三相四線制逆變器中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制新型拓?fù)?/h1>
2018-05-14 13:31蔡春偉郭玉興安普風(fēng)張?jiān)屏?/span>
電機(jī)與控制學(xué)報(bào) 2018年2期
蔡春偉 郭玉興 安普風(fēng) 張?jiān)屏?/p>
摘要關(guān)鍵詞：三相四線制逆變器；分裂電容；三相不平衡負(fù)載；中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制；高頻變換電路
DOI：10.15938/j.emc.2018.02.007
中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-449X（2018）02-0049-08
收稿日期基金項(xiàng)目作者簡(jiǎn)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(shù)的發(fā)展，分布式電源得到了廣泛的應(yīng)用，獨(dú)立運(yùn)行的三相逆變器作為分布電源重要組成部分，其負(fù)載可能是單相與三相混合，因此需要具備帶不平衡負(fù)載能力[1-2]。傳統(tǒng)的三相逆變器在帶不平衡負(fù)載時(shí)無(wú)法輸出對(duì)稱的三相電壓，可能出現(xiàn)某相過(guò)壓或欠壓[3]，因此必須對(duì)傳統(tǒng)三相逆變電路加以改進(jìn)。目前已有文獻(xiàn)主要采用以下3種方法：負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變壓器副邊采用星形連接的方式，從而能夠?yàn)槿嗖黄胶庳?fù)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(dòng)，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(jí)，以及電容電壓等級(jí)，同時(shí)通過(guò)電磁作用將原副邊電路隔離。但是，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有它本身的缺點(diǎn)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)三相電路的完全解耦，無(wú)法從根本上解決由三相負(fù)載不平衡導(dǎo)致得三相輸出不對(duì)稱的問(wèn)題。三相四橋臂電路拓?fù)鋷嗖黄胶庳?fù)載能力較強(qiáng)，較之于三橋臂的逆變器拓?fù)?，增加了一個(gè)橋臂，橋臂的中點(diǎn)與三相負(fù)載輸出的公共點(diǎn)相連，拓?fù)浜?jiǎn)單[4-8]。但是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也存在缺點(diǎn)：需要進(jìn)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(cè)，增加了成本，而且要對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和信號(hào)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(shí)現(xiàn)了三相四線制的拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(gè)電容將直流母線分壓來(lái)鉗位交流中性點(diǎn)，在分裂電容的中點(diǎn)電壓穩(wěn)定的前提下，分裂電容式三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可等效為3個(gè)單相半橋逆變器，從而將三相逆變橋解耦，此時(shí)可以對(duì)三相分別進(jìn)行控制，便能夠有效地改善三相逆變器帶不平衡負(fù)載時(shí)輸出電壓不對(duì)稱的問(wèn)題。
但是，對(duì)于這種分裂電容式三相逆變器，由于分裂電容的均壓?jiǎn)栴}的存在限制了這種拓?fù)涞膹V泛應(yīng)用[10]，僅在小功率的場(chǎng)合中應(yīng)用較多。本文在目前已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)分裂電容式三相逆變器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)鋺?yīng)用于分裂電容式三相逆變器。通過(guò)簡(jiǎn)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(fù)載能力。
1中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)對(duì)輸出的影響
分裂電容式三相逆變器的電路拓?fù)淙鐖D1所示，兩個(gè)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(diǎn)與分裂電容中點(diǎn)連接，通過(guò)分裂電容來(lái)抑制三相中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)。
對(duì)于三相平衡負(fù)載，中性線電流為零，兩個(gè)分裂電容沒(méi)有中線電流流過(guò)，逆變器可以輸出對(duì)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(fù)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(duì)于三相負(fù)載不平衡，中線電流經(jīng)過(guò)中性點(diǎn)與分裂電容中點(diǎn)的連線流入到兩個(gè)分裂電容中，由于中線電流流入上下電容的極性相反，導(dǎo)致兩個(gè)分裂電容分壓不均，從而使得中性點(diǎn)不斷發(fā)生波動(dòng)，分裂電容的穩(wěn)壓能力達(dá)到飽和時(shí)，逆變器無(wú)法輸出對(duì)稱且相同幅值的三相交流電壓。
1.1三相四線制逆變器負(fù)載電壓不平衡機(jī)理
