兩象限變頻器直流電容紋波電流分析與抑制研究

趙逸眾

（廣州發(fā)展新能源有限公司 廣東 廣州 510623）

兩象限變頻器直流電容紋波電流分析與抑制研究

趙逸眾

（廣州發(fā)展新能源有限公司 廣東 廣州 510623）

兩象限變頻器直流環(huán)節(jié)設計的好壞決定著變頻器整機性能優(yōu)劣以及可靠性高低，而直流環(huán)節(jié)的設計又是以直流電容的選型設計為主。為了穩(wěn)定中間環(huán)節(jié)直流電壓，使其波動在所要求的設計范圍之內，在進行直流電容選型時，設計者通常會選用容量大的電解電容。但電解電容額定紋波電流小，為保證電容的使用壽命，采取一定措施抑制電容紋波電流顯得十分必要。本文通過對兩象限變頻器直流電容紋波電流進行分析，提出了添加直流電感抑制電容紋波電流的方法，并分別給出了計算電容紋波電流的數(shù)學解析式，最后通過MATLAB仿真驗證了理論分析的正確性。

直流電容；直流電抗；變頻器；紋波電流

上世紀80年代變頻器進入中國，經過近30年的發(fā)展，變頻器已經廣泛應用于我國各行各業(yè)。常規(guī)變頻器中，包含一個給逆變單元提供直流電壓的中間環(huán)節(jié)。在此中間環(huán)節(jié)的設計中，需要用到直流電容進行濾波以及穩(wěn)定直流電壓。直流電容選型設計的優(yōu)劣直接影響到變頻器整機的性能以及運行的可靠性。

電容紋波電流是指流經電容器的交流電流，其在電壓上表現(xiàn)為脈動電壓。由于電容ESR的存在，電流流經電容時對應產生一定的損耗，并以熱量的形式散發(fā)出來，從而電容芯溫升高。而電容使用時芯溫的高低直接影響電容的使用壽命，電容芯文越高使用壽命越短。為了確保電容有足夠長的使用壽命，我們往往希望電容工作時的紋波電流盡可能小。

1 兩象限變頻器常規(guī)拓撲介紹

兩象限變頻器常規(guī)拓撲中包括三相不控整流單元、直流電容、逆變單元。三相不控整流單元將三相交流電源整流為直流電源；直流電容安裝在整流單元與逆變單元之間的中間環(huán)節(jié)，起到儲能、穩(wěn)壓的作用，電容容量越大，對應存儲的能量越多，母線電壓波動越?。荒孀儐卧獙⒄鞯玫降闹绷麟娫茨孀?yōu)樗O定幅值、頻率的三相交流電源，從而實現(xiàn)三相交流電源的變壓變頻。兩象限變頻器常規(guī)拓撲如圖1所示。

圖1 兩象限變頻器常規(guī)拓撲圖Fig.1 Conventional topology of two quadrant convertor

在進行變頻器設計時，為了得到比較穩(wěn)定的直流電壓，給逆變單元提供一個較好的直流輸入環(huán)境，往往會在中間環(huán)節(jié)添加容量足夠大的直流電容。設計者通常會選擇電解電容作為變頻器的直流電容，因為電解電容容量可以做到很大。但電解電容存在另外一個問題，其額定紋波電流較小，進行設計時往往電容容量滿足了設計要求，但電容紋波電流遠超過了額定值，導致電容使用壽命大大縮短。鑒于此，進行變頻器直流電容紋波電流的抑制研究就顯得十分必要。

2 直流電容紋波電流分析

直流電容作為變頻器中間直流環(huán)節(jié)的濾波和儲能單元，其上的紋波電流分別來自整流單元和PWM逆變單元的交流分量[1-2]。如下分別對整流單元和PWM逆變單元產生的紋波電流進行解析計算。

