大功率三電平逆變器直流母線電容的紋波電流問題研究

柯建興，賈昊松，林哲侃，李達(dá)義

（1.上能電氣股份有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518052；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

三電平逆變器最早于1981年被提出[1]。因具有輸出紋波小、效率高以及功率密度大等優(yōu)點(diǎn)[2]，近年來在光伏發(fā)電[3]、風(fēng)力發(fā)電[4]、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）[5-6]以及變頻器[7]等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。三電平逆變器直流母線電容的工作狀態(tài)對(duì)整機(jī)的工作效率、可靠性、安全性以及壽命等方面皆有著重大影響。在電力領(lǐng)域，考核三電平逆變器直流母線電容的技術(shù)指標(biāo)通常包括電壓、電流和溫升。由于在直流母線電壓穩(wěn)定的情況下，電容器電壓有相對(duì)穩(wěn)定的降額[8]，通過人為設(shè)計(jì)可以保證其壽命，而電流和溫升之間又存在著必然的關(guān)系，所以電流成為檢驗(yàn)電容可靠性的重要指標(biāo)。

理想狀態(tài)下，通過參數(shù)設(shè)計(jì)可以令每個(gè)電容器都工作在額定值以下，以保證系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。然而，實(shí)際中由于電路系統(tǒng)中存在的寄生電感等參數(shù)，電容器的工作點(diǎn)將偏離正常值，可能導(dǎo)致故障發(fā)生。為避免電容過電流對(duì)系統(tǒng)正常工作造成危害，本文詳細(xì)分析了三電平逆變器直流母線電容的工作狀態(tài)，得出電容紋波電流超標(biāo)的原因，提出了降低紋波電流的方案，以期為相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 三電平逆變器母線電容的工作狀態(tài)

其中，Vdc為直流母線電壓，Va、Vb、Vc分別為逆變器經(jīng)過LC濾波后的三相輸出相電壓，ia、ib、ic分別為三相輸出相電流。

圖1 理想I型三電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)圖

由圖1可得，直流母線電容紋波電流的有效值[9]為：

其中，IN為輸出相電流峰值，M為調(diào)制比，φ為輸出功率因數(shù)角。式（1）為理想情況下的電容電流表達(dá)式，其成立必須滿足以下條件：①三相耦合度高，各相的工頻紋波電流完全互相抵消；②高頻紋波電流占比很小，可以忽略不計(jì)；③母線電容足夠大，直流輸入的紋波電流可以忽略不計(jì)。

上述理想情況適用于小功率逆變器。隨著逆變器輸出功率的增加，母線電容和逆變器中所使用的功率器件相應(yīng)增大，逆變器體積隨之增大，導(dǎo)致：①三相相間的空間距離增加，導(dǎo)致三相耦合度變低，各相的工頻紋波電流無法簡單地相互抵消；②母線電容的增大，導(dǎo)致各個(gè)電容的紋波電流承受度不一致，即靠近逆變功率模塊

1.1 理想三電平逆變器的母線電容電流

理想I型三電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。的紋波電流大，遠(yuǎn)離功率模塊的紋波電流?。虎垭娐返母飨嗉纳鷧?shù)包括寄生電感、寄生電容等，對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。這些變化導(dǎo)致母線電容電流不再符合理想情況，在特定的開關(guān)頻率下，可能出現(xiàn)紋波電流超過母線電容所能承受的最大值，危害系統(tǒng)的正常工作。

1.2 含寄生參數(shù)的逆變器母線電容電流

對(duì)于大功率逆變器而言，由于寄生參數(shù)的存在，等效電路如圖2所示。其中，Lsa1、Lsa2、Lsb1、Lsb2、Lsc1、Lsc2分別為逆變器開關(guān)器件的寄生電感，Ls1、Ls2分別為逆變器線路寄生電感，Ca1、Ca2、Cb1、Cb2、Cc1、Cc2分別為逆變器的直流母線電容。由于寄生電感的存在，母線電容電流中除了工頻電流、IGBT開關(guān)產(chǎn)生的高頻電流之外，還疊加了寄生電感和母線電容所形成的LC充放電回路的寄生電流。該寄生電流除了與充放電過程相關(guān)之外，還與開關(guān)管的開關(guān)過程緊密相關(guān)。當(dāng)寄生電感和母線電容的諧振頻率剛好等于IGBT的開關(guān)頻率時(shí)，寄生電流紋波達(dá)到最大。