由于負(fù)載中性點(diǎn)N與分裂電容中點(diǎn)N′直接相連，在三相不平衡的條件下，三相負(fù)載電流ia、ib、ic的和i0通過(guò)中線流入分裂電容，假設(shè)流入兩個(gè)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(gè)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(yuǎn)大于輸出電壓頻率，忽略脈寬調(diào)制帶來(lái)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(guò)于復(fù)雜，根據(jù)文獻(xiàn)[11]論述的直流母線分裂電容電壓脈動(dòng)量與連接點(diǎn)接入電流初始相位角和電流大小的關(guān)系。令
ΔU=12C∫i0dt。（2）
用式（2）表示中線電流流過(guò)分裂電容，產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓脈動(dòng)。假設(shè)三相負(fù)載為純阻性負(fù)載且阻值都為R，中線電流i0為零，則ΔU為零，則會(huì)輸出對(duì)稱的三相交流電壓，負(fù)載不平衡時(shí)，ΔU疊加在原本對(duì)稱的三相電壓上，由于矢量關(guān)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(fù)載的電壓，U·a、U·b、U·c表示平衡負(fù)載電壓。
為了更加直觀看出ΔU對(duì)三相電壓的影響，繪制如圖3所示三相負(fù)載電壓矢量關(guān)系圖。從圖3中看出中點(diǎn)電壓脈動(dòng)使得原本對(duì)稱的三相電壓的幅值和相位都產(chǎn)生了影響。圖3三相負(fù)載電壓矢量圖
Fig.3Voltage vector illustration of threephase loads
1.2單相不平衡對(duì)三相負(fù)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(duì)分裂電容式三相逆變器進(jìn)行仿真，在三相負(fù)載不平衡時(shí)，如圖4中（a）圖表示三相負(fù)載分別為1 Ω、10 Ω、10 Ω時(shí)的三相電流波形，對(duì)比圖2中平衡時(shí)的三相電流均為4.3 A，可以看出A相負(fù)載的增大引起了B相負(fù)載電流降低，C相負(fù)載電流增大；相反地，圖4中（b）圖表示三相負(fù)載分別為100 Ω、10 Ω、10 Ω時(shí)的三相電流波形，可以看出A相負(fù)載的減小引起了B相負(fù)載電流增大，C相負(fù)載電流減小。不失一般性，經(jīng)仿真驗(yàn)證，此結(jié)論普遍適用于分裂電容式逆變器。
同時(shí)，A相負(fù)載的不平衡，也使得其他相負(fù)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(fù)載不平衡，使得三相負(fù)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(diǎn)電位的漂移產(chǎn)生的，式（2）中分裂電容的電壓波動(dòng)即為中性點(diǎn)的漂移量，可以看出在負(fù)載不平衡程度一定即中線電流相同時(shí)，增大分裂電容容量可以減小中點(diǎn)電位漂移，故得出結(jié)論：對(duì)于小功率負(fù)載，分裂電容式三相逆變器的抗負(fù)載不平衡能力較強(qiáng)。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(shí)便可以實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)的穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不平衡負(fù)載的抑制作用。
但使用電容容量增大的方式來(lái)提高分裂式電容三相逆變器帶不平衡負(fù)載的能力不能從根本上解決三相輸出不對(duì)稱問(wèn)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(gè)電容，二者之間的實(shí)際電容值誤差就越大，難以穩(wěn)定中性點(diǎn)電壓。由式（2）中電容值與中點(diǎn)電位脈動(dòng)的反比例關(guān)系可以看出：電容擴(kuò)大到一定程度時(shí)，電容對(duì)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(duì)電容電壓進(jìn)行控制。因此就分裂電容式三相逆變器而言，對(duì)分裂電容進(jìn)行電壓均衡控制來(lái)抑制中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)是較為理想的辦法。
2中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)?/p>
文獻(xiàn)[13]針對(duì)電流模式控制半橋型直流/直流轉(zhuǎn)換器時(shí)產(chǎn)生的電壓不均問(wèn)題，提出了一種添加輔助繞組的均壓結(jié)構(gòu)。本文對(duì)這種直流/直流變換器的結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，并應(yīng)用到分裂電容式三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，來(lái)均衡逆變器上下兩個(gè)分裂電容的電壓，從而抑制中性點(diǎn)漂移。這種中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞碾娐吠負(fù)溆纱?lián)接在直流母線上的兩個(gè)帶反并聯(lián)體二極管的IGBT，兩個(gè)二極管和一個(gè)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(gè)分裂電容中間連接點(diǎn)，線圈N1的同名端與兩個(gè)IGBT的中間連接點(diǎn)相連，線圈N2的異名端與兩個(gè)二極管的中間連接點(diǎn)相連，從而使得高頻變壓器原副邊電流方向相同。中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)渫ㄟ^(guò)控制兩個(gè)IGBT的高頻開(kāi)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)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(fù)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(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)洌w結(jié)構(gòu)如圖6所示。這種電路通過(guò)均衡分裂電容電壓，使得三相逆變器在帶不平衡負(fù)載時(shí)可以輸出對(duì)稱的三相電壓。
