电力电子变压器中IPOP三相四桥臂逆变级的环流控制方

引言

随着电力电子技术的快速发展，电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)作为传统电力变压器的重要替代方案，在电力系统中的应用日益广泛。PET通过高频电力电子变换技术实现电压变换和能量传输，具有体积小、重量轻、调节灵活等优点。其中，IPOP(Input Parallel Output Parallel)三相四桥臂逆变级作为PET的关键组成部分，其环流控制直接影响到系统的稳定运行和效率。本文将深入探讨电力电子变压器中IPOP三相四桥臂逆变级的环流控制方法。

一、三相四桥臂逆变器的基本原理

三相四桥臂逆变器是在传统三相全桥逆变器的基础上增加一个桥臂构成的，这一额外的桥臂主要用于控制中性点电位，使逆变器具备带不平衡负载的能力。三相四桥臂逆变器可以产生三个独立的输出电压，并通过第四桥臂的调控实现中性点电位的灵活控制。这种结构使得逆变器在带不平衡负载时仍能保持良好的输出电压波形和电流平衡。

1.1 三相四桥臂逆变器的工作模式

三相四桥臂逆变器的工作模式包括四个桥臂的协调控制。在每个开关周期内，逆变器根据控制策略调整各桥臂开关管的通断状态，以实现对输出电压和电流的控制。通常，前三桥臂采用正弦脉宽调制(SPWM)或空间矢量脉宽调制(SVPWM)等技术，而第四桥臂则根据中性点电流或零序电压的需求进行独立控制。

1.2 输出电压和电流的纹波分析

在逆变器工作过程中，输出电压和电流会存在一定的纹波。这些纹波主要来源于开关动作引起的高频谐波以及负载不平衡导致的低频分量。通过合理设计滤波电路和控制策略，可以有效抑制这些纹波，提高输出电压和电流的质量。

二、IPOP三相四桥臂逆变级的环流问题

在IPOP三相四桥臂逆变级中，由于采用输入并联输出并联的结构，逆变器之间可能存在环流问题。环流不仅会增加系统的损耗，还可能对逆变器的稳定性和可靠性造成不利影响。因此，环流控制是IPOP三相四桥臂逆变级设计中的关键问题之一。

2.1 环流产生的原因

环流产生的原因主要有两个方面：一是逆变器之间的参数差异(如开关管导通电阻、电感值等)导致电流分配不均;二是负载不平衡引起的中性点电位偏移，进而引发环流。此外，控制策略的不当也可能加剧环流问题。

2.2 环流对系统的影响

环流对系统的影响主要体现在以下几个方面：一是增加系统的无功损耗和热量积累;二是可能导致逆变器过流保护触发，影响系统的正常运行;三是加剧输出电压和电流的不平衡度，降低电能质量。

三、环流控制方法

针对IPOP三相四桥臂逆变级的环流问题，国内外学者提出了多种控制方法。这些方法大多基于双闭环或多环控制策略，结合先进的调制技术和智能控制算法，实现对环流的有效抑制。

3.1 双闭环控制策略

双闭环控制策略是一种常用的环流控制方法。该方法在电压外环的基础上增加电流内环，通过检测逆变器之间的电流差异并实时调整控制信号，实现对环流的抑制。在IPOP三相四桥臂逆变级中，可以针对每相电流和中性点电流分别设计电流内环，以实现更精确的控制。

3.2 准PR控制器

准比例谐振(PR)控制器是一种在特定频率下具有高增益的控制器，适用于需要精确跟踪正弦波信号的应用场合。在IPOP三相四桥臂逆变级中，可以采用准PR控制器实现对基波电压和零序电流的零稳态误差控制。这种控制器能够兼顾输出电压外特性硬度和输出电流环流抑制的目的，提高系统的稳定性和电能质量。

3.3 特定谐波消除法

特定谐波消除法是一种通过优化开关角度或占空比来消除特定次谐波的方法。在IPOP三相四桥臂逆变级中，可以针对环流中的主要谐波成分进行优化设计，以减小环流幅值。这种方法需要结合系统的具体参数和负载特性进行精确计算和调整。

3.4 智能控制算法

随着人工智能技术的发展，智能控制算法在电力电子系统中的应用日益广泛。在IPOP三相四桥臂逆变级中，可以采用模糊控制、神经网络控制等智能算法对环流进行自适应控制。这些算法能够根据系统的实时运行状态自动调整控制参数，实现对环流的快速响应和有效抑制。

四、实例分析

以某型电力电子变压器为例，其输出级采用IPOP三相四桥臂逆变器并联方式实现冗余。针对不平衡负载情况，研究人员对逆变器进行了分序环流分析，并比较了不同控制策略下等效输出阻抗对环流抑制的影响。最终提出了一种在单逆变器双闭环控制基础上加入针对负载功率均分的环流控制环的方案，并结合准PR控制器实现了在基波较宽频带内逆变器输出电压和第四桥臂零序电流的零稳态误差控制。实验结果表明，该方案能够有效抑制环流，提高系统的稳定性和电能质量。

五、结论与展望

电力电子变压器中IPOP三相四桥臂逆变级的环流控制是一个复杂而关键的问题。通过采用双闭环控制策略、准PR控制器、特定谐波消除法以及智能控制算法等方法，可以有效抑制环流，提高系统的稳定性和电能质量。未来，随着电力电子技术的不断发展和应用需求的不断增长，IPOP三相四桥臂逆变级的环流控制方法将不断完善和创新，为电力系统的智能化和高效化运行提供更加有力的支持。