低壓系統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

（解放軍理工大學國防工程學院，南京210007）

低壓供電系統中，線路阻抗較大，其對系統的影響也較大，不能忽略。本文考慮網側線路阻抗的影響，對電容濾波的三相不可控整流電路進行拓撲結構等效分析，用matlab仿真分別分析了線路電阻、電感、濾波電容、負載大小對整流器輸出電壓及網側線電壓畸變率的影響。

低壓系統 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用，其對電網產生了日益嚴重的諧波污染[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，對于微電網中的風力發電機組、柴油發電機組、微型燃氣輪機等微型電源，連接整流器等非線性電力電子裝置時，電源的內阻抗和線路阻抗對電路性能的影響較大[4]，不能忽略。

文獻[5]針對電容濾波的三相不可控整流電路電流連續的情況，考慮網側阻抗的影響，推導出輸出電壓解析式，但對輸出整流電壓的分析不夠全面，且未對網側電壓的畸變情況進行分析；文獻[6]根據電網和電容對負載的供電情況，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[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的影響，但未對其他影響因素進行分析，且并未涉及這些因素對網側電壓的影響。

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

1 系統數學模型

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為負載電阻。

設二極管在線電壓過零點δ角處開始導通，并以二極管VD6和VD1開始同時導通的時刻為時間零點，則交流側電壓為：

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

1.1 換相過程中

電壓從a、b相換到a、c相的過程中， VD2導通的時候，b相電流還未降為零，開關管未截止。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相結束之后，電路的等效拓撲結構如圖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ui。

通過matlab編程求得輸出電壓u，進而可以求出網側線電壓u，通過傅里葉分解可得網側電壓畸變率。

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側線電壓的因素：線路阻抗、線路感抗、濾波電容、負載大小，分別進行了仿真分析。

2.1 輸出電壓分析

仿真的參數如下表所示：

由圖4-7仿真結果可得：隨著線路電阻、線路電感、負載電阻的增加，整流器輸出電壓降低，紋波系數降低，電壓波動變小，反之，則輸出電壓升高紋波系數增大，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，紋波系數越小，輸出電壓則波動越小。

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2.2 網側電壓畸變分析

通過仿真得出不同線路長度、電阻、電感、濾波電容、負載下的網側線電壓畸變率。

由圖8-12仿真結果可得，保持線路阻抗比不變，網側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，網側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，網側電壓的畸變率呈現波動變化的趨勢；隨著負載電阻的增大，網側電壓的畸變率則逐步減小。

3 結論

在低壓系統中考慮線路阻抗的影響，整流器等非線性負載工作時，網側電壓畸變問題比較嚴重。本文針對網側電流連續的情況，分析了線路電阻、電感、濾波電容、負載大小對整流器輸出電壓和網側線電壓畸變率的影響。下一步，將準備實驗條件，通過實驗結果來驗證本文分析的正確性。

[1] 王兆安，劉進軍. 電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2] George J.Wakileh. 電力系統諧波——基本原理、分析方法和濾波器設計[M]. 北京：機械工業出版社，2007.

[3] Laaksonen H，Saari P，Komulainen R．Voltage and frequency control of inverterbased weak LV network microgrid[C]//International Conference on Future Power Systems．Amsterdam，Holland：IEEE，2005：1-6．

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

[5] 王一農，杜世俊，劉小寧. 電容濾波型三相橋式整流電路的電壓分析[J]. 合肥工業大學學報，2005, 28（5）：554-557.

[6] 周霞，王斯然，凌光，呂征宇.三相橋式整流電路濾波電容的迭代計算[J]. 電力電子技術，2011, 45（2）:63-65.

[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，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：新能源發電與智能微網。