可能呈现三相对称的状态。当所使用的电器属于大功率电器时，大部分都会应用这种拓扑结构。但是这个组合式三相逆变器也有它的缺陷，在这个拓扑结构中，明显可以看出其中包括了12个开关，相比其他逆变器而言，它的数量明显偏多，导致这个逆变器自身的体积也会相应增加，因此，在真正应用的阶段，性价比较低。

5 三相四桥臂逆变器的拓扑结构

三相四桥臂逆变器的拓扑结构主要呈现形式如图5,图6所示。将图5,图6进行对比，就可以发现图6是在图5的基础上添加了一个电感Ln，它的作用主要是滤除杂波。其他部分都是相同的，因此，将两种拓扑结构统一进行介绍。

将它们与普通的三相电压型逆变器进行比较，可以发现，普通的三相电压型逆变器仅仅包含三个相同的桥臂，而这两个拓扑结构在原有桥臂的基础上增加了一个桥臂，形成了4个桥臂，构成了三相四线制输出方式，使其具备解决由于不平衡负载产生的三相不对称输出电压的能力。从它本身的结构能够看出，在第四个桥臂之间引出了一条中性线，中线和第四桥臂的交叉点被称为中性点，通过中性点的电压值大小主要是由第四个桥臂决定的。普通的三相三桥臂逆变器仅仅包含2个自由度，而三相四桥臂逆变器却拥有3个自由度。如果采用这个结构进行控制，需要把第1,2,3个桥臂进行解耦，这种情况下就可以对A,B,C三相电压进行分别控制，即使该拓扑结构所接的负载处于不平衡状态，甚至非线性状态，该逆变器依然能良好的解决这个问题，产生三相对称输出波形。三相四桥臂逆变器具备很多优点:1)相比其他的逆变器结构，它的拓扑结构比较简单，不需要增加其他的装置，体积和重量比较小；2)这种拓扑结构的电压利用率比较高；3)实际应用时，它的性价比较高。

6 结语

当系统中所接的三相负载相等时，即负载处于三相平衡状态时，普通的三相电压型逆变器就可以满足需求，能够输出三相对称的输出波形，A,B,C三相电压之间角度相差120°，它们的幅值也是相等的。但是当电力系统由于电杆倒塌、短路、开路等故障时，通过逆变器产生的波形就会出现很大的偏负，不符合电力设备的需求，因此就要对这种现象进行解决。文中所提出的6种拓扑结构可以不同程度的解决这个问题，同时也对各自的优缺点进行了阐述。近年来，采用三相四桥臂逆变器拓扑结构解决这类问题比较多，因为此结构本身具备三相四线制输出，不但能解决不平衡负载的问题，还能一定程度上解决非线性负载的问题。当然，其他拓扑结构也都被应用到不同场合，大家可以根据自己的需求进行解决，使电力系统能够达到更高的利用率，造福万民。