下面對(duì)這種中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞墓ぷ鬟^(guò)程進(jìn)行分析，首先構(gòu)建等效電路模型：將逆變橋以及三相負(fù)載等效成兩個(gè)串聯(lián)的可變電阻，中性點(diǎn)引出線接入分裂電容中性點(diǎn)。
初始狀態(tài)下，均壓控制器的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)ΔU為負(fù)時(shí)，即上端電容C1的電壓Vc1大于下端電容C2的電壓Vc2。此時(shí)控制電路檢測(cè)到中性點(diǎn)偏差，控制開(kāi)關(guān)管T1導(dǎo)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(guò)電流回路①放電，使得Vc1減小，同時(shí)，通過(guò)變壓器勵(lì)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(guò)電流回路②對(duì)電容C2充電， C2向負(fù)載R2充電，使得流過(guò)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(cè)到上下電容的電壓值為0，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管T1。由此可見(jiàn)，中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)渫ㄟ^(guò)高頻變壓器的隔離與能量傳遞功能，實(shí)現(xiàn)了在R1>R2時(shí)，對(duì)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(gè)過(guò)程的工作模態(tài)如圖7所示。
VN1=VC1+VT1。（4）
式中：VT1表示開(kāi)關(guān)管T1的導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)而結(jié)合式（4）和式（5）可以得到式兩個(gè)分裂電容電壓差值被限制在開(kāi)關(guān)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(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞墓ぷ髂B(tài)1
Fig.7Operating mode 1 of neutral point voltage
ripple inhibition topology
同理，當(dāng)ΔU為負(fù)時(shí)，即上端電容C1的電壓Vc1小于下端電容C2的電壓Vc2?？刂崎_(kāi)關(guān)管T2導(dǎo)通，產(chǎn)生電流回路③（C+2-N1-T2-C-2），通過(guò)電流回路③，電容C2放電，下電容電壓Vc2減小，同時(shí)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(duì)電容C1充電，流過(guò)R1的電流增大，上電容電壓Vc1增大，直到控制電路檢測(cè)上下電容差值為0控制開(kāi)關(guān)管T2關(guān)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(gè)過(guò)程的工作模態(tài)如圖8所示。
VN1=VC2-VT2。（7）
式中VT2表示開(kāi)關(guān)管T2的導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞恼{(diào)節(jié)下，整個(gè)過(guò)程中上下兩個(gè)分裂電容的電壓差值被限制在開(kāi)關(guān)管以及二極管的導(dǎo)通壓降的和之內(nèi)，從而保證了三相中性點(diǎn)的穩(wěn)定性。
3仿真研究與分析
選取相應(yīng)的仿真參數(shù)，對(duì)加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)淝昂蟮姆至央娙菔饺嗄孀兤鬟M(jìn)行仿真對(duì)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(shí)，一段時(shí)間內(nèi)的兩個(gè)動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)管T1、T2兩端的電壓波形以及流過(guò)T1的電流波形，圖10（b）為加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜笕嘭?fù)載的電壓電流波形，圖10（c）為加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜蠓至央娙蓦妷翰ㄐ魏碗娏鞑ㄐ巍?/p>