以1 MW逆變器為例，其額定交流輸出電壓為520 V，最大輸出電流為1 222 A。設(shè)計(jì)采用母線電容共750 μF×30個(gè)，單邊母線電容15個(gè)（每相各5個(gè)），每個(gè)電容耐受紋波電流能力為96 A。在輸出功率因數(shù)測試中發(fā)現(xiàn)，母線電容紋波電流大幅超標(biāo)，由B相測得紋波電流達(dá)到120 A，大幅超過電容耐受電流值。相關(guān)測試波形如圖3所示。

圖2 含寄生參數(shù)的I型三電平逆變器電路結(jié)構(gòu)圖

圖3 1 MW逆變器母線電容電流波形

從圖3可以看出：除了逆變器必然產(chǎn)生的紋波電流之外，還產(chǎn)生了多余的諧波電流，導(dǎo)致母線電容的紋波電流超標(biāo)。這個(gè)電流既不是開關(guān)紋波電流，也不是工頻電流，但與開關(guān)過程相關(guān)，且其振幅很大，波形呈現(xiàn)規(guī)律性。初步分析為系統(tǒng)產(chǎn)生了諧振。

1.3 含寄生參數(shù)的逆變器工作過程分析

以A相為例，由圖2提取出A相等效電路，如圖4所示。其中，Ta1、Ta2、Ta3、Ta4分別為逆變器A相IGBT開關(guān)管。

在輸出功率因數(shù)為1的條件下，分析寄生電感Lsa1作用下的工作過程。

首先，分析輸出電壓正半周的工況?？刂撇呗詾椋篢a2管常通，Ta1管斬波控制。當(dāng)Ta1開通時(shí)，Ca1向L1輸出能量；當(dāng)Ta1關(guān)斷時(shí)，Lsa1對(duì)Ca1充電，恢復(fù)Ca1的電壓，等待下一個(gè)周期的到來。與兩電平逆變器不同的是，三電平逆變器的直流母線分成了2部分，正半母線電容的紋波電流無法被負(fù)半母線的電容吸收。三相電容的紋波電流補(bǔ)償只能在正半母線的3個(gè)電容之間進(jìn)行。當(dāng)Ta1關(guān)斷時(shí)，由于Lsa1的存在，若Ca1充電電流為0，Ca1上的電壓是大于1/2倍的輸入電壓。這時(shí)Ca1的能量開始通過Lsa1向其他兩相的電容轉(zhuǎn)移，直到Ta1再次開通。同樣，當(dāng)Ta1開通時(shí)，其他相電容的能量也會(huì)通過Lsa1向Ca1轉(zhuǎn)移。另外，在Ta1關(guān)斷時(shí)，如果Ca1電壓偏低，Cb1或Cc1電壓高，那么Cb1或Cc1會(huì)把能量向Ca1轉(zhuǎn)移，形成無效的電流，導(dǎo)致電容紋波電流被放大。具體表現(xiàn)如圖3中的方框2所示。

圖4 A相等效電路

其次，在輸出電壓的負(fù)半周，Ca1電容會(huì)通過Lsa1向其他相電容進(jìn)行能量交換，產(chǎn)生無用的電流。具體表現(xiàn)如圖3中的方框1所示。

根據(jù)上述分析，要抑制直流母線電容通過寄生電感所產(chǎn)生的電容紋波電流，一個(gè)較好的解決方案是增大Lsa1的電感值，使得三相獨(dú)立，充分解耦，互不干擾。

2 仿真研究

LC諧振電路基本公式為：

由式（2）可得，當(dāng)開關(guān)頻率f=3 kHz、C=3 750 μF時(shí)，可以計(jì)算得到諧振的寄生電感Ls為0.751 μH。即當(dāng)寄生電感為0.751 μH時(shí)，直流母線電容的紋波電流達(dá)到最大；而當(dāng)寄生電感小于或大于0.751 μH時(shí)，直流母線電容的紋波電流將減小。

為驗(yàn)證上述結(jié)論，建立Saber仿真模型，開關(guān)頻率為f=3 kHz，母線電容采用集中布置。首先對(duì)理想情況進(jìn)行仿真。理想情況下，三相輸出電流的波形如圖5所示。

