负荷率对整流参数的影响分析

李小龙，李世芳，张振兵，方美玲

（宁夏大学物理电气信息学院，银川 750021）

负荷率对整流参数的影响分析

李小龙，李世芳，张振兵，方美玲

（宁夏大学物理电气信息学院，银川 750021）

目前我国高耗能行业大功率整流设备多采用六脉波整流技术，而六脉波整流技术在负荷率低的情况下功率因数低，产生电流谐波较大。对六脉波整流器和脉冲宽度调制（SVPWM）整流器在不同负荷率下的功率因数进行理论计算及谐波分析，并利用Matlab对其进行仿真，结合生产企业实际测量数据，证明了低负荷率下SVPWM整流器比六脉波整流器的功率因数高，对配电网产生的谐波污染小。

六脉波整流；脉冲宽度调制整流；负荷率；谐波畸变率；功率因数

0 引言

在电力系统中，功率因数与谐波是很重要的技术参数。功率因数反映了电气设备效率的高低，谐波对电气设备及电网都会有很大的危害。谐波产生的根本原因是非线性负荷，当电流流经负荷时，与所加的电压不是线性关系，就会形成非正弦电流，即电路中有谐波产生［1］。

目前，我国大多数直流电源柜中的整流器还是传统的三相桥式全控整流器，在电力电子广泛应用的现阶段，这种整流器产生的谐波所占比例是最大的。由于六脉波整流电路中晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。这种整流器在额定负荷下的功率因数及谐波电流较好，但实际工业生产中很难实现全部整流器的高负荷运行，很多是在半额定负荷情况下运行，有的甚至更低，使总体功率因数较低，电能利用率不高。因此，在工业环境下大量使用以晶闸管为控制器件的六脉波整流器对工业效率是非常不利的。

在六脉波整流器的弊端日益突出的情况下，提出了脉冲宽度调制（SVPWM）技术。SVPWM技术最先应用于逆变器中，之后随着技术的进步逐步应用于整流器的控制中。与传统相控整流器相比，SVPWM整流器具有输入电流畸变率小、直流输出电压稳定、电流跟随性好等特点。从文献［2-5］可以看出，SVPWM整流技术的优良性能也使学者们对其功率因数控制、谐波治理以及控制策略的研究有多成果。从文献［4］可以看出，在满负荷的情况下，不同类型的整流技术依旧可以达到良好的谐波抑制效果。这些研究的前提大都是负荷不变，很少对不同负荷率下整流器的效率进行分析研究。因此，对实际生产中不同负荷率下整流器效率的研究很有实际意义。

虽然SVPWM整流器在我国工业中存在很大的升级空间，但由于没有结合企业本身生产实际进行技术推广且设备更新不及时，造成电网畸变率高以及企业自身的电能利用率不高，本文从理论分析与Matlab仿真两个方面来说明SVPWM整流器在实际运行情况下的优越性，证明其实际使用价值。

1 整流器拓扑结构

1.1 六脉波整流电路拓扑结构

六脉波整流电路拓扑结构如图1所示：主电路由6个晶闸管组成，按晶闸管序号1～6的顺序导通，各晶闸管导通相位依次相差60°；ua，ub，uc为整流器交流侧输出相电压；Ea，Eb，Ec为电源电压；ud为整流器输出电压。

图1 六脉波整流拓扑电路

1.2 SVPWM整流电路拓扑结构

三相电压型SVPWM整流拓扑电路如图2所示［6］。主电路包括交流回路、直流回路及功率器件，交流回路由电源电压Ea，Eb，Ec和滤波电感L组成；直流回路由负荷电阻R及直流侧的稳压滤波电容C组成；功率器件由晶体管（IGBT）和续流二极管两部分组成。

图2 三相电压型SVPWM整流拓扑电路

2 谐波特性分析及交流侧功率因数计算

2.1 六脉波整流谐波特性

式中：ω＝2πf，f为整流器电源频率；t为采样时间；N为谐波次数。

可得出电流基波I1和各次谐波有效值IN分别为

由此可得出基波因数V＝I1／I＝3／π＝0.955，则功率因数为［1］

式中：α为整流器触发角。

由以上公式可以得出六脉波整流分别在不同触发角情况下的理论功率因数，见表1。

表1 触发角对应功率因数

2.2 SVPWM整流电路谐波特性

系统稳态时，SVPWM整流器的一个重要技术指标就是交流侧输入电流正弦化［7］。由傅里叶原理可知，任何周期性波形均可分解为基波和谐波。

a相电流有效值Iae可表示为

电流谐波畸变率THDI可表示为

a相开关信号Sa表示成傅里叶级数形式为［8］

式中：da为a相的直流分量；fs为功率器件开关频率。

将Sa代入三相电压型SVPWM数学模型的状态表达式ZX＝AX+BE的X中［8-9］可得

AaN＝2sin2πNda-sin2πNdb-sin2πNdc，

BaN＝cos2πNdb-cos2πNdc-2cos2πNda，

式中：A，Z，B，E为已知量；R为电阻的阻值；RL为整流电路中电感的阻值；E1为反电动势；La为a相电流的实际值；Ls为该相的电感值；udc为整流器输出的直流电压；KUP为电压调节器比例常数；Vs为该相的电压矢量；ia*为a相电流的标幺值；Sa，Sb，Sc为a，b，c三相的开关信号。

