隨著全球低碳化進(jìn)程的推進(jìn)，可再生能源發(fā)電的比例日益增加。然而，新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性問(wèn)題也隨之顯現(xiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入成為了抑制這一波動(dòng)性的有效手段。其中，儲(chǔ)能變流器（PCS）作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，在工商業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。特別是在存在單相負(fù)載與三相不平衡負(fù)載的情況下，三相四線變流器拓?fù)涑蔀榱藵M足單相供電需求及抑制三相不平衡電壓的理想選擇。

常見的三相四線變流器拓?fù)?/strong>

在三相四線變流器拓?fù)渲校至央娙菔酵負(fù)溆捎贜線電流流過(guò)母線電容，導(dǎo)致電容容量需求增加，并且直流電壓利用率較低，諧波畸變較大，抑制三相不平衡的能力有限。相比之下，平衡橋臂式拓?fù)渫ㄟ^(guò)硬件電路增強(qiáng)了中點(diǎn)平衡控制能力，對(duì)于處理不平衡負(fù)載具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

三相四橋臂拓?fù)洌涸鰪?qiáng)的控制自由度

本文重點(diǎn)討論的三相四橋臂拓?fù)洌ㄟ^(guò)增加第四橋臂來(lái)提高控制自由度。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用3D-SVPWM調(diào)制或三次諧波注入的載波調(diào)制方法，將三相解耦為獨(dú)立的單相控制，從而能夠處理高達(dá)100%的不平衡電流。雖然其直流電壓利用率得到了提升，但在諧波表現(xiàn)上依然不如三相三線拓?fù)洹榱烁纳七@一點(diǎn)，需要選擇合適的功率器件與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

SiC MOSFET vs. Si IGBT：材料性能對(duì)比

SiC（碳化硅）材料相較于傳統(tǒng)的Si（硅）材料，具有更高的電子漂移速率。SiC MOSFET因其單極性導(dǎo)電特性，不存在IGBT關(guān)斷時(shí)的拖尾現(xiàn)象，因此其關(guān)斷損耗（Eoff）相較于IGBT顯著減小。此外，SiC二極管的反向恢復(fù)能量也很小，使得SiC MOSFET的開通損耗遠(yuǎn)低于Si IGBT。

由于IGBT的pnpn四層結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)通特性存在一個(gè)轉(zhuǎn)折壓降，而SiC MOSFET的輸出特性曲線則類似于一條直線，在小電流區(qū)域內(nèi)，SiC MOSFET具有更低的導(dǎo)通損耗。

 三相四橋臂變流器的諧波性能

在三相四橋臂變流器與三相三橋臂變流器的輸出相電壓電流波形對(duì)比中，可以看到三相四橋臂拓?fù)涞碾妷号_(tái)階減少，諧波畸變更大。在相同的濾波器參數(shù)下，三相四線拓?fù)洌?P4L）的輸出電流THD（總諧波失真）較三相三線拓?fù)洌?P3L）惡化了49.5%。因此，對(duì)于三相四橋臂變流器而言，如果采用IGBT方案，需要應(yīng)用多重化拓?fù)浠蛉娖酵負(fù)洌@將大大增加系統(tǒng)成本。而采用SiC MOSFET方案，由于開關(guān)頻率的顯著提升，即使使用兩電平拓?fù)湟部梢詽M足系統(tǒng)諧波需求。

PLECS仿真驗(yàn)證

本文通過(guò)PLECS仿真軟件，定量對(duì)比了三電平三相四橋臂IGBT方案與兩電平三相四橋臂SiC MOSFET方案。在采用同等電流規(guī)格分立器件的情況下，SiC MOSFET方案在系統(tǒng)效率、電流諧波畸變、濾波器參數(shù)選擇以及器件溫升等方面都顯示出了一定的優(yōu)勢(shì)。這進(jìn)一步證明了在三相四橋臂拓?fù)渲校琒iC方案的價(jià)值所在。