低壓系統(tǒng)中電容濾波的三相不可控整流電路電壓分析

韓航星，王金全，胡亞超，方建華

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低壓系統(tǒng)中電容濾波的三相不可控整流電路電壓分析

韓航星，王金全，胡亞超，方建華

（解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，南京210007）

低壓供電系統(tǒng)中，線路阻抗較大，其對系統(tǒng)的影響也較大，不能忽略。本文考慮網(wǎng)側(cè)線路阻抗的影響，對電容濾波的三相不可控整流電路進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效分析，用matlab仿真分別分析了線路電阻、電感、濾波電容、負(fù)載大小對整流器輸出電壓及網(wǎng)側(cè)線電壓畸變率的影響。

低壓系統(tǒng) 電容濾波 整流電路 電壓分析

0 引言

隨著大量非線性電力電子裝置廣泛應(yīng)用，其對電網(wǎng)產(chǎn)生了日益嚴(yán)重的諧波污染[1，2]。目前對于整流器諧波分析多建立在以下前提下：1)將電源視作理想電源；2)忽略線路阻抗的影響。在電壓等級較低的電路中，線路的電阻值和阻抗比相對較高[3]，所以，對于微電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)組、微型燃?xì)廨啓C(jī)等微型電源，連接整流器等非線性電力電子裝置時，電源的內(nèi)阻抗和線路阻抗對電路性能的影響較大[4]，不能忽略。

文獻(xiàn)[5]針對電容濾波的三相不可控整流電路電流連續(xù)的情況，考慮網(wǎng)側(cè)阻抗的影響，推導(dǎo)出輸出電壓解析式，但對輸出整流電壓的分析不夠全面，且未對網(wǎng)側(cè)電壓的畸變情況進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[6]根據(jù)電網(wǎng)和電容對負(fù)載的供電情況，將電容濾波的三相不可控整流電路每個脈波分為三段，推導(dǎo)出三相整流電路濾波電容的迭代方法，但對于電容的選擇對整流電路的影響并未涉及；文獻(xiàn)[7]針對電容濾波型三相四線橋式整流電路，分析了電容、中線電感對輸出電壓紋波系數(shù)的影響，但未對其他影響因素進(jìn)行分析，且并未涉及這些因素對網(wǎng)側(cè)電壓的影響。

本文針對電容濾波的三相不可控整流電路電流連續(xù)的情況，考慮低壓系統(tǒng)中線路阻抗較大，不容忽略的特點(diǎn)，對其換相過程和換相結(jié)束后分別進(jìn)行電路等效，分析其工作情況，采用matlab進(jìn)行建模仿真，分別分析了線路電阻、電感、濾波電容、負(fù)載大小對整流器輸出電壓的影響，以及對網(wǎng)側(cè)線電壓畸變率的影響。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

電容濾波的三相不可控整流電路如圖1所示，r為線路等效電阻，L為線路等效電感，C為濾波電容，R為負(fù)載電阻。

設(shè)二極管在線電壓過零點(diǎn)δ角處開始導(dǎo)通，并以二極管VD6和VD1開始同時導(dǎo)通的時刻為時間零點(diǎn)，則交流側(cè)電壓為：

在整流電路輸出波形的每個脈波內(nèi)，根據(jù)電網(wǎng)和電容對負(fù)載的供電情況，可以將其分為三段，分別是電網(wǎng)單獨(dú)供電、電網(wǎng)電容同時供電、電容單獨(dú)供電，最后一階段是換相過程。在電流連續(xù)情況下，當(dāng)電壓從a、b相換到a、c相的過程中，由于濾波電容存在，當(dāng)VD2導(dǎo)通的時候，b相電流還未降為零，開關(guān)管未截止。此時，c相電流逐漸增加，b相電流逐漸減小。當(dāng)b相電流降為零，a、c兩相電流相等，換相過程結(jié)束。

1.1 換相過程中

電壓從a、b相換到a、c相的過程中， VD2導(dǎo)通的時候，b相電流還未降為零，開關(guān)管未截止。此時，c相電流逐漸增加，b相電流逐漸減小，直至降為零，換相結(jié)束。

電路的初始條件為u（0）=u，i（0）=i，i（0）=u/R，i（0）=0。u為電容兩端電壓。

化簡可得

1.2 換相后

電壓從a、b相換到a、c相結(jié)束之后，電路的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

電路的初始條件為u（0）=u（γ），i（0）=i（γ）。uc1為換相后電容兩端電壓。

1.3 換相條件

要求得uc的解析式，需求解三個參數(shù)ui。

通過matlab編程求得輸出電壓u，進(jìn)而可以求出網(wǎng)側(cè)線電壓u，通過傅里葉分解可得網(wǎng)側(cè)電壓畸變率。

其中：

2 仿真分析

針對影響電容濾波的三相不可控整流電路輸出電壓和網(wǎng)側(cè)線電壓的因素：線路阻抗、線路感抗、濾波電容、負(fù)載大小，分別進(jìn)行了仿真分析。

2.1 輸出電壓分析

仿真的參數(shù)如下表所示：

由圖4-7仿真結(jié)果可得：隨著線路電阻、線路電感、負(fù)載電阻的增加，整流器輸出電壓降低，紋波系數(shù)降低，電壓波動變小，反之，則輸出電壓升高紋波系數(shù)增大，電壓波動變大；電容的大小卻對輸出電壓幅值的影響不大，但電容越大，紋波系數(shù)越小，輸出電壓則波動越小。

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2.2 網(wǎng)側(cè)電壓畸變分析

通過仿真得出不同線路長度、電阻、電感、濾波電容、負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)線電壓畸變率。

由圖8-12仿真結(jié)果可得，保持線路阻抗比不變，網(wǎng)側(cè)電壓的畸變率隨著線路長度的增加而變大；保持其余條件不變，網(wǎng)側(cè)電壓畸變率隨著電阻的增加而先減小后變大，隨著電感的增大而變大；而隨著濾波電容的變化，網(wǎng)側(cè)電壓的畸變率呈現(xiàn)波動變化的趨勢；隨著負(fù)載電阻的增大，網(wǎng)側(cè)電壓的畸變率則逐步減小。

3 結(jié)論

在低壓系統(tǒng)中考慮線路阻抗的影響，整流器等非線性負(fù)載工作時，網(wǎng)側(cè)電壓畸變問題比較嚴(yán)重。本文針對網(wǎng)側(cè)電流連續(xù)的情況，分析了線路電阻、電感、濾波電容、負(fù)載大小對整流器輸出電壓和網(wǎng)側(cè)線電壓畸變率的影響。下一步，將準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)條件，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證本文分析的正確性。

[1] 王兆安，劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] George J.Wakileh. 電力系統(tǒng)諧波——基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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[4] 宋鵬超，王金全，夏明，呂強(qiáng)，楊濤. 諧波電流對同步發(fā)電機(jī)輸出電壓的影響分析[J]. 微電機(jī)，2013，46（2）：5-8.

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[7] 孫兆龍，劉德志，陳俊全.電容濾波型三相四線橋式整流電路的電壓分析[J]. 船電技術(shù)，2007, 5: 261-264

Analysis on the Voltage of Capacitor-filtered Three-phase Uncontrolled Rectifier Circuit in Low-voltage System

Han Hangxing,Wang Jinquan, Hu Yachao, Fang Jianhua

(Engineering Institute of National Defense，PLA University of Science&Technology，Nanjing 210007 , China)

TN713

A

1003-4862（2015）01-0069-04

2014-09-11

韓航星（1992-），男，碩士研究生。研究方向：新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)。