三相四线变换器:常用拓扑、特点及调制方法全解析

时间:2025-07-08

三相四线制配电凭借稳定性高、适用范围广等显著优点,在工商业、民用等低压配电场景中得到了广泛应用。在传统的有源电力滤波器(APF)、不间断电源(UPS)等应用里,三相四线变换器已经被大量采用。近年来,工商业侧储能以其经济性、电网友好性等特点呈现出蓬勃发展的态势。在离网应用场景下,不平衡负载的带载能力、谐波畸变度等都是其功率转换系统(PCS)的重要指标。碳化硅金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)结合三相四桥臂变换器在此应用场景中具有明显的应用优势。本文上篇将详细介绍常用的三相四线变换器拓扑及其特点,以及不同于三相三线系统的调制方法;下篇将结合仿真实例说明 SiC MOSFET 在其中的应用优势与价值所在。


工商业储能系统离网运行时,可能存在单相负载和三相不平衡负载,这就会产生三相不平衡电流。由于逆变器的输出阻抗不为零,根据对称分量法,输出电压将会包含零序和负序分量。三相三线变换器因为缺乏零序电流通路,无法对零序分量进行补偿。因此,若需解决三相不平衡电压问题,满足单相供电等需求,采用三相四线变换器拓扑是非常必要的。常见的拓扑形式有以下几种:


  1. 变压器方式

    在传统的三相三桥臂变流器交流输出侧增加一个工频变压器,是实现三相四线供电为简单的方式。变压器的初级侧采用三角形连接,这样零序分量在初级侧被短路,系统只需要考虑正序和负序分量的控制,有助于简化控制方案。次级负载侧通过 Yn 连接为负载提供中线电流通路。然而,当负载不平衡程度较大时,这种拓扑结构难以很好地保持电压平衡。负载电压中的零序分量取决于变压器的漏抗,降低变压器漏抗可以削弱零序分量


  2. 造成的三相不平衡。此外,变压器会显著增加系统的体积和成本,这在一些对空间和成本要求较高的应用场景中是一个明显的劣势。

  3. 三相三桥臂分裂电容拓扑
    这种拓扑将负载中点与直流中点直接相连,从而实现三相四线的供电。该解决方案不需要增加额外的功率器件和变压器,成本相对较低。但当负载不平衡时,不平衡电流会流入直流电容器。考虑到电容器的长期使用寿命,需要更大容量的电容,同时还需要增加中点电压不平衡控制策略以及零序控制。该拓扑结构的输出相电压只能在两个电平(-1/2Vdc,+1/2Vdc)之间跳变,在相同开关频率下,输出电流总谐波畸变率(THD)高于三相三线系统,在相同母线电压下,直流电压利用率更低。由于增加了零序电流路径,空间矢量脉宽调制(SVPWM)无法控制零轴分量,需要采用三维空间矢量调制(3D - SVPWM)或载波调制方法。实际上,一旦交流中点和直流中点相连,三相系统则变成三个独立的单相电路,因此不论是载波调制还是 3D - SVPWM,终的调制效果都与单相正弦脉宽调制(SPWM)的调制效果一致。在必须使用三相四线接线制式的应用场合,为提高谐波抑制性能,在成本允许的情况下,多重化技术将是不错的选择,或者提高开关频率。总体来讲,这种拓扑抑制三相电压不平衡的能力有限。

  4. 平衡桥臂式三相四线变换器
    这种拓扑也被广泛使用,负载中点连接到直流母线中点,平衡支路通过高频电感也连接到直流母线的中点。通过控制平衡桥功率器件的开通关断来调配两个半母线电容能量,使平衡桥臂支路电流和负载中线电流相互抵消,以确保中点电压相对稳定和三相电压平衡。三相桥的控制方法与分裂电容式拓扑相同。对于这种拓扑结构,抑制三相电压不平衡的能力有所提高,且主要取决于平衡支路的硬件能力。

  5. 三相四桥臂变换器拓扑
    负载中点直接连接到第四桥臂的交流输出点。第四桥臂为不平衡电流提供了通路,同时增加了一个控制自由度,可以将三相电压解耦为三个独立的单相控制。与分裂电容式的三相四线拓扑结构相比,直流电容的容量需求降低,这有利于减小装置体积重量。控制中,三相四桥臂变换器多使用三次谐波注入的载波调制方法或 3D - SVPWM 调制方法,与上述其他拓扑相比,可以实现更高的直流电压利用率。对三相四桥臂变换器建模分析表明,与三相强耦合的三相三桥臂变流器不同,三相四桥臂变换器可以解耦为三个独立的全桥变换器,特别是在三相负载不平衡的离网应用时,可以通过电压 / 频率(V/F)方式独立控制并建立输出电压,输出相电压不会相互影响。通常采用三次谐波注入的载波调制方法或 3D - SVPWM 调制方法,以获得更好的直流电压利用率和更小的输出谐波畸变。对于三相四桥臂变换器,3D - SVPWM 调制空间在 αβγ 坐标系中是一个六棱柱结构,其中 γ 代表零序分量。输出矢量所在三角棱柱区域的判断以及矢量合成过程相对复杂,与载波调制相比,在工程实际应用中不够友好。且有研究表明,这两种方法在终调制效果上是归一的。


对于三相四桥臂变换器的载波调制方法,其调制波形如图所示,数学表达式为:m 为调制比。该调制方法易于实现,且在工程中被广泛应用。其蓝色曲线对应 A 相调制波形,B 相和 C 相相位差分别为 ±120°,对其进行傅里叶展开,基波分量的幅值为 2/√3sin (ωt),这意味着与正弦脉宽调制(SPWM)相比,提高了直流电压的利用率。第四桥臂直接应用三倍频正弦波进行调制,在相电压的输出中此分量可被消除。




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