两象限变频器直流电容纹波电流分析与抑制研究

赵逸众

（广州发展新能源有限公司 广东 广州 510623）

两象限变频器直流电容纹波电流分析与抑制研究

赵逸众

（广州发展新能源有限公司 广东 广州 510623）

两象限变频器直流环节设计的好坏决定着变频器整机性能优劣以及可靠性高低，而直流环节的设计又是以直流电容的选型设计为主。为了稳定中间环节直流电压，使其波动在所要求的设计范围之内，在进行直流电容选型时，设计者通常会选用容量大的电解电容。但电解电容额定纹波电流小，为保证电容的使用寿命，采取一定措施抑制电容纹波电流显得十分必要。本文通过对两象限变频器直流电容纹波电流进行分析，提出了添加直流电感抑制电容纹波电流的方法，并分别给出了计算电容纹波电流的数学解析式，最后通过MATLAB仿真验证了理论分析的正确性。

直流电容；直流电抗；变频器；纹波电流

上世纪80年代变频器进入中国，经过近30年的发展，变频器已经广泛应用于我国各行各业。常规变频器中，包含一个给逆变单元提供直流电压的中间环节。在此中间环节的设计中，需要用到直流电容进行滤波以及稳定直流电压。直流电容选型设计的优劣直接影响到变频器整机的性能以及运行的可靠性。

电容纹波电流是指流经电容器的交流电流，其在电压上表现为脉动电压。由于电容ESR的存在，电流流经电容时对应产生一定的损耗，并以热量的形式散发出来，从而电容芯温升高。而电容使用时芯温的高低直接影响电容的使用寿命，电容芯文越高使用寿命越短。为了确保电容有足够长的使用寿命，我们往往希望电容工作时的纹波电流尽可能小。

1 两象限变频器常规拓扑介绍

两象限变频器常规拓扑中包括三相不控整流单元、直流电容、逆变单元。三相不控整流单元将三相交流电源整流为直流电源；直流电容安装在整流单元与逆变单元之间的中间环节，起到储能、稳压的作用，电容容量越大，对应存储的能量越多，母线电压波动越小；逆变单元将整流得到的直流电源逆变为所设定幅值、频率的三相交流电源，从而实现三相交流电源的变压变频。两象限变频器常规拓扑如图1所示。

图1 两象限变频器常规拓扑图Fig.1 Conventional topology of two quadrant convertor

在进行变频器设计时，为了得到比较稳定的直流电压，给逆变单元提供一个较好的直流输入环境，往往会在中间环节添加容量足够大的直流电容。设计者通常会选择电解电容作为变频器的直流电容，因为电解电容容量可以做到很大。但电解电容存在另外一个问题，其额定纹波电流较小，进行设计时往往电容容量满足了设计要求，但电容纹波电流远超过了额定值，导致电容使用寿命大大缩短。鉴于此，进行变频器直流电容纹波电流的抑制研究就显得十分必要。

2 直流电容纹波电流分析

直流电容作为变频器中间直流环节的滤波和储能单元，其上的纹波电流分别来自整流单元和PWM逆变单元的交流分量[1-2]。如下分别对整流单元和PWM逆变单元产生的纹波电流进行解析计算。

2.1 整流脉动产生的电容纹波电流计算

变频器工作在稳定状态时，认为其输出功率恒定，将直流电容的一个充放电周期可以分为电网单独给负载供电、电网和电容共同给负载供电、电容单独给负载供电这3个阶段，第一个阶段电容处于充电状态，第二、第三个阶段电容处于放电状态[3]。一个周期中，直流电容总的充电电量与放电电量相等，直流母线电压的最大波动为电容充电所能达到的最高电压和放电完成后所降至的最低电压之差。变频器稳定运行时，其输入电压与母线电压波形如图2所示。

图2 三相输入电压及母线电压波形Fig.2 The waveform of three-phase input voltage and bus voltage

t0到t1时间段：电网单独给负载供电，此时电容电压随着电网电压升高而升高，电网同时给电容充电；

t1到t2时间段：电网和直流母线电容共同给负载供电，此时电容电压随着电网电压的降低而降低，电容处于放电阶段；

t2到t3时间段：直流母线电容单独给负载供电，此时电容电压和电网电压均在减小，电容处于放电阶段，但是电容电压高于电网电压，不控桥上面的二极管反向截止，电网不给负载供电。