觀察圖10（b）可知，三相四線制逆變器中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞妮敵鲭妷翰ㄐ螏缀鯖](méi)有畸變，能夠在上下分裂電容容值不等并且三相負(fù)載不平衡的條件下輸出三相對(duì)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(duì)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(diǎn)電壓波動(dòng)很小，幅值為0.5 V?？梢?jiàn)此電路拓?fù)淠軌蛴行У谋ＷC中性點(diǎn)電壓的穩(wěn)定。由仿真結(jié)果可以看出，加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜髮⒎至央娙葜悬c(diǎn)7V的波動(dòng)縮小為0.5 V。說(shuō)明加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)淇梢杂行У叵拗品至央娙菽孀兤髟诓黄胶庳?fù)載下中性點(diǎn)的電壓波動(dòng)，從而保證了三相電壓的對(duì)稱輸出，提高了三相分裂電容式逆變器的帶不平衡負(fù)載能力。
4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證拓?fù)涞墓ぷ餍阅?，搭建?shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真條件一致，實(shí)驗(yàn)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(cè)得的實(shí)驗(yàn)波形，其中圖11（a）為三相負(fù)載兩端的電壓波形，明顯出現(xiàn)不對(duì)稱。電壓幅值分別約為45 V、40 V、50 V，三相電壓不對(duì)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(diǎn)電壓波形，由于分裂電容作用，中性點(diǎn)電壓與中線電流相位相差90度，而中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)幅值在6 V左右。
圖12表示加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜?，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(kāi)關(guān)頻率為40 kHz，工作模態(tài)正常。
圖13表示加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜笕嗄孀兤鞯膶?shí)驗(yàn)波形，其中圖13（a）為兩個(gè)IGBT的CE兩端電壓和流過(guò)上開(kāi)關(guān)管的電流波形。圖13（b）為三相負(fù)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(duì)稱率約為4.01%。圖13（c）為中線電流和中性點(diǎn)電壓波形，中線電流明顯增大，表明流過(guò)電容電流減小。中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)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(fù)載時(shí)，中線電流流入電容中點(diǎn)，對(duì)三相輸出電壓幅值與相位都產(chǎn)生了影響。將中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)鋺?yīng)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(diǎn)電壓脈動(dòng)，穩(wěn)定了中性點(diǎn)電壓，從而使該拓?fù)湓谪?fù)載不平衡的條件下輸出對(duì)稱的三相電壓。
2）通過(guò)中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)?，可以減小帶分裂電容式三相逆變器帶不平衡負(fù)載時(shí)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(dòng)抑制拓?fù)涞墓ぷ魇腔谡ぴ?，在控制中預(yù)留了一定續(xù)流時(shí)間來(lái)釋放電感能量。中線電流過(guò)大可能會(huì)造成的變壓器磁芯飽和。
參 考 文 獻(xiàn)：
[1]沈國(guó)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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 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(qiáng)， 祁強(qiáng)， 王軍. 三相逆變電源不平衡負(fù)載控制方法的研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 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(jī)與控制學(xué)報(bào)， 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(fù)控制的三相四橋臂逆變器研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 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(jī)理分析及其矯正[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 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(diǎn)電壓漂移控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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?jiǎn)栴}[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 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(dòng)分析與設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 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.