忽略交流侧电阻R及直流侧输出电压udc波动的影响，就可以通过上式求出a相基波分量I1和谐波分量IN。

式中：∂为初始相位角。

从基波电流和谐波电流的表达式可以得出相应的谐波分析：输入电流谐波含量会随着滤波电感的增大而降低，随着直流电压的增大而增大，滤波电感的增大会导致电流跟踪性能降低［8］。

通过空间矢量预测电流控制［9-10］，可使输入电流成为近似的正弦波形，存在较小的谐波畸变率。在使用纯电阻负载时，整流器的负荷率跟随电阻值的变化而变化［11］。当直流侧的电阻值发生改变时，其负荷率也在跟随着变化，电流、电压在此系统下的跟随性良好，由此便可以控制SVPWM整流器的负荷率。

2.3 交流侧功率因数计算

功率因数λ是用于衡量输入有功功率P在输入视在功率S中的比例，用公式表示为λ＝P／S。功率因数越高表明输入的有功功率所占的比例越大，当功率因数为1或近似为1时，输入的功率全部被作为有功功率。在正弦系统中，P全部是基波分量所做的有用功，S全部是基波所做的视在功率。但一般系统中均存在谐波电流、电压，此时P和S都不是基波所做的功，而是直流分量和各次谐波分量所做的功，功率因数则表示为

当输入侧输入电压波形不失真时，功率因数可化简为

式中：μ为基波因数；a为基波位移系数［12-13］。

在实际采样中，为了减少偏离周期信号对测量值的影响且不产生系统误差，可进行多次测量并对多次测量结果取平均值，当测量次数足够多时，其平均值便会趋于真值［14］。

3 Simulink仿真分析

利用Matlab软件Simulink组件进行仿真，在两类整流器仿真时采用相同的初始值，以便对其进行比较分析。设三相电压为380V，各相相差120°，基波为50 Hz，仿真算法采用ode23tb，仿真时间为0.2 s。负荷为10 kW，满额负荷电阻为64Ω，分别在额定负荷、半额定负荷的情况下仿真两种整流器的谐波畸变率及功率因数。仿真曲线如图3～图10所示，仿真结果见表2。

图3 六脉波整流器额定负荷时功率因数

图4 六脉波整流器额定负荷时谐波畸变率

图5 六脉波整流器半额定负荷时功率因数

图6 六脉波整流器半额定负荷时谐波畸变率

图7 SVPWM整流器半额定负荷时功率因数

图8 SVPWM整流器半额定负荷时谐波畸变率

图9 SVPWM整流器额定负荷时功率因数

图10 SVPWM整流器额定负荷时谐波畸变率

从表2可以看出：仿真结果符合理论值，SVPWM整流器在空间电压矢量控制的情况下实现了功率因数近似为1，虽然六脉波整流器在额定负荷的情况下功率因数也较高，但在半额定负荷情况下功率因数较小，谐波含量高。SVPWM整流器不但在额定负荷情况下功率因数高谐波含量低，而且在半额定负荷时也有较六脉波整流器高的功率因数。

表2 Simulink仿真结果

4 半额负荷下整流器实际工况

在仿真研究的基础上对两类不同整流设备的实际工况进行试验，在半额定负荷工况下采集到的数据见表3。

表3 两类整流器实际工况数据对比

由表3可知：在半额定负荷附近时，六脉波整流器的功率因数较SVPWM整流器的功率因数低，且电源的利用率也不高。实际工况下负荷多变，功率补偿装置使得实际功率因数比理论数值大，致使有功功率不稳定，但在共同使用无功补偿的前提下，使用SVPWM整流器时功率因数较使用六脉波整流器时稳定，因此电源的利用率也较高。

5 结论

本文以高耗能行业为背景，使用纯电阻负荷进行分析研究。采用六脉波整流器，不仅对电网产生较大危害，而且也影响企业自身的电能利用效率，增加企业的生产成本。同等工况下，SVPWM整流器比六脉波整流器的功率因数高，对配电网产生的谐波污染小，而且在不同的负载率下SVPWM整流器功率因数变化不大，可以作为理想的整流设备。

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（本文责编：刘芳）

TM 461

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1674-1951（2015）08-0026-04

李小龙（1989—），男，山西吕梁人，在读硕士研究生，从事电力系电能管理技术研究（E-mail：1020959661＠qq. com）。

2015-01-05；

2015-06-01