三相四線制配電具有穩(wěn)定性高、適用范圍廣等優(yōu)點，多應(yīng)用于工商業(yè)、民用等低壓配電場景，在傳統(tǒng)的APF、UPS等應(yīng)用里，三相四線變換器已被大量采用，近年來，工商業(yè)側(cè)儲能正以其經(jīng)濟性、電網(wǎng)友好性等特點蓬勃發(fā)展，其中離網(wǎng)應(yīng)用場景下，不平衡負(fù)載的帶載能力、諧波畸變度等都是其PCS的重要指標(biāo)。SiC MOSFET結(jié)合三相四橋臂變換器在此應(yīng)用場景具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，本文上篇將介紹常用的三相四線變換器拓?fù)浼疤攸c以及不同于三相三線系統(tǒng)的調(diào)制方法，下篇將結(jié)合仿真實例說明SiC MOSFET在其中的應(yīng)用優(yōu)勢與價值所在。

工商業(yè)儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運行時，可能存在單相負(fù)載和三相不平衡負(fù)載，即會產(chǎn)生三相不平衡電流，由于逆變器的輸出阻抗不為零，根據(jù)對稱分量法，輸出電壓將會包含零序和負(fù)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?fù)涫欠浅１匾模Ｒ姷耐負(fù)湫问接幸韵聨追N：

1

變壓器方式

變壓器方式，在傳統(tǒng)的三相三橋臂變流器交流輸出側(cè)增加一個工頻變壓器可以最為簡單的實現(xiàn)三相四線的供電。變壓器的初級側(cè)是三角形連接，因此零序分量在初級側(cè)被短路，系統(tǒng)只需要考慮正序和負(fù)序分量的控制，這有助于簡化控制方案。次級負(fù)載側(cè)通過Yn連接為負(fù)載提供中線電流通路。但當(dāng)負(fù)載不平衡程度較大時，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無法很好地保持電壓平衡，負(fù)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(tǒng)的體積和成本。

圖1. 變壓器式三相四線拓?fù)?/p>

2

三相三橋臂分裂電容拓?fù)?/strong>

三相三橋臂分裂電容拓?fù)?，將?fù)載中點與直流中點直接相連，如圖2所示，實現(xiàn)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(dāng)負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)頻率下輸出電流THD高于三相三線系統(tǒng)，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(diào)制（SVPWM）無法控制零軸分量，需要采用三維空間矢量調(diào)制(3D-SVPWM)或載波調(diào)制方法。事實上，一旦交流中點和直流中點相連，三相系統(tǒng)則變成三個獨立的單相電路，因此不論是載波調(diào)制還是3D-SVPWM，最終的調(diào)制效果都與單相SPWM的調(diào)制效果一致。在必須使用三相四線接線制式的應(yīng)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(shù)將是不錯的選擇，或者提高開關(guān)頻率?？傮w來講這種拓?fù)湟种迫嚯妷翰黄胶獾哪芰τ邢蕖?/p>

圖2. 分裂電容式三相四線拓?fù)?/p>

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?fù)湟脖粡V泛使用，負(fù)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(guān)斷來調(diào)配兩個半母線電容能量，使平衡橋臂支路電流和負(fù)載中線電流相互抵消，以確保中點電壓相對穩(wěn)定和三相電壓平衡，三相橋的控制方法與分裂電容式拓?fù)湎嗤?。對于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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?fù)?/p>

4

三相四橋臂變換器拓?fù)?/strong>

三相四橋臂變換器拓?fù)淙鐖D四所示，負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?？刂浦校嗨臉虮圩儞Q器多使用三次諧波注入的載波調(diào)制方法或3D-SVPWM調(diào)制方法，與上述其他拓?fù)湎啾?，可以實現(xiàn)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?fù)潆m然增加了一定的功率器件成本，但具有最強的不平衡負(fù)載帶載能力，廣泛應(yīng)用于戶用、工商業(yè)儲能PCS中。

圖4. 三相四橋臂變換器拓?fù)?/p>

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(fù)載不平衡的離網(wǎng)應(yīng)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(diào)制方法或3D-SVPWM調(diào)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(diào)制空間在α β γ 坐標(biāo)系中是一個六棱柱結(jié)構(gòu)，其中代表零序分量。輸出矢量所在三角棱柱區(qū)域的判斷以及矢量合成過程相對復(fù)雜，與載波調(diào)制相比，在工程實際應(yīng)用中不夠友好。且有研究表明，這兩種方法在最終調(diào)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(diào)制方法，其調(diào)制波形如圖六所示，數(shù)學(xué)表達式為：

m為調(diào)制比。

圖6. 三相四橋臂變換器調(diào)制波與載波波形

上圖藍色曲線對應(yīng)A相調(diào)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(diào)制(SPWM)相比，提高了直流電壓的利用率。第四橋臂直接應(yīng)用三倍頻正弦波進行調(diào)制，在相電壓的輸出中此分量可被消除。這種調(diào)制方法易于實現(xiàn)，且在工程中被廣泛應(yīng)用。

本篇我們著重介紹了不同的三相四線變換器拓?fù)湫问教攸c以及相應(yīng)的調(diào)制方法，下篇我們將繼續(xù)結(jié)合仿真案例說明SiC MOSFET在三相四橋臂變換器中的應(yīng)用優(yōu)勢。