導(dǎo)語(yǔ)：不平衡負(fù)載下逆變器結(jié)構(gòu)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對(duì)越來(lái)越多不平衡負(fù)載嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的問(wèn)題，從逆變器結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，提出了五種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是帶分裂電容的三相逆變器、帶NFT的三相逆變器、帶D/yn變壓器的三相逆變器、組合式三相逆變器、三相四橋臂逆變器，并且對(duì)這五種逆變器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。根據(jù)不平衡負(fù)載出現(xiàn)的情況，可以合理的進(jìn)行選擇。這些逆變器在三相平衡負(fù)載、三相不平衡負(fù)載等多種情況下都能夠保持良好的動(dòng)態(tài)特性和電壓輸出特性。

關(guān)鍵詞:電能質(zhì)量;不平衡負(fù)載;三相逆變器;動(dòng)態(tài)特性

電力系統(tǒng)主要由兩部分組成:一部分是對(duì)稱電路，另外一部分是不對(duì)稱電路。普通的對(duì)稱三相交流電指的是系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生三相幅值相等，相位互差120°的三相正弦交流波形。但是電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)楦鞣N原因，例如電線桿倒塌、線路斷路等，都會(huì)造成系統(tǒng)輸出的三相交流電不再對(duì)稱，整個(gè)系統(tǒng)的所有過(guò)程，例如電力發(fā)電、輸送電能、分配電能等，都會(huì)受到嚴(yán)重的影響，形成嚴(yán)重的后果［1］。普通的三相電路會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱三相交流電的原因主要包括兩個(gè)方面:第一種情況，系統(tǒng)所給定的三相電源本身就是不對(duì)稱的。這種情況指的是電力系統(tǒng)中的A，B，C各相電動(dòng)勢(shì)處于不對(duì)稱狀態(tài)，此時(shí)，無(wú)論系統(tǒng)承接的三相負(fù)載阻抗值相等或者不相等，此時(shí)產(chǎn)生的電壓波形都是不對(duì)稱的三相正弦波。第二種情況，電力系統(tǒng)所連接的三相負(fù)載處于不對(duì)稱狀態(tài)。這種情況主要是由以下原因造成的［2－4］:第一，三相負(fù)載的阻抗值不相等。第二，電力系統(tǒng)處于比較惡劣的環(huán)境(整個(gè)線路產(chǎn)生短路或者斷路等故障)下，造成三相負(fù)載不再相等。三相負(fù)載處于不平衡狀態(tài)時(shí)，電力系統(tǒng)就會(huì)形成負(fù)序以及零序分量。此時(shí)，如果三相電源的阻抗值恒等于零，電力系統(tǒng)的功能就不會(huì)受到影響。然而，電力系統(tǒng)中的電源內(nèi)部都會(huì)存在實(shí)際的電抗，必定會(huì)引起輸出電壓不再對(duì)稱。三相電壓處于不平衡狀態(tài)體現(xiàn)在:1)A，B，C三相電壓的幅值不相等;2)三者的相位不再對(duì)稱，產(chǎn)生了一定的偏移;3)上述兩種情況都存在。電力網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)三相負(fù)載處于不平衡的情況，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生非線性負(fù)載。普通的三相電壓型逆變器產(chǎn)生的三相電壓耦合十分緊密，所以，沒有辦法產(chǎn)生對(duì)稱的三相交流波形，如果需要解決非線性負(fù)載的問(wèn)題，必須將高次諧波產(chǎn)生的嚴(yán)重影響考慮其中。為了解決這些問(wèn)題，查閱大量資料，解決方案是改變普通逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括以下幾種。

