大电流直流发生器控制电路参数设计

2018-08-03卢正通乐彦杰彭维龙

电气技术与经济 2018年3期

卢正通乐彦杰彭维龙孙璐高震

（国网舟山供电公司）

0 引言

随着海洋输电技术的不断发展，海底直流电缆及其试验装备也在不断升级。为了能够检测大容量、远距离海底直流电缆的电气性能，研制高可靠性、高精度的电缆试验装备势在必行。大电流直流发生器是直流电缆试验的核心部件，其性能直接影响着试验系统的供电质量和电缆性能[1]。本文通过对大电流发生器的电路参数设计，对控制电路进行参数设计和仿真验证，验证该控制电路参数的合理性。

1 直流发生器数学模型

由于直流发生器核心是整流技术，下面以三相桥式整流电路进行工作特性分析。

如图1所示，大电流直流发生器采用整流技术，交流测由三相电源供电。一般要求负载容量较大或要求直流电压脉动较小、容易滤波[2]。在交流电源一定的情况下，电路的性能由导通角α 和负载决定。

图1 整流电路原理图

（1）带电阻负载时的工作情况

当α ≤60°时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样且连续。

当α ＞60°时，ud波形每 60°中有一段为零，ud波形不能出现负值，带电阻负载时三相桥式全控整流电路α 角的移相范围是120°。

（2）阻感负载时的工作情况

α ≤60°时，ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。当电感足够大的时候，id的波形可近似为一条水平线[3]。

α ＞60°时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。阻感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α 角移相范围为90°。

（3）定量分析

当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载α ≤60°时）的平均值为：

带电阻负载且α ＞60°时，整流电压平均值为：

输出电流平均值为：

大电流直流发生器采用三相桥式整流LC滤波电路，其工作原理是：三相380V交流电经过空开、接触器到晶闸管，经过晶闸管调压至173V后输入至三相桥式整流电路，整流输出得到脉动的直流电，再由电感电容组成的LC滤波电路滤波后在电源的输出端得到比较稳定的较小纹波的直流电源。

2 直流发生器电路参数设计与仿真

由于实际直流输电工程中，电缆输送距离远、容量大，为了满足高压直流电缆试验的需求，这里要求系统最大输出电压、电流和功率为 10V、5000A和50kW，这里电缆试品在整流回路中的 R、L值分别为 0.72mΩ、0.072mH，大电流直流发生器仿真模型如图2所示。

图2 大电流直流发生器仿真模型

其中仿真系统参数见下表。

表仿真参数表

图3 输出电压波形及其频谱图

三相桥式全控整流电路通过调节控制角α 控制电源的输出电压，针对电阻值为0.72mΩ、电感值为0.072mH的 RL串联负载，当负载电流刚好达到5000A满足要求时，α 取值为64.9°。此时直流发生器的输出电压、电流波形和频谱分析如图3a、b和图4a、b所示，频谱分析数据取至相应的截取图 4a虚线处，得到其0～100Hz的频谱图。

由图3a可知，输出电压在起始阶段有剧烈振荡，经过10s后逐步趋于稳定，在3.6V附近作小幅低频振荡，稳定后出现的最大电压值和最小电压值分别为3.608V和3.594V，由此可得出其纹波系数为0.389%；由图 3b可知，信号主要集中于低频段[7]，工频分量已衰减至可忽略不计，畸变率仅为0.15%，从频域的角度证明输出直流电压的稳定性。

同样地，由图4可知，输出电流在4994～5008A之间小幅低频振荡，纹波系数约为0.28%，畸变率为0.1%，均略低于输出电压，输出直流满足载流量试验要求，可忽略交流分量对直流载流量试验结果的影响。

相关文献表明[4]，随着负载特性中电感成分的增加，输出电压和输出电流的波形会逐步趋于平滑。现考虑较为极端的情况，忽略电缆中的电感，将其视作纯电阻负载，研究电阻值分别为 0.06mΩ和 0.72mΩ（对应电缆长度分为10m和120m）时的输出电流频谱，此时控制角α 分别取值77.74°和64.9°，仿真结果如图5所示。

由图5可知，随着阻值的减小，畸变率有所增加，但均处于较小范围内且工频分量均可忽略不计，负载阻值为 0.06mΩ时，纹波系数为 1%。综合以上分析可知，所设计的大电流发生器能够满足阻值为0.06～0.72mΩ（长度10～120m）电缆的载流量试验要求，且留有较大的裕度。