三相全控整流感性負(fù)載諧波與功率因數(shù)的仿真

趙 琪，方祖華

(上海師范大學(xué)信息與機(jī)電學(xué)院，上海 200234)

電力電子裝置中的整流電路是電力系統(tǒng)中的主要諧波源，消耗大量的無功功率。因此，對(duì)其功率因數(shù)及所產(chǎn)生諧波的分析是諧波和無功功率研究的一個(gè)重要方面。這對(duì)評(píng)估電力電子裝置對(duì)電網(wǎng)的危害和影響，判斷電網(wǎng)是否需要設(shè)置補(bǔ)償裝置，以及如何設(shè)置補(bǔ)償裝置十分重要。阻感負(fù)載整流電路作為電力電子裝置的輸入端電路之一，是應(yīng)用數(shù)量最多的電力電子裝置，所以對(duì)其交流電網(wǎng)側(cè)的電流諧波分析和功率因數(shù)計(jì)算已成為電力電子裝置諧波分析的主要工作［1］。

1 三相橋式全控整流電路

三相橋式全控整流電路［1］，是為了在合閘時(shí)可控橋有輸出電流或有間斷電流時(shí)能繼續(xù)工作，保證每一相有兩個(gè)晶閘管能同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)脈沖寬度應(yīng)＞60°，或者采用間隔為60°的雙脈沖觸發(fā)也可以達(dá)到目的。晶閘管觸發(fā)次序依次為VT1→VT2→VT3→VT4→ VT5→VT6，相位依次差60°。共陰極VT2，VT4，VT6和共陽極VT1，VT3，VT5，它們組成了電源系統(tǒng)對(duì)負(fù)載供電的6條整流回路，各整流回路的交流電源電壓為兩元件所在相間的線電壓。

圖1 三相橋式全控整流電路原理圖

2 三相全控整流電路的建模與仿真

在Simulink環(huán)境下，運(yùn)用Power System的各種元件模型建立了三相橋式全控整流電路的仿真模型［2－3］。參數(shù)設(shè)置為:三相交流電壓源的相電壓幅值為V，頻率50 Hz，初相位分別為0°，－120°，120°。電阻為1 Ω，電感值取0.02 H。同步6脈沖觸發(fā)器采用雙脈沖觸發(fā)，頻率50 Hz，觸發(fā)寬度10°。觸發(fā)角可以設(shè)置為0°，30°，60°和90°。具體仿真模型如圖2 所示［2］。

圖2 三相全控整流電路仿真模型

開始仿真的時(shí)間是0 s，結(jié)束時(shí)間為0.1 s。數(shù)值運(yùn)算采用ode23tb，將誤差設(shè)置為1e－3。各模塊的參數(shù)設(shè)置好后開始仿真［3－6］。

圖3 a相電流以及負(fù)載電壓和電流的仿真波形

圖4 6個(gè)晶閘管電壓的仿真波形

3 理論分析

三相橋式整流電路在電感性負(fù)載忽略換相和電流脈動(dòng)時(shí)的交流側(cè)電壓和電流，其電流為正負(fù)半周各120°的方波，三相電流波形相同，且依次相差120°，其有效值與直流電流的關(guān)系同樣可將電流波形分解為傅里葉級(jí)數(shù)。以a相電流為例，將電流負(fù)，正兩半波之間的中點(diǎn)作為橫坐標(biāo)軸的原點(diǎn)，有

由式(1)可得，電流基波和各次諧波有效值分別為

由此可知，交流側(cè)電流中僅含有6k±1(k為正整數(shù))次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成正比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。

功率因數(shù)用于衡量輸入有功功率與視在功率的比值，其中P，S都不是基波分量，而是所有電壓電流的直流分量和各次諧波分量所做的功。

當(dāng)輸入電壓波形不失真時(shí)，式(3)可以簡化成式(4)

4 仿真分析

交流側(cè)諧波電流的檢測可以通過Powergui模塊實(shí)現(xiàn)。打開FFT Analysis工具選項(xiàng)，輸入選擇的變量三相電源 a相電流;開始時(shí)間設(shè)置為0.04 s，頻率50 Hz，顯示設(shè)置為 Bar(relative to fundamental)，得到FFT窗口如圖5所示。由圖可知，三相全控整流電路交流側(cè)電流諧波含有次數(shù)為6k±1(k為正整數(shù))。其中，基波電流的幅值534.2 A，總諧波畸變率為31%。再將顯示設(shè)置為List(relative to fundamental)，就可以觀察到具體各次諧波分量含有率。

圖5 FFT分析窗口

根據(jù)文獻(xiàn)［4］建立功率因數(shù)測量模塊。THD模塊測量a相電流諧波總畸變率。兩個(gè)Fourier模塊分別測量出a相電壓和基波電流的相位。Gain模塊參數(shù)設(shè)置為pi/π目的在于將角度轉(zhuǎn)變?yōu)榛《取ＤK中的頻率都設(shè)置為50 Hz。其他參數(shù)設(shè)置與上述相同。當(dāng)逐次改變觸發(fā)角 α的角度時(shí)，即分別為30°，60°，90°時(shí)觀察其功率因數(shù)的仿真結(jié)果。

圖6 功率因數(shù)波形

從圖6可知，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后功率因數(shù)仿真值和理論值二者的差距很小，可以忽略。

表1 功率因數(shù)仿真值和理論計(jì)算值的比較

5 結(jié)束語

本文采用Matlab/Simulink對(duì)三相全控整流電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性?？梢钥闯觯梅抡婵梢允箯?fù)雜的計(jì)算過程和參數(shù)調(diào)試變得簡單直觀。利用所建模型對(duì)三相全控整流阻感負(fù)載的諧波和功率因數(shù)進(jìn)行仿真分析，為下一步的諧波抑制和無功功率補(bǔ)償?shù)难芯刻峁┗A(chǔ)。

［1］ 張石安，張煒.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］ 臧小惠.基于Simulink的三相橋式全控整流電路的建模與仿真［J］.內(nèi)江科技，2007，28(2):120－121.

［3］ 謝仕宏.Matlab R2008控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)例教程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］ 陳彬，張政權(quán)，向欣，等.基于Matlab的高頻開關(guān)電源功率因數(shù)測量電路研究［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2009，12(3):16－19.

［5］ 黃江波.基于Matlab的三相橋式全控整流電路的仿真研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(8):210－212.

［6］ 李云超，高沁翔.三相橋式全控整流實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與研制［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(19):110－112.