1帶分裂電容的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

帶分裂電容的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1.這個(gè)逆變器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:中間包含兩個(gè)串聯(lián)在一起的電容，電源Udc與兩個(gè)電容行成的電路進(jìn)行并聯(lián)，在兩個(gè)串聯(lián)的電容之間有一條連接線，這樣的結(jié)構(gòu)使得帶分裂電容的三相逆變器能夠進(jìn)行三相四線輸出。由于帶分裂電容的三相逆變器在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于將3個(gè)相同的半橋電路相互串聯(lián)，因此，當(dāng)它連接三相不對(duì)稱負(fù)載時(shí)仍然能夠產(chǎn)生對(duì)稱的三相電壓波形［5］。這個(gè)逆變器的優(yōu)點(diǎn)主要是:第一，這個(gè)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單;第二，這個(gè)逆變器中包含比較少的電子元器件。由于在兩個(gè)相互串聯(lián)的電容之間引出了一根連接線，相當(dāng)于第四條連接線，系統(tǒng)中產(chǎn)生的中性電流就會(huì)從第四條連接線中通過(guò)，這就要求電力系統(tǒng)中電容的數(shù)值必須準(zhǔn)確，才能確保系統(tǒng)產(chǎn)生更高的電能質(zhì)量，電容器的存在相應(yīng)地會(huì)增加整個(gè)逆變器的體積。這個(gè)逆變器也存在一定的缺點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算可以得到，它對(duì)直流母線電壓的使用率是比較低的，基本上只能達(dá)到50%的利用率，因此，這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上被應(yīng)用在中型或者小型功率的設(shè)備中。

2帶NFT的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶

NFT的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。這個(gè)逆變器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:與普通三相電壓型逆變器進(jìn)行對(duì)比，這個(gè)逆變器在三相濾波電容的后面多了一個(gè)結(jié)構(gòu)NFT，NFT是中點(diǎn)行成變壓器的簡(jiǎn)稱。帶NFT的三相逆變器具備連接三相不平衡負(fù)載和非線性負(fù)載的能力，原因在于如果系統(tǒng)中產(chǎn)生中性電流，NFT結(jié)構(gòu)中的三個(gè)電感行成了一個(gè)完整的星形回路，中性電流就會(huì)在這個(gè)星形回路中不斷流動(dòng)，導(dǎo)致中性電流不會(huì)對(duì)其他電路產(chǎn)生影響，即其他電路中流過(guò)的中性電流相當(dāng)于零。但是，帶NFT的三相逆變器也存在一定的缺點(diǎn):隨著電力系統(tǒng)所輸出三相電壓波形不平衡度的數(shù)值變大，NFT的體積隨之慢慢變大，當(dāng)然，其重量也就隨之增大。同時(shí)，為了提高整個(gè)逆變器的工作效率和電能輸出質(zhì)量，就會(huì)使得NFT中變壓器繞組以特別復(fù)雜的方式纏繞在一起，增加了其與外部電路連接的復(fù)雜程度［6］。這個(gè)逆變器由于自身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，使得其消耗的電能也會(huì)增加，因此，整個(gè)系統(tǒng)輸出的電能效率就會(huì)有所下降。

3帶D/yn變壓器的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶

D/yn變壓器的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。圖3帶D/yn變壓器的三相逆變器UdcbacSapSbpScpiciaibLLLiCiAiBABC三相負(fù)載CGScnSbnSanpNn這個(gè)逆變器的特點(diǎn)在于:與普通三相電壓型逆變器相比，這個(gè)逆變器是在輸出端的后面連接逆變器，最后連接所需要的負(fù)載，其中變壓器的聯(lián)結(jié)方式主要是三角形/星形連接，星形接法可以有中性線，也可以不連接中性線。如果所連接的負(fù)載處于不平衡的狀態(tài)時(shí)，此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在中性線中會(huì)有電流通過(guò)，因?yàn)樽儔浩髯髠?cè)的結(jié)構(gòu)采用三角形聯(lián)結(jié)，所產(chǎn)生的中性電流就會(huì)在三角形中不斷的往復(fù)循環(huán)，最終所產(chǎn)生的不平衡電流和不平衡電壓就會(huì)被減小一部分，形成較好的輸出波形。但是這個(gè)結(jié)構(gòu)也存在一定的缺點(diǎn)，由于這個(gè)逆變器中明顯地添加了一部分結(jié)構(gòu)，就是由一次側(cè)為三角形，二次側(cè)為星形而組成的變壓器結(jié)構(gòu)，這種情況就會(huì)造成這個(gè)逆變器無(wú)論從體積還是重量方面都會(huì)明顯增加。同時(shí)，逆變器由于自身結(jié)構(gòu)的影響也會(huì)產(chǎn)生一定值的漏電電抗，因此，當(dāng)這個(gè)逆變器所接的負(fù)載處于不平衡的狀態(tài)時(shí)，最終所輸出的三相電壓有可能也會(huì)處于不對(duì)稱的狀態(tài)［7－8］。

