工商業儲能系統離網運行時，可能存在單相負載和三相不平衡負載，即會產生三相不平衡電流，由于逆變器的輸出阻抗不為零，根據對稱分量法，輸出電壓將會包含零序和負序分量，三相三線變換器因為缺乏零序電流通路無法對零序分量進行補償，因此若需解決三相不平衡電壓問題，滿足單相供電等需求，采用三相四線變換器拓撲是非常必要的，常見的拓撲形式有以下幾種：
1
變壓器方式
變壓器方式，在傳統的三相三橋臂變流器交流輸出側增加一個工頻變壓器可以最為簡單的實現三相四線的供電。變壓器的初級側是三角形連接，因此零序分量在初級側被短路，系統只需要考慮正序和負序分量的控制，這有助于簡化控制方案。次級負載側通過Yn連接為負載提供中線電流通路。但當負載不平衡程度較大時，這種拓撲結構無法很好地保持電壓平衡，負載電壓中的零序分量取決于變壓器的漏抗，降低變壓器漏抗可削弱零序分量造成的三相不平衡，此外，變壓器會顯著增加系統的體積和成本。
圖1. 變壓器式三相四線拓撲
2
三相三橋臂分裂電容拓撲
三相三橋臂分裂電容拓撲，將負載中點與直流中點直接相連，如圖2所示，實現三相四線的供電。這種解決方案不需要增加額外的功率器件和變壓器，成本相對較低。但當負載不平衡時，不平衡電流會流入直流電容器，考慮長期使用壽命，電容容量需求更大，同時需要增加中點電壓不平衡控制策略以及零序控制。該拓撲結構的輸出相電壓只能在兩個電平（-1/2Vdc，+1/2Vdc）之間跳變，相同開關頻率下輸出電流THD高于三相三線系統，相同母線電壓下直流電壓利用率更低。由于增加了零序電流路徑，空間矢量脈寬調制（SVPWM）無法控制零軸分量，需要采用三維空間矢量調制(3D-SVPWM)或載波調制方法。事實上，一旦交流中點和直流中點相連，三相系統則變成三個獨立的單相電路，因此不論是載波調制還是3D-SVPWM，最終的調制效果都與單相SPWM的調制效果一致。在必須使用三相四線接線制式的應用場合，為提高諧波抑制性能，在成本允許的情況下，多重化技術將是不錯的選擇，或者提高開關頻率。總體來講這種拓撲抑制三相電壓不平衡的能力有限。
圖2. 分裂電容式三相四線拓撲
3
平衡橋臂式三相四線變換器
平衡橋臂式三相四線變換器，這種拓撲也被廣泛使用，負載中點連接到直流母線中點，平衡支路通過高頻電感也連接到直流母線的中點。通過控制平衡橋功率器件的開通關斷來調配兩個半母線電容能量，使平衡橋臂支路電流和負載中線電流相互抵消，以確保中點電壓相對穩定和三相電壓平衡，三相橋的控制方法與分裂電容式拓撲相同。對于這種拓撲結構，抑制三相電壓不平衡的能力有所提高，且主要取決于平衡支路的硬件能力。
圖3. 平衡橋臂式三相四線拓撲
4
三相四橋臂變換器拓撲
三相四橋臂變換器拓撲如圖四所示，負載中點直接連接到第四橋臂的交流輸出點。第四橋臂為不平衡電流提供了通路同時增加了一個控制自由度，可以將三相電壓解耦為三個獨立的單相控制。與分裂電容式的三相四線拓撲結構相比，直流電容的容量需求降低，這有利于減小裝置體積重量。控制中，三相四橋臂變換器多使用三次諧波注入的載波調制方法或3D-SVPWM調制方法，與上述其他拓撲相比，可以實現更高的直流電壓利用率，下文將會進一步討論。三相四橋臂拓撲雖然增加了一定的功率器件成本，但具有最強的不平衡負載帶載能力，廣泛應用于戶用、工商業儲能PCS中。
圖4. 三相四橋臂變換器拓撲
對三相四橋臂變換器建模分析表明，與三相強耦合的三相三橋臂變流器不同，三相四橋臂變換器可以解耦為三個獨立的全橋變換器，特別是在三相負載不平衡的離網應用時，可以通過V/F方式獨立控制并建立輸出電壓，輸出相電壓不會相互影響。通常采用三次諧波注入的載波調制方法或3D-SVPWM調制方法，以獲得更好的直流電壓利用率和更小的輸出諧波畸變。對于三相四橋臂變換器，3D-SVPWM調制空間在α β γ 坐標系中是一個六棱柱結構，其中??代表零序分量。輸出矢量所在三角棱柱區域的判斷以及矢量合成過程相對復雜，與載波調制相比，在工程實際應用中不夠友好。且有研究表明，這兩種方法在最終調制效果上歸一的。
圖5. 三相四橋臂變換器空間矢量分布
對于三相四橋臂變換器的載波調制方法，其調制波形如圖六所示，數學表達式為：
m為調制比。
圖6. 三相四橋臂變換器調制波與載波波形
上圖藍色曲線對應A相調制波形，B相和C相相位差分別為±120°，對其進行傅里葉展開，基波分量的幅值為2/√3sin(ωt)，這意味著與正弦脈寬調制(SPWM)相比，提高了直流電壓的利用率。第四橋臂直接應用三倍頻正弦波進行調制，在相電壓的輸出中此分量可被消除。這種調制方法易于實現，且在工程中被廣泛應用。
第二期 IGBT模塊：
技術、驅動和應用培訓班
現已開啟報名，
掃描下方二維碼鎖定名額！
????
點擊文末“閱讀原文”了解詳情
歡迎點擊卡片
關注電子電力工程師園地