2.1 整流脈動產生的電容紋波電流計算

變頻器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時，認為其輸出功率恒定，將直流電容的一個充放電周期可以分為電網單獨給負載供電、電網和電容共同給負載供電、電容單獨給負載供電這3個階段，第一個階段電容處于充電狀態(tài)，第二、第三個階段電容處于放電狀態(tài)[3]。一個周期中，直流電容總的充電電量與放電電量相等，直流母線電壓的最大波動為電容充電所能達到的最高電壓和放電完成后所降至的最低電壓之差。變頻器穩(wěn)定運行時，其輸入電壓與母線電壓波形如圖2所示。

圖2 三相輸入電壓及母線電壓波形Fig.2 The waveform of three-phase input voltage and bus voltage

t0到t1時間段：電網單獨給負載供電，此時電容電壓隨著電網電壓升高而升高，電網同時給電容充電；

t1到t2時間段：電網和直流母線電容共同給負載供電，此時電容電壓隨著電網電壓的降低而降低，電容處于放電階段；

t2到t3時間段：直流母線電容單獨給負載供電，此時電容電壓和電網電壓均在減小，電容處于放電階段，但是電容電壓高于電網電壓，不控橋上面的二極管反向截止，電網不給負載供電。

中間直流環(huán)節(jié)電壓波動設計為5%，以690 V/1 MW變頻器為例可以列寫出一個周期內電壓的表達式：

設電容正極電流流出為正，則

式中，p為變頻器額定功率，C變頻器母線電容容量。

2.2 PWM逆變產生的電容紋波電流計算

文獻[1]中給出由PWM逆變產生的直流電容紋波電流計算式如下：

式中：Ic,rms2為PWM逆變所產生的直流電容紋波電流的有效值，Io,rms為輸出電流有效值，M為調制比，cosΦ為逆變輸出功率因數(shù)。

2.3 電容總紋波電流有效值計算

分別求出整流脈動產生的紋波電流和PWM逆變產生的紋波電流后，直流電容的總紋波電流有效值計算如下：

以690 V/1 MW變頻器為例進行計算，其母線電容容量為47 600 μF，求得直流電容總紋波電流有效值：

3 直流電抗對電容紋波電流的抑制分析與計算

在變頻器的中間環(huán)節(jié)加入直流電抗能夠有效抑制控整流脈動所產生的直流電容紋波電流，從而減小總電容紋波電流。加入直流電抗后的拓撲圖如圖3所示。

圖3 包含直流電抗器的變頻器拓撲圖Fig.3 The inverter topology of including dc reactor

由于直流電抗器的續(xù)流作用，整流二極管導通角擴大至120度[4]。串入電抗后不控整流單元直流輸出電壓波形如圖4所示。此時不控整流得到的電壓波形為標準的6脈波。

圖4 整流單元輸出電壓波形Fig.4 The voltage waveform of rectifier unit output

標準6脈波的解析式為：

式中，Um為6脈波的峰值。

對上式進行傅里葉分解，有

由6脈波解析式的傅里葉展開式知，其中的交流成分主要是6的整數(shù)次諧波，而且以6次諧波含量最高。在單獨分析整流脈動對電容紋波電流的影響時，可將直流環(huán)節(jié)電容后端負載等效為純阻性負載[5]。

以690 V/1 MW變頻器為例核算整流脈動產生的電容紋波電流，母線電容容量為47 600 μF，整流輸入電網線電壓為690Vac，電網頻率50 Hz，等效電阻R阻值為0.87 Ω，直流電抗的感值設計為60 μH。根據(jù)疊加定理，可先求得6脈波中的各次諧波在直流電容上產生的紋波電流，然后計算總紋波電流[6]。