蔡春偉 郭玉興 安普風(fēng) 張?jiān)屏?/p>
摘要關(guān)鍵詞：三相四線制逆變器；分裂電容；三相不平衡負(fù)載；中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制；高頻變換電路
DOI：10.15938/j.emc.2018.02.007
中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-449X（2018）02-0049-08
收稿日期基金項(xiàng)目作者簡(jiǎn)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(shù)的發(fā)展，分布式電源得到了廣泛的應(yīng)用，獨(dú)立運(yùn)行的三相逆變器作為分布電源重要組成部分，其負(fù)載可能是單相與三相混合，因此需要具備帶不平衡負(fù)載能力[1-2]。傳統(tǒng)的三相逆變器在帶不平衡負(fù)載時(shí)無(wú)法輸出對(duì)稱的三相電壓，可能出現(xiàn)某相過(guò)壓或欠壓[3]，因此必須對(duì)傳統(tǒng)三相逆變電路加以改進(jìn)。目前已有文獻(xiàn)主要采用以下3種方法：負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變壓器副邊采用星形連接的方式，從而能夠?yàn)槿嗖黄胶庳?fù)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(dòng)，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(jí)，以及電容電壓等級(jí)，同時(shí)通過(guò)電磁作用將原副邊電路隔離。但是，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有它本身的缺點(diǎn)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)三相電路的完全解耦，無(wú)法從根本上解決由三相負(fù)載不平衡導(dǎo)致得三相輸出不對(duì)稱的問(wèn)題。三相四橋臂電路拓?fù)鋷嗖黄胶庳?fù)載能力較強(qiáng)，較之于三橋臂的逆變器拓?fù)?，增加了一個(gè)橋臂，橋臂的中點(diǎn)與三相負(fù)載輸出的公共點(diǎn)相連，拓?fù)浜?jiǎn)單[4-8]。但是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也存在缺點(diǎn)：需要進(jìn)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(cè)，增加了成本，而且要對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和信號(hào)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(shí)現(xiàn)了三相四線制的拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(gè)電容將直流母線分壓來(lái)鉗位交流中性點(diǎn)，在分裂電容的中點(diǎn)電壓穩(wěn)定的前提下，分裂電容式三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可等效為3個(gè)單相半橋逆變器，從而將三相逆變橋解耦，此時(shí)可以對(duì)三相分別進(jìn)行控制，便能夠有效地改善三相逆變器帶不平衡負(fù)載時(shí)輸出電壓不對(duì)稱的問(wèn)題。
但是，對(duì)于這種分裂電容式三相逆變器，由于分裂電容的均壓?jiǎn)栴}的存在限制了這種拓?fù)涞膹V泛應(yīng)用[10]，僅在小功率的場(chǎng)合中應(yīng)用較多。本文在目前已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)分裂電容式三相逆變器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)鋺?yīng)用于分裂電容式三相逆變器。通過(guò)簡(jiǎn)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(fù)載能力。
1中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)對(duì)輸出的影響
分裂電容式三相逆變器的電路拓?fù)淙鐖D1所示，兩個(gè)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(diǎn)與分裂電容中點(diǎn)連接，通過(guò)分裂電容來(lái)抑制三相中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)。
對(duì)于三相平衡負(fù)載，中性線電流為零，兩個(gè)分裂電容沒(méi)有中線電流流過(guò)，逆變器可以輸出對(duì)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(fù)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(duì)于三相負(fù)載不平衡，中線電流經(jīng)過(guò)中性點(diǎn)與分裂電容中點(diǎn)的連線流入到兩個(gè)分裂電容中，由于中線電流流入上下電容的極性相反，導(dǎo)致兩個(gè)分裂電容分壓不均，從而使得中性點(diǎn)不斷發(fā)生波動(dòng)，分裂電容的穩(wěn)壓能力達(dá)到飽和時(shí)，逆變器無(wú)法輸出對(duì)稱且相同幅值的三相交流電壓。
1.1三相四線制逆變器負(fù)載電壓不平衡機(jī)理