中间直流环节电压波动设计为5%，以690 V/1 MW变频器为例可以列写出一个周期内电压的表达式：

设电容正极电流流出为正，则

式中，p为变频器额定功率，C变频器母线电容容量。

2.2 PWM逆变产生的电容纹波电流计算

文献[1]中给出由PWM逆变产生的直流电容纹波电流计算式如下：

式中：Ic,rms2为PWM逆变所产生的直流电容纹波电流的有效值，Io,rms为输出电流有效值，M为调制比，cosΦ为逆变输出功率因数。

2.3 电容总纹波电流有效值计算

分别求出整流脉动产生的纹波电流和PWM逆变产生的纹波电流后，直流电容的总纹波电流有效值计算如下：

以690 V/1 MW变频器为例进行计算，其母线电容容量为47 600 μF，求得直流电容总纹波电流有效值：

3 直流电抗对电容纹波电流的抑制分析与计算

在变频器的中间环节加入直流电抗能够有效抑制控整流脉动所产生的直流电容纹波电流，从而减小总电容纹波电流。加入直流电抗后的拓扑图如图3所示。

图3 包含直流电抗器的变频器拓扑图Fig.3 The inverter topology of including dc reactor

由于直流电抗器的续流作用，整流二极管导通角扩大至120度[4]。串入电抗后不控整流单元直流输出电压波形如图4所示。此时不控整流得到的电压波形为标准的6脉波。

图4 整流单元输出电压波形Fig.4 The voltage waveform of rectifier unit output

标准6脉波的解析式为：

式中，Um为6脉波的峰值。

对上式进行傅里叶分解，有

由6脉波解析式的傅里叶展开式知，其中的交流成分主要是6的整数次谐波，而且以6次谐波含量最高。在单独分析整流脉动对电容纹波电流的影响时，可将直流环节电容后端负载等效为纯阻性负载[5]。

以690 V/1 MW变频器为例核算整流脉动产生的电容纹波电流，母线电容容量为47 600 μF，整流输入电网线电压为690Vac，电网频率50 Hz，等效电阻R阻值为0.87 Ω，直流电抗的感值设计为60 μH。根据叠加定理，可先求得6脉波中的各次谐波在直流电容上产生的纹波电流，然后计算总纹波电流[6]。

6次谐波单独作用，直流电抗对应的阻抗大小为0.113 Ω，直流电容对应的阻抗大小为0.011 1 Ω，直流电容纹波电流有效值约为333.2 A。

12次谐波单独作用，直流电抗对应的阻抗大小为0.226 Ω，直流电容对应的阻抗大小为0.005 55 Ω，直流电容纹波电流有效值约为40.8 A。

18次谐波单独作用，直流电抗对应的阻抗大小为0.339 Ω，直流电容对应的阻抗大小为0.003 7 Ω，直流电容纹波电流有效值约为12.0 A。

24次谐波单独作用，直流电抗对应的阻抗大小为0.452 Ω，直流电容对应的阻抗大小为0.002 78 Ω，直流电容纹波电流有效值约为5.1 A。

对于24次以上的谐波，其在电容上产生的纹波电流已经很小，计算时将其忽略。整流脉动产生的总纹波电流计算如下：

直流电抗的加入只对整流脉动部分产生的纹波电流具有抑制作用，此时PWM逆变产生电容纹波电流与中间环节未串入直流电抗时基本一致，于是可求得电容总纹波电流如下：

4 仿真验证

建立变频器Matlab仿真模型如图5、图6所示。整流输入电网线电压设定为690 V，直流电容容值设定为47 600 μF，直流电抗感值设定为60 μH，负载功率为1 MW，采用RL串联等效，负载功率因数为0.84，逆变输出采用V/F控制模式，逆变发波方式采用7段SVPWM[7]。

图5 变频器主电路仿真模型Fig.5 Convertor main circuit simulation model

图6 串入直流电抗的变频器主电路仿真模型Fig.6 Convertor main circuit simulation model which including dc reactor

中间环节未串入直流电抗时，电容纹波电流仿真波形如图7所示，仿真得到的纹波电流有效值为1 763 A，其理论计算值为1 762 A；中间环节串入直流电抗后，电容纹波电流仿真波形如图8所示，仿真得到的纹波电流有效值为601.4 A，其理论计算值为609 A。仿真结果和理论计算值基本一致。加入直流电抗后母线电容纹波电流减小65.9%。

5 结论

文中对两象限变频器直流电容的纹波电流进行了详尽分析，提出了抑制直流电容纹波电流的方法，并分别给出了计算纹波电流的数学解析式，最后通过Matlab仿真验证了理论分析、计算的正确性。直流电容纹波电流的解析算法以及在变频器中间环节串入直流电抗抑制电容纹波电流的方法在相关产品研发设计时已进行应用，取得了很好的效果。

图7 电容纹波电流仿真波形Fig.7 The simulation waveform of capacitor ripple current

图8 串入直流电抗后电容纹波电流仿真模型Fig.8 The simulation waveform of capacitor ripple current which including dc reactor

[1]Kolar J W,Round S D.Analytical calculation of the RMS current stress on the DC-link capacitor of voltage-PWM converter systems[J].IEE Proc.-Electr.Power Appl.,2006,153 (4):535-543.

[2]Frederick D.Kieferndorf,Matthias Foster and Thomas A. Lipo,Reduction of DC bus capacitor ripple current with PAM/PWM converter[J],IEEE Trans.on IA,2004,40(2):607-614.

[3]周霞,王斯然,凌光,等.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. ZHOU Xia,WANG Si-ran,LIN Guang,et al.Iterative computation of three phase bridge rectifier filter capacitor[J].Power Electronic Technology,2011,45(2):63-65.

[4]陈坚.电力电子学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统(第二版)[M].北京:机械工业出版社,1997.

[6]林渭勋.现代电力电子电路 [M].杭州:浙江大学出版社, 2006.

[7]孙凌杰,徐珠勇.基于MATLAB的SVPWM波形仿真实现[J].电机技术,2013(3):75-77. SUN Ling-jie,XU Zhu-yong.The realization of SVPWM waveform simulation based on MATLAB[J].Motor technology, 2013(3):75-77.

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 稿件编号：201411082

赵逸众(1981—)，男，山西平遥人，硕士，工程师。研究方向：电力电子设备于智能电网的应用。