4組合式三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

組合式三相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖4能夠得到，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是左側(cè)三個(gè)完全相同的單相的逆變器，它們通過(guò)LC電路的耦合，最終形成了一個(gè)新的組合式三相逆變器?；谶@個(gè)三相逆變器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)是左側(cè)三個(gè)單相逆變器之間是獨(dú)立的，因此，可以考慮將A相電路通過(guò)第一個(gè)逆變器進(jìn)行控制，B相電路通過(guò)第二個(gè)逆變器進(jìn)行控制，C相電路通過(guò)第三個(gè)逆變器進(jìn)行控制。如果電路中所接的負(fù)載呈現(xiàn)不平衡的狀態(tài)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以起到良好的效果，使所產(chǎn)生的電壓波形盡可能呈現(xiàn)三相對(duì)稱的狀態(tài)。當(dāng)所使用的電器屬于大功率電器時(shí)，大部分都會(huì)應(yīng)用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是這個(gè)組合式三相逆變器也有它的缺陷，在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，明顯可以看出其中包括了12個(gè)開關(guān)，相比其他逆變器而言，它的數(shù)量明顯偏多，導(dǎo)致這個(gè)逆變器自身的體積也會(huì)相應(yīng)增加，因此，在真正應(yīng)用的階段，性價(jià)比較低。

5三相四橋臂逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相四橋臂逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)形式如圖5，圖6所示。將圖5，圖6進(jìn)行對(duì)比，就可以發(fā)現(xiàn)圖6是在圖5的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)電感Ln，它的作用主要是濾除雜波。其他部分都是相同的，因此，將兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)統(tǒng)一進(jìn)行介紹。將它們與普通的三相電壓型逆變器進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，普通的三相電壓型逆變器僅僅包含三個(gè)相同的橋臂，而這兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在原有橋臂的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)橋臂，形成了4個(gè)橋臂，構(gòu)成了三相四線制輸出方式，使其具備解決由于不平衡負(fù)載產(chǎn)生的三相不對(duì)稱輸出電壓的能力。從它本身的結(jié)構(gòu)能夠看出，在第四個(gè)橋臂之間引出了一條中性線，中線和第四橋臂的交叉點(diǎn)被稱為中性點(diǎn)，通過(guò)中性點(diǎn)的電壓值大小主要是由第四個(gè)橋臂決定的。普通的三相三橋臂逆變器僅僅包含2個(gè)自由度，而三相四橋臂逆變器卻擁有3個(gè)自由度。如果采用這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，需要把第1，2，3個(gè)橋臂進(jìn)行解耦，這種情況下就可以對(duì)A，B，C三相電壓進(jìn)行分別控制，即使該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所接的負(fù)載處于不平衡狀態(tài)，甚至非線性狀態(tài)，該逆變器依然能良好的解決這個(gè)問(wèn)題，產(chǎn)生三相對(duì)稱輸出波形。三相四橋臂逆變器具備很多優(yōu)點(diǎn):1)相比其他的逆變器結(jié)構(gòu)，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不需要增加其他的裝置，體積和重量比較小;2)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓利用率比較高;3)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，它的性價(jià)比較高。

6結(jié)語(yǔ)

當(dāng)系統(tǒng)中所接的三相負(fù)載相等時(shí)，即負(fù)載處于三相平衡狀態(tài)時(shí)，普通的三相電壓型逆變器就可以滿足需求，能夠輸出三相對(duì)稱的輸出波形，A，B，C三相電壓之間角度相差120°，它們的幅值也是相等的。但是當(dāng)電力系統(tǒng)由于電桿倒塌、短路、開路等故障時(shí)，通過(guò)逆變器產(chǎn)生的波形就會(huì)出現(xiàn)很大的偏負(fù)，不符合電力設(shè)備的需求，因此就要對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行解決。文中所提出的6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以不同程度的解決這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)也對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述。近年來(lái)，采用三相四橋臂逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決這類問(wèn)題比較多，因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)本身具備三相四線制輸出，不但能解決不平衡負(fù)載的問(wèn)題，還能一定程度上解決非線性負(fù)載的問(wèn)題。當(dāng)然，其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也都被應(yīng)用到不同場(chǎng)合，大家可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行解決，使電力系統(tǒng)能夠達(dá)到更高的利用率，造福萬(wàn)民。

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作者：路顏 程光威 張媛 單位：陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院城軌工程學(xué)院