輸出負(fù)載上的交流電流有效值為1 220 A，基本接近實(shí)際工況輸出電流的最大值；母線電壓1 000 V，負(fù)載為純電阻負(fù)載，輸出功率因數(shù)為1，此時(shí)母線電容紋波電流如圖6所示。

母線總紋波電流有效值為678 A，理論上平均每個(gè)電容紋波電流為45.2 A?？梢?，電容紋波電流滿足電容電流耐受能力的要求。

理論上，改變每相電容之間耦合電感大小，電容電流波形會(huì)發(fā)生明顯變化。設(shè)定每相電容之間的耦合電感值為5 μH，直流母線電容的紋波電流如圖7所示。

圖5 理想情況下三相輸出電流仿真波形

圖6 理想情況下的母線電容電流

圖7 母線電容之間電感為5 μH時(shí)的母線電容電流

波形整體呈50 Hz波動(dòng)，有效值為350 A，平均每個(gè)母線電容電流值為70 A，波形細(xì)節(jié)如圖8所示。

圖8 母線電容之間電感為5 μH時(shí)的電容電流波形細(xì)節(jié)

設(shè)定每相電容之間的耦合電感值為2 μH，母線電容的紋波電流如圖9所示。

電容電流從350 A增加到412 A，平均每個(gè)電容電流為82.4 A，波形細(xì)節(jié)如圖10所示。

設(shè)定每相電容之間的耦合電感值為0.7 μH，母線電容的紋波電流如圖11所示。

電流有效值變?yōu)?05 A，平均每個(gè)電容承受121 A電流，超出規(guī)格書規(guī)定的電容電流耐受能力范圍，波形細(xì)節(jié)如圖12所示。

圖9 母線電容之間電感為2 μH時(shí)的母線電容電流

圖10 母線電容之間電感為2 μH時(shí)的電容電流波形細(xì)節(jié)

圖11 母線電容之間電感為0.7 μH時(shí)的電容電流

圖12 母線電容之間電感為0.7 μH時(shí)的電容電流波形細(xì)節(jié)

設(shè)定每相電容之間的耦合電感值為0.1 μH，母線電容的紋波電流如圖13所示。

此時(shí)的紋波電流有效值相對(duì)于電感值為1 μH時(shí)大幅減小到427 A，平均每個(gè)電容承受電流85.4 A，波形細(xì)節(jié)如圖14所示。

根據(jù)以上仿真結(jié)果可得，相間耦合電感在某一個(gè)特定值時(shí)，電容間的電流會(huì)產(chǎn)生諧振，電容電流急劇增加。仿真結(jié)果說明，增大相間寄生電感，可以適當(dāng)抑制諧振，減小電容紋波電流。

圖13 母線電容之間電感為0.1 μH時(shí)的電容電流

圖14 母線電容之間電感為0.1 μH時(shí)的電容電流波形細(xì)節(jié)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述理論分析與仿真結(jié)果，搭建實(shí)際的三電平逆變器樣機(jī)，并在三相的每個(gè)正負(fù)橋臂上串聯(lián)1個(gè)10 μH的電感，測試相關(guān)電容的紋波電流，結(jié)果如圖15所示。

通過與仿真結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，圖15與圖7的仿真結(jié)果一致。10 μH電感的加入使得三相電路間的耦合得到了分解。與圖3對(duì)比，方框1中的波形更加規(guī)則，說明開關(guān)頻率與諧振頻率錯(cuò)開，在運(yùn)行時(shí)電容紋波電流受到的干擾變小；方框2中，電流的耦合諧振現(xiàn)象基本不存在；整體的紋波電流有效值降低到64.6 A，滿足了規(guī)格書規(guī)定的電容電流耐受能力范圍。

4 結(jié) 論

大功率三電平逆變器母線電容紋波超標(biāo)的原因，主要是系統(tǒng)電路中存在的寄生電感與母線電容產(chǎn)生了諧振。若其諧振點(diǎn)剛好在逆變器開關(guān)頻率附近，將導(dǎo)致電容紋波電流被放大，超出母線電容所能承受的范圍。本文提出一種解決電容紋波電流超標(biāo)的方法，通過增加逆變器3個(gè)橋臂的電感改變系統(tǒng)回路的諧振點(diǎn)，解耦三相電路，從而達(dá)到抑制電容紋波電流的目的。通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該方法可有效解決三電平逆變器中母線電容紋波電流過大的問題。

圖15 增加10 μH電感后的電容電流波形