四象限整流器二次谐振电容选型设计

周文杰

（广西电网有限责任公司崇左供电局广西崇左532200）

四象限整流器二次谐振电容选型设计

周文杰

（广西电网有限责任公司崇左供电局广西崇左532200）

四象限整流器具有能量回馈电网、功率因数可调等优势，成为交直变换器的首选结构，但是四象限整流输出电压中存在较大的二次谐波分量，影响电源质量，因此需要针对性的进行抑制。本文通过对四象限整流器二次谐波分量进行原理性分析，提出了二次谐振电容的选型计算方法，对工程中的器件选型具有重要的参考意义。

四象限整流；二次谐波抑制；电容选型

引言

四象限整流器在电力系统、动车组列车、电源设计等领域具有广泛的应用。今年来国内电力行业发展迅速，电力容量大幅提升，用电需求快速增长，对电网电源质量要求也越来越高。四象限整流器因其效率高、功率因数可调、能量双向流动的特点在电力变流系统中具有广泛应用，但是由于其输出电压存在二次谐波分量，影响电源质量，因此在四象限整流器后多加入串联二次谐振电流用以抑制二次谐波。

二次谐振电容容值可以根据谐振频率计算出来，但是对于谐振电容工作电压、工作电流的计算是电容选型中的难点。电容的工作电压、电流等级选择较低，会使系统存在过压、过流损坏的风险；电容的工作电压、电流等级选择过高，会在很大程度上增加系统的硬件成本，降低系统的经济效益。因此研究二次谐振电容的选型设计具有重要意义。

1 二次谐振电路参数计算

四象限整流器拓扑结构如图1所示。两个四象限整流器4QCA、4QCB并联以提升系统的功率等级，其控制方式完全相同；变压器由理想电压源UN和串联漏感LN组成；直流侧负载包括二次LC串联谐振回路和直流等效电阻回路，其中谐振电感大小为0.301mH，流过电流分别为直流电流idc和二次谐振电流i2。

图1 二次谐振电流计算电路

假设四象限输入电流：iN1=·iN·cos（ωt）

根据四象限控制方式，其电源端电压与输入电流同相位：UN1=·UN·cos（ωt）

电感LN1端电压：ULN1L·diN1/dt=-·L·ω·iN·sin（ωt）

四象限输入电压：Uabl=UN1+ULN1=·（UN·cos（ωt）-L·ω·iN·sin（ωt））=·Uab·cos（ωt-准）

图2 二次谐振电流电压向量图

单个四象限输入视在功率：

四象限输出电流Iz包含了两个电流分量，一个直流电流分量Idc，一个二次谐波电流分量I2（忽略通过支撑电容的高频电流分量Icd）。

直流侧视在功率为：

由能量守恒：Sdc=2·SN

即：2Uab·iN·

获得四象限两侧电流关系：

2 二次谐振电容选型设计

2.1 二次谐振电容容值计算

二次谐振电感为0.301mH，因为二次谐振电感与二次谐振电容构成二次谐振回路，因此：ωL=，ω=2πf=200π，所以C=8.4mF

2.2 二次谐振电容参数

假设变压器二次侧额定输出电压1000VAC，漏感3mH，频率50Hz，直流侧总功率2956kW，直流母线电压1500V，单个四象限（效率98%）输入电流：

iN=2956kW/0.98/2/1000V=1507A

电感LN1端电压：

四象限输入电压有效值：

直流侧二次谐振电流有效值：

2.3 二次谐振电容选型

根据上述计算结果，所选择二次谐振电容的参数应满足如下条件：

（1）电容容值：8.4mF；

（2）电容值误差：<±5%；

（3）电容最大工作电流：1951A；

（4）电容工作电压：1500V。

根据当前市场上的电容参数，很难有一款单个电容可以满足上述条件，需采用多个电容串并联结合的方式。可以考虑选择ecops公司的4200μF/1000V/1000A电容4个，两两电容并联成两组，每组电容工作电压为1000V，工作电流为2000A；再将两组电容串联，整体电容组工作电压为2000V，工作电流为2000A可以满足需求。

3 结语

本文通过理论计算，对四象限整流器交直流侧的电压电流值进行了准确计算，通过三角函数形式的数学公式，证明二次谐振电流的存在，并计算出了谐振电流同直流侧功率、交流电压、交流频率、直流侧母线电压间的关系，给出了准确的计算公式。并以一种工程应用为例，介绍了工程上谐振电容的选型方法，具有重要的工程实践意义。

[1]丁荣军，黄济荣.现代变流技术与传动[M].北京：科学出版社，2009.

[2]陈燕平，忻力.变流器中电容器并联时的谐振现象及噪声研究[J].机车电传动，2008（5）：19～22.

TM461

A

1004-7344（2016）30-0142-01

2016-9-28

周文杰（1986-），男，工程师，本科，主要从事电力气统等工作。