路 顏，程光威，張 媛

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院城軌工程學(xué)院，陜西 渭南 714000)

電力系統(tǒng)主要由兩部分組成：一部分是對稱電路，另外一部分是不對稱電路。普通的對稱三相交流電指的是系統(tǒng)會產(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)行過程中，因?yàn)楦鞣N原因，例如電線桿倒塌、線路斷路等，都會造成系統(tǒng)輸出的三相交流電不再對稱，整個系統(tǒng)的所有過程，例如電力發(fā)電、輸送電能、分配電能等，都會受到嚴(yán)重的影響，形成嚴(yán)重的后果[1]。

普通的三相電路會產(chǎn)生不對稱三相交流電的原因主要包括兩個方面：第一種情況，系統(tǒng)所給定的三相電源本身就是不對稱的。這種情況指的是電力系統(tǒng)中的A，B，C各相電動勢處于不對稱狀態(tài)，此時，無論系統(tǒng)承接的三相負(fù)載阻抗值相等或者不相等，此時產(chǎn)生的電壓波形都是不對稱的三相正弦波。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，電力系統(tǒng)就會形成負(fù)序以及零序分量。此時，如果三相電源的阻抗值恒等于零，電力系統(tǒng)的功能就不會受到影響。然而，電力系統(tǒng)中的電源內(nèi)部都會存在實(shí)際的電抗，必定會引起輸出電壓不再對稱。

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)常會出現(xiàn)三相負(fù)載處于不平衡的情況，有時甚至?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)生對稱的三相交流波形，如果需要解決非線性負(fù)載的問題，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。

這個逆變器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：中間包含兩個串聯(lián)在一起的電容，電源Udc與兩個電容行成的電路進(jìn)行并聯(lián)，在兩個串聯(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個相同的半橋電路相互串聯(lián)，因此，當(dāng)它連接三相不對稱負(fù)載時仍然能夠產(chǎn)生對稱的三相電壓波形[5]。這個逆變器的優(yōu)點(diǎn)主要是：第一，這個逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對比較簡單；第二，這個逆變器中包含比較少的電子元器件。由于在兩個相互串聯(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)生的中性電流就會從第四條連接線中通過，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)地會增加整個逆變器的體積。這個逆變器也存在一定的缺點(diǎn)，通過計(jì)算可以得到，它對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)行對比，這個逆變器在三相濾波電容的后面多了一個結(jié)構(gòu)NFT，NFT是中點(diǎn)行成變壓器的簡稱。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)中的三個電感行成了一個完整的星形回路，中性電流就會在這個星形回路中不斷流動，導(dǎo)致中性電流不會對其他電路產(chǎn)生影響，即其他電路中流過的中性電流相當(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，為了提高整個逆變器的工作效率和電能輸出質(zhì)量，就會使得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增加，因此，整個系統(tǒng)輸出的電能效率就會有所下降。

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。

這個逆變器的特點(diǎn)在于：與普通三相電壓型逆變器相比，這個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，此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在中性線中會有電流通過，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被減小一部分，形成較好的輸出波形。但是這個結(jié)構(gòu)也存在一定的缺點(diǎn)，由于這個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)，這種情況就會造成這個逆變器無論從體積還是重量方面都會明顯增加。同時，逆變器由于自身結(jié)構(gòu)的影響也會產(chǎn)生一定值的漏電電抗，因此，當(dāng)這個逆變器所接的負(fù)載處于不平衡的狀態(tài)時，最終所輸出的三相電壓有可能也會處于不對稱的狀態(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)三個完全相同的單相的逆變器，它們通過LC電路的耦合，最終形成了一個新的組合式三相逆變器。

基于這個三相逆變器的結(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相電路通過第一個逆變器進(jìn)行控制，B相電路通過第二個逆變器進(jìn)行控制，C相電路通過第三個逆變器進(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)三相對稱的狀態(tài)。當(dāng)所使用的電器屬于大功率電器時，大部分都會應(yīng)用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是這個組合式三相逆變器也有它的缺陷，在這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，明顯可以看出其中包括了12個開關(guān)，相比其他逆變器而言，它的數(shù)量明顯偏多，導(dǎo)致這個逆變器自身的體積也會相應(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)行對比，就可以發(fā)現(xiàn)圖6是在圖5的基礎(chǔ)上添加了一個電感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相同的橋臂，而這兩個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在原有橋臂的基礎(chǔ)上增加了一個橋臂，形成了4個橋臂，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)，通過中性點(diǎn)的電壓值大小主要是由第四個橋臂決定的。普通的三相三橋臂逆變器僅僅包含2個自由度，而三相四橋臂逆變器卻擁有3個自由度。如果采用這個結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，需要把第1,2,3個橋臂進(jìn)行解耦，這種情況下就可以對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問題，產(chǎn)生三相對稱輸出波形。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)比較簡單，不需要增加其他的裝置，體積和重量比較?。?)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，它的性價(jià)比較高。

6 結(jié)語

當(dāng)系統(tǒng)中所接的三相負(fù)載相等時，即負(fù)載處于三相平衡狀態(tài)時，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，通過逆變器產(chǎn)生的波形就會出現(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問題，同時也對各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述。近年來，采用三相四橋臂逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決這類問題比較多，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)載的問題，還能一定程度上解決非線性負(fù)載的問題。當(dāng)然，其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也都被應(yīng)用到不同場合，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，造福萬民。