隨著全球低碳化進程的推進，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)定性問題也隨之顯現(xiàn)，儲能系統(tǒng)的引入成為了抑制這一波動性的有效手段。其中，儲能變流器（PCS）作為儲能系統(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載與三相不平衡負載的情況下，三相四線變流器拓撲成為了滿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撲

在三相四線變流器拓撲中，分裂電容式拓撲由于N線電流流過母線電容，導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，平衡橋臂式拓撲通過硬件電路增強了中點平衡控制能力，對于處理不平衡負載具有更強的適應(yīng)性。

三相四橋臂拓撲：增強的控制自由度

本文重點討論的三相四橋臂拓撲，通過增加第四橋臂來提高控制自由度。這種拓撲結(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，將三相解耦為獨立的單相控制，從而能夠處理高達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撲。為了改善這一點，需要選擇合適的功率器件與拓撲結(jié)構(gòu)。

SiC MOSFET vs. Si IGBT：材料性能對比

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因其單極性導電特性，不存在IGBT關(guān)斷時的拖尾現(xiàn)象，因此其關(guān)斷損耗（Eoff）相較于IGBT顯著減小。此外，SiC二極管的反向恢復能量也很小，使得SiC MOSFET的開通損耗遠低于Si IGBT。

由于IGBT的pnpn四層結(jié)構(gòu)，其導通特性存在一個轉(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比中，可以看到三相四橋臂拓撲的電壓臺階減少，諧波畸變更大。在相同的濾波器參數(shù)下，三相四線拓撲（3P4L）的輸出電流THD（總諧波失真）較三相三線拓撲（3P3L）惡化了49.5%。因此，對于三相四橋臂變流器而言，如果采用IGBT方案，需要應(yīng)用多重化拓撲或三電平拓撲，這將大大增加系統(tǒng)成本。而采用SiC MOSFET方案，由于開關(guān)頻率的顯著提升，即使使用兩電平拓撲也可以滿足系統(tǒng)諧波需求。

PLECS仿真驗證

本文通過PLECS仿真軟件，定量對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。這進一步證明了在三相四橋臂拓撲中，SiC方案的價值所在。