由于負(fù)載中性點(diǎn)N與分裂電容中點(diǎn)N′直接相連，在三相不平衡的條件下，三相負(fù)載電流ia、ib、ic的和i0通過(guò)中線流入分裂電容，假設(shè)流入兩個(gè)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(gè)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(yuǎn)大于輸出電壓頻率，忽略脈寬調(diào)制帶來(lái)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(guò)于復(fù)雜，根據(jù)文獻(xiàn)[11]論述的直流母線分裂電容電壓脈動(dòng)量與連接點(diǎn)接入電流初始相位角和電流大小的關(guān)系。令
ΔU=12C∫i0dt。（2）
用式（2）表示中線電流流過(guò)分裂電容，產(chǎn)生的中點(diǎn)電壓脈動(dòng)。假設(shè)三相負(fù)載為純阻性負(fù)載且阻值都為R，中線電流i0為零，則ΔU為零，則會(huì)輸出對(duì)稱的三相交流電壓，負(fù)載不平衡時(shí)，ΔU疊加在原本對(duì)稱的三相電壓上，由于矢量關(guān)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(fù)載的電壓，U·a、U·b、U·c表示平衡負(fù)載電壓。
為了更加直觀看出ΔU對(duì)三相電壓的影響，繪制如圖3所示三相負(fù)載電壓矢量關(guān)系圖。從圖3中看出中點(diǎn)電壓脈動(dòng)使得原本對(duì)稱的三相電壓的幅值和相位都產(chǎn)生了影響。圖3三相負(fù)載電壓矢量圖
Fig.3Voltage vector illustration of threephase loads
1.2單相不平衡對(duì)三相負(fù)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(duì)分裂電容式三相逆變器進(jìn)行仿真，在三相負(fù)載不平衡時(shí)，如圖4中（a）圖表示三相負(fù)載分別為1 Ω、10 Ω、10 Ω時(shí)的三相電流波形，對(duì)比圖2中平衡時(shí)的三相電流均為4.3 A，可以看出A相負(fù)載的增大引起了B相負(fù)載電流降低，C相負(fù)載電流增大；相反地，圖4中（b）圖表示三相負(fù)載分別為100 Ω、10 Ω、10 Ω時(shí)的三相電流波形，可以看出A相負(fù)載的減小引起了B相負(fù)載電流增大，C相負(fù)載電流減小。不失一般性，經(jīng)仿真驗(yàn)證，此結(jié)論普遍適用于分裂電容式逆變器。
同時(shí)，A相負(fù)載的不平衡，也使得其他相負(fù)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(fù)載不平衡，使得三相負(fù)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(diǎn)電位的漂移產(chǎn)生的，式（2）中分裂電容的電壓波動(dòng)即為中性點(diǎn)的漂移量，可以看出在負(fù)載不平衡程度一定即中線電流相同時(shí)，增大分裂電容容量可以減小中點(diǎn)電位漂移，故得出結(jié)論：對(duì)于小功率負(fù)載，分裂電容式三相逆變器的抗負(fù)載不平衡能力較強(qiáng)。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(shí)便可以實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)的穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不平衡負(fù)載的抑制作用。
但使用電容容量增大的方式來(lái)提高分裂式電容三相逆變器帶不平衡負(fù)載的能力不能從根本上解決三相輸出不對(duì)稱問(wèn)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(gè)電容，二者之間的實(shí)際電容值誤差就越大，難以穩(wěn)定中性點(diǎn)電壓。由式（2）中電容值與中點(diǎn)電位脈動(dòng)的反比例關(guān)系可以看出：電容擴(kuò)大到一定程度時(shí)，電容對(duì)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(duì)電容電壓進(jìn)行控制。因此就分裂電容式三相逆變器而言，對(duì)分裂電容進(jìn)行電壓均衡控制來(lái)抑制中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)是較為理想的辦法。
2中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)?/p>
文獻(xiàn)[13]針對(duì)電流模式控制半橋型直流/直流轉(zhuǎn)換器時(shí)產(chǎn)生的電壓不均問(wèn)題，提出了一種添加輔助繞組的均壓結(jié)構(gòu)。本文對(duì)這種直流/直流變換器的結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，并應(yīng)用到分裂電容式三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，來(lái)均衡逆變器上下兩個(gè)分裂電容的電壓，從而抑制中性點(diǎn)漂移。這種中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞碾娐吠負(fù)溆纱?lián)接在直流母線上的兩個(gè)帶反并聯(lián)體二極管的IGBT，兩個(gè)二極管和一個(gè)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(gè)分裂電容中間連接點(diǎn)，線圈N1的同名端與兩個(gè)IGBT的中間連接點(diǎn)相連，線圈N2的異名端與兩個(gè)二極管的中間連接點(diǎn)相連，從而使得高頻變壓器原副邊電流方向相同。中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)渫ㄟ^(guò)控制兩個(gè)IGBT的高頻開(kāi)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)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(fù)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(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)洌w結(jié)構(gòu)如圖6所示。這種電路通過(guò)均衡分裂電容電壓，使得三相逆變器在帶不平衡負(fù)載時(shí)可以輸出對(duì)稱的三相電壓。
