低压系统中电容滤波的三相不可控整流电路电压分析

韩航星，王金全，胡亚超，方建华



低压系统中电容滤波的三相不可控整流电路电压分析

韩航星，王金全，胡亚超，方建华

（解放军理工大学国防工程学院，南京210007）

低压供电系统中，线路阻抗较大，其对系统的影响也较大，不能忽略。本文考虑网侧线路阻抗的影响，对电容滤波的三相不可控整流电路进行拓扑结构等效分析，用matlab仿真分别分析了线路电阻、电感、滤波电容、负载大小对整流器输出电压及网侧线电压畸变率的影响。

低压系统 电容滤波 整流电路 电压分析

0 引言

随着大量非线性电力电子装置广泛应用，其对电网产生了日益严重的谐波污染[1，2]。目前对于整流器谐波分析多建立在以下前提下：1)将电源视作理想电源；2)忽略线路阻抗的影响。在电压等级较低的电路中，线路的电阻值和阻抗比相对较高[3]，所以，对于微电网中的风力发电机组、柴油发电机组、微型燃气轮机等微型电源，连接整流器等非线性电力电子装置时，电源的内阻抗和线路阻抗对电路性能的影响较大[4]，不能忽略。

文献[5]针对电容滤波的三相不可控整流电路电流连续的情况，考虑网侧阻抗的影响，推导出输出电压解析式，但对输出整流电压的分析不够全面，且未对网侧电压的畸变情况进行分析；文献[6]根据电网和电容对负载的供电情况，将电容滤波的三相不可控整流电路每个脉波分为三段，推导出三相整流电路滤波电容的迭代方法，但对于电容的选择对整流电路的影响并未涉及；文献[7]针对电容滤波型三相四线桥式整流电路，分析了电容、中线电感对输出电压纹波系数的影响，但未对其他影响因素进行分析，且并未涉及这些因素对网侧电压的影响。

本文针对电容滤波的三相不可控整流电路电流连续的情况，考虑低压系统中线路阻抗较大，不容忽略的特点，对其换相过程和换相结束后分别进行电路等效，分析其工作情况，采用matlab进行建模仿真，分别分析了线路电阻、电感、滤波电容、负载大小对整流器输出电压的影响，以及对网侧线电压畸变率的影响。

1 系统数学模型

电容滤波的三相不可控整流电路如图1所示，r为线路等效电阻，L为线路等效电感，C为滤波电容，R为负载电阻。

设二极管在线电压过零点δ角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则交流侧电压为：

在整流电路输出波形的每个脉波内，根据电网和电容对负载的供电情况，可以将其分为三段，分别是电网单独供电、电网电容同时供电、电容单独供电，最后一阶段是换相过程。在电流连续情况下，当电压从a、b相换到a、c相的过程中，由于滤波电容存在，当VD2导通的时候，b相电流还未降为零，开关管未截止。此时，c相电流逐渐增加，b相电流逐渐减小。当b相电流降为零，a、c两相电流相等，换相过程结束。

1.1 换相过程中

电压从a、b相换到a、c相的过程中， VD2导通的时候，b相电流还未降为零，开关管未截止。此时，c相电流逐渐增加，b相电流逐渐减小，直至降为零，换相结束。

电路的初始条件为u（0）=u，i（0）=i，i（0）=u/R，i（0）=0。u为电容两端电压。

化简可得

1.2 换相后

电压从a、b相换到a、c相结束之后，电路的等效拓扑结构如图2所示。

电路的初始条件为u（0）=u（γ），i（0）=i（γ）。uc1为换相后电容两端电压。

1.3 换相条件

要求得uc的解析式，需求解三个参数ui。

通过matlab编程求得输出电压u，进而可以求出网侧线电压u，通过傅里叶分解可得网侧电压畸变率。

其中：

2 仿真分析

针对影响电容滤波的三相不可控整流电路输出电压和网侧线电压的因素：线路阻抗、线路感抗、滤波电容、负载大小，分别进行了仿真分析。

2.1 输出电压分析

仿真的参数如下表所示：

由图4-7仿真结果可得：随着线路电阻、线路电感、负载电阻的增加，整流器输出电压降低，纹波系数降低，电压波动变小，反之，则输出电压升高纹波系数增大，电压波动变大；电容的大小却对输出电压幅值的影响不大，但电容越大，纹波系数越小，输出电压则波动越小。

经历一场虚有的生死磨难，妻子变得对俗世生活格外地依恋起来。有那么一段时间，妻子吃不再心疼钱，穿不再心疼钱，戴不再心疼钱。钱是什么呀？真像人们说的那样，是生不带来、死不带去的身外之物。身外之物，对活着的人有用。人一死，还有什么用呢？就什么用都没有了。或许，这就是金钱的虚妄之处。或许，这也是生命的尊贵之处。

2.2 网侧电压畸变分析

通过仿真得出不同线路长度、电阻、电感、滤波电容、负载下的网侧线电压畸变率。

由图8-12仿真结果可得，保持线路阻抗比不变，网侧电压的畸变率随着线路长度的增加而变大；保持其余条件不变，网侧电压畸变率随着电阻的增加而先减小后变大，随着电感的增大而变大；而随着滤波电容的变化，网侧电压的畸变率呈现波动变化的趋势；随着负载电阻的增大，网侧电压的畸变率则逐步减小。

3 结论

在低压系统中考虑线路阻抗的影响，整流器等非线性负载工作时，网侧电压畸变问题比较严重。本文针对网侧电流连续的情况，分析了线路电阻、电感、滤波电容、负载大小对整流器输出电压和网侧线电压畸变率的影响。下一步，将准备实验条件，通过实验结果来验证本文分析的正确性。

[1] 王兆安，刘进军. 电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] George J.Wakileh. 电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计[M]. 北京：机械工业出版社，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] 宋鹏超，王金全，夏明，吕强，杨涛. 谐波电流对同步发电机输出电压的影响分析[J]. 微电机，2013，46（2）：5-8.

[5] 王一农，杜世俊，刘小宁. 电容滤波型三相桥式整流电路的电压分析[J]. 合肥工业大学学报，2005, 28（5）：554-557.

[6] 周霞，王斯然，凌光，吕征宇.三相桥式整流电路滤波电容的迭代计算[J]. 电力电子技术，2011, 45（2）:63-65.

[7] 孙兆龙，刘德志，陈俊全.电容滤波型三相四线桥式整流电路的电压分析[J]. 船电技术，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

韩航星（1992-），男，硕士研究生。研究方向：新能源发电与智能微网。