6次諧波單獨作用，直流電抗對應的阻抗大小為0.113 Ω，直流電容對應的阻抗大小為0.011 1 Ω，直流電容紋波電流有效值約為333.2 A。

12次諧波單獨作用，直流電抗對應的阻抗大小為0.226 Ω，直流電容對應的阻抗大小為0.005 55 Ω，直流電容紋波電流有效值約為40.8 A。

18次諧波單獨作用，直流電抗對應的阻抗大小為0.339 Ω，直流電容對應的阻抗大小為0.003 7 Ω，直流電容紋波電流有效值約為12.0 A。

24次諧波單獨作用，直流電抗對應的阻抗大小為0.452 Ω，直流電容對應的阻抗大小為0.002 78 Ω，直流電容紋波電流有效值約為5.1 A。

對于24次以上的諧波，其在電容上產生的紋波電流已經很小，計算時將其忽略。整流脈動產生的總紋波電流計算如下：

直流電抗的加入只對整流脈動部分產生的紋波電流具有抑制作用，此時PWM逆變產生電容紋波電流與中間環(huán)節(jié)未串入直流電抗時基本一致，于是可求得電容總紋波電流如下：

4 仿真驗證

建立變頻器Matlab仿真模型如圖5、圖6所示。整流輸入電網線電壓設定為690 V，直流電容容值設定為47 600 μF，直流電抗感值設定為60 μH，負載功率為1 MW，采用RL串聯(lián)等效，負載功率因數(shù)為0.84，逆變輸出采用V/F控制模式，逆變發(fā)波方式采用7段SVPWM[7]。

圖5 變頻器主電路仿真模型Fig.5 Convertor main circuit simulation model

圖6 串入直流電抗的變頻器主電路仿真模型Fig.6 Convertor main circuit simulation model which including dc reactor

中間環(huán)節(jié)未串入直流電抗時，電容紋波電流仿真波形如圖7所示，仿真得到的紋波電流有效值為1 763 A，其理論計算值為1 762 A；中間環(huán)節(jié)串入直流電抗后，電容紋波電流仿真波形如圖8所示，仿真得到的紋波電流有效值為601.4 A，其理論計算值為609 A。仿真結果和理論計算值基本一致。加入直流電抗后母線電容紋波電流減小65.9%。

5 結論

文中對兩象限變頻器直流電容的紋波電流進行了詳盡分析，提出了抑制直流電容紋波電流的方法，并分別給出了計算紋波電流的數(shù)學解析式，最后通過Matlab仿真驗證了理論分析、計算的正確性。直流電容紋波電流的解析算法以及在變頻器中間環(huán)節(jié)串入直流電抗抑制電容紋波電流的方法在相關產品研發(fā)設計時已進行應用，取得了很好的效果。

圖7 電容紋波電流仿真波形Fig.7 The simulation waveform of capacitor ripple current

圖8 串入直流電抗后電容紋波電流仿真模型Fig.8 The simulation waveform of capacitor ripple current which including dc reactor

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Analysis and inhibition studies of the ripp le current on the DC capacitor of two quadrant converter

ZHAO Yi-zhong
（Guangzhou Development New Energy Co.，Ltd.,Guangzhou 510623，China）

The DC-link design of two quadrant inverter determines the inverter performance and reliability,and the Dc-link design is mainly for dc capacitance type selection.When making DC capacity selection,designers often use large capacity electrolytic capacitor to stabilize the voltage of DC-link,keep the voltage fluctuation in the design scope.Electrolytic capacitor rated ripple current is small,so we must take measures to restrain ripple current for keeping the capacitance have longer service life.In this paper,the dc capacitance ripple current of two quadrant inverter is analyzed,the method of adding the dc inductance to inhibit capacitor ripple current is put forward,The analytic expression of capacitance ripple current is given. Finally the correctness of the theoretical analysis is verified by MATLAB simulation.

DC capacitor;DC inductance;converter;ripple current

TN35

A

1674－6236（2015）07-0134-04

2014-11-12 稿件編號：201411082

趙逸眾(1981—)，男，山西平遙人，碩士，工程師。研究方向：電力電子設備于智能電網的應用。