下面對(duì)這種中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞墓ぷ鬟^(guò)程進(jìn)行分析，首先構(gòu)建等效電路模型：將逆變橋以及三相負(fù)載等效成兩個(gè)串聯(lián)的可變電阻，中性點(diǎn)引出線接入分裂電容中性點(diǎn)。
初始狀態(tài)下，均壓控制器的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)ΔU為負(fù)時(shí)，即上端電容C1的電壓Vc1大于下端電容C2的電壓Vc2。此時(shí)控制電路檢測(cè)到中性點(diǎn)偏差，控制開(kāi)關(guān)管T1導(dǎo)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(guò)電流回路①放電，使得Vc1減小，同時(shí)，通過(guò)變壓器勵(lì)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(guò)電流回路②對(duì)電容C2充電， C2向負(fù)載R2充電，使得流過(guò)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(cè)到上下電容的電壓值為0，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管T1。由此可見(jiàn)，中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)渫ㄟ^(guò)高頻變壓器的隔離與能量傳遞功能，實(shí)現(xiàn)了在R1>R2時(shí)，對(duì)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(gè)過(guò)程的工作模態(tài)如圖7所示。
VN1=VC1+VT1。（4）
式中：VT1表示開(kāi)關(guān)管T1的導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)而結(jié)合式（4）和式（5）可以得到式兩個(gè)分裂電容電壓差值被限制在開(kāi)關(guān)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(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞墓ぷ髂B(tài)1
Fig.7Operating mode 1 of neutral point voltage
ripple inhibition topology
同理，當(dāng)ΔU為負(fù)時(shí)，即上端電容C1的電壓Vc1小于下端電容C2的電壓Vc2?？刂崎_(kāi)關(guān)管T2導(dǎo)通，產(chǎn)生電流回路③（C+2-N1-T2-C-2），通過(guò)電流回路③，電容C2放電，下電容電壓Vc2減小，同時(shí)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(duì)電容C1充電，流過(guò)R1的電流增大，上電容電壓Vc1增大，直到控制電路檢測(cè)上下電容差值為0控制開(kāi)關(guān)管T2關(guān)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(gè)過(guò)程的工作模態(tài)如圖8所示。
VN1=VC2-VT2。（7）
式中VT2表示開(kāi)關(guān)管T2的導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞恼{(diào)節(jié)下，整個(gè)過(guò)程中上下兩個(gè)分裂電容的電壓差值被限制在開(kāi)關(guān)管以及二極管的導(dǎo)通壓降的和之內(nèi)，從而保證了三相中性點(diǎn)的穩(wěn)定性。
3仿真研究與分析
選取相應(yīng)的仿真參數(shù)，對(duì)加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)淝昂蟮姆至央娙菔饺嗄孀兤鬟M(jìn)行仿真對(duì)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(shí)，一段時(shí)間內(nèi)的兩個(gè)動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)管T1、T2兩端的電壓波形以及流過(guò)T1的電流波形，圖10（b）為加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜笕嘭?fù)載的電壓電流波形，圖10（c）為加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜蠓至央娙蓦妷翰ㄐ魏碗娏鞑ㄐ巍?/p>
觀察圖10（b）可知，三相四線制逆變器中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)涞妮敵鲭妷翰ㄐ螏缀鯖](méi)有畸變，能夠在上下分裂電容容值不等并且三相負(fù)載不平衡的條件下輸出三相對(duì)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(duì)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(diǎn)電壓波動(dòng)很小，幅值為0.5 V?？梢?jiàn)此電路拓?fù)淠軌蛴行У谋ＷC中性點(diǎn)電壓的穩(wěn)定。由仿真結(jié)果可以看出，加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜髮⒎至央娙葜悬c(diǎn)7V的波動(dòng)縮小為0.5 V。說(shuō)明加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)淇梢杂行У叵拗品至央娙菽孀兤髟诓黄胶庳?fù)載下中性點(diǎn)的電壓波動(dòng)，從而保證了三相電壓的對(duì)稱輸出，提高了三相分裂電容式逆變器的帶不平衡負(fù)載能力。
4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證拓?fù)涞墓ぷ餍阅?，搭建?shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真條件一致，實(shí)驗(yàn)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(cè)得的實(shí)驗(yàn)波形，其中圖11（a）為三相負(fù)載兩端的電壓波形，明顯出現(xiàn)不對(duì)稱。電壓幅值分別約為45 V、40 V、50 V，三相電壓不對(duì)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(diǎn)電壓波形，由于分裂電容作用，中性點(diǎn)電壓與中線電流相位相差90度，而中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)幅值在6 V左右。
圖12表示加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜?，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(kāi)關(guān)頻率為40 kHz，工作模態(tài)正常。
圖13表示加入中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)浜笕嗄孀兤鞯膶?shí)驗(yàn)波形，其中圖13（a）為兩個(gè)IGBT的CE兩端電壓和流過(guò)上開(kāi)關(guān)管的電流波形。圖13（b）為三相負(fù)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(duì)稱率約為4.01%。圖13（c）為中線電流和中性點(diǎn)電壓波形，中線電流明顯增大，表明流過(guò)電容電流減小。中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)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(fù)載時(shí)，中線電流流入電容中點(diǎn)，對(duì)三相輸出電壓幅值與相位都產(chǎn)生了影響。將中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)鋺?yīng)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(diǎn)電壓脈動(dòng)，穩(wěn)定了中性點(diǎn)電壓，從而使該拓?fù)湓谪?fù)載不平衡的條件下輸出對(duì)稱的三相電壓。
2）通過(guò)中性點(diǎn)電壓脈動(dòng)抑制拓?fù)?，可以減小帶分裂電容式三相逆變器帶不平衡負(fù)載時(shí)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(dòng)抑制拓?fù)涞墓ぷ魇腔谡ぴ?，在控制中預(yù)留了一定續(xù)流時(shí)間來(lái)釋放電感能量。中線電流過(guò)大可能會(huì)造成的變壓器磁芯飽和。
參 考 文 獻(xiàn)：
[1]沈國(guó)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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 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(qiáng)， 祁強(qiáng)， 王軍. 三相逆變電源不平衡負(fù)載控制方法的研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 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(jī)與控制學(xué)報(bào)， 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(fù)控制的三相四橋臂逆變器研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 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(jī)理分析及其矯正[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 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(diǎn)電壓漂移控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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?jiǎn)栴}[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 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(dòng)分析與設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 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.
