单相交流逆变系统直流侧电容电压脉动分析

涂方明， 韩 坚，黄青梅， 许 金



单相交流逆变系统直流侧电容电压脉动分析

涂方明1， 韩 坚2，黄青梅3， 许 金4

（1. 海军驻武汉四三八厂军事代表室 ， 武汉 430033；2. 海军工程大学 ， 武汉 430033；3. 海南三亚92730部队装备部, 海南三亚 572016；4. 海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室 , 武汉 430033）

对于单相交流逆变系统，其直流侧电容电压存在固有的2倍于逆变器输出频率的脉动，本文基于基本电路原理对系统暂态过程中电气量的变化规律进行了分析，总结了系统直流侧电容电压脉动的机理，并建立了仿真模型，对系统直流侧电压脉动的相关典型工况进行了分析。

单相 交流逆变系统 直流电压 脉动

0 引言

在大功率变频调速领域，由于电力电子器件容量限制，宜采用每相负载由独立逆变供电系统供电的结构。特别是在大功率电磁发射领域，由于每相发射负载的功率均达到数十兆瓦至百兆瓦，故每相负载均需独立供电[1-7]，当发射装置的储能系统为发电机飞轮储能时，每相发射负载的结构组成如图1所示。

图1所示系统为典型的单相交流逆变系统结构，由三相发电机或电网、三相不控整流器、单相H桥逆变器及单相阻感负载组成。

实验表明该单相交流逆变系统的直流侧电容电压存在一个2倍于交流侧输出频率的脉动电压。本文从电路原理和器件端口伏安特性的角度，通过对逆变器开关状态下，相关电气量变化规律的分析，从理论上证明了系统直流侧2倍交流输出频率脉动电压的产生的机理。

1 系统直流侧电容电压脉动机理分析

图1所示的是一个电容滤波三相不控整流桥带单相桥式逆变器负载，为了简化分析，图中的单相逆变器采用方波控制，其中全控型开关器件T1、T4同时通、断；T2、T3同时通、断。T1（T4）与T2（T3）的驱动信号互补，即T1、T4有驱动信号时，T2、T3无驱动信号，反之亦然。

如图2所示，在0≤<0/2期间，T1、T4有门极驱动信号，T2、T3截止，u=u；在0/2≤<0期间，T2、T3有门极驱动信号，T1、T4截止，u=-u。

由于逆变器带阻感性负载，交流侧电流i滞后交流电压u，在=0时刻，i=i0<0，这时T1、T4导通，这时可以将图1所示的交直交变换器等效成图3所示的带阻感性负载的电容滤波发电机整流电路。

1) 在<≤1期间，根据图3所示的等效电路，电路中的电压、电流满足式 (1)～(4)，这四个表达式确定了图3所示等效电路中四个物理量i、i、u、i的数学关系。在该期间，i<0，i>0，由式 (4)，可知i>0；由式(2)可知du/>0，故在该期间u单调递增；因i<0，u>0，由式(1)，可知di/>0，即|i|单调减小；根据三相不控整流桥直流侧电压和直流侧输出电流的关系，可知当直流侧电压u单调递增时，整流桥直流侧输出电流平均值i将单调减小；由于i和 |i| 均单调减小，故i将单调减小。

在该期间，逆变器交流侧负载输出功率，发电机整流系统输出功率，直流侧电容输入功率。逆变器交流侧电感释放存储的磁场能量，一部分消耗于交流侧电阻，另一部分转化为电场能量储存在直流侧电容中；发电机整流系统输出的能量也转化为直流侧电容中的电场能量，故在该期间直流侧电容充电。

当=1时，交流侧电流i由i0增大至i1=0，这时逆变器交流侧电感将储存的磁场能量全部释放出来。直流侧电压平均值u由u0增大至u1；直流侧输出电流平均值i由i0减小至i1；电容电流i由i0减小至i1。

2) 在1<≤2期间，交直交变换器中各电压、电流的数学关系依然满足式(1) ～(4)。在该期间，i逐渐增大，且i>0；由于这时i较小，i<i，由式(4)可知，在该期间i>0；由式(2)可知du/>0，故在该期间u继续单调递增；根据三相不控整流桥直流侧电压平均值和直流侧输出电流关系，直流侧电压平均值u的增大将导致直流侧输出电流平均值i减小。

在该期间，逆变器交流侧负载输入功率，直流侧电容输入功率，发电机整流系统输出功率。发电机整流系统输出的能量一部分输出至逆变器交流侧，另一部分在直流侧电容中转化成电场能量储存起来，故在该期间直流侧电容继续充电。

在1<≤2期间，i减小，i增大，由式(4)可知在该期间，i逐渐减小，当=2时，i减小至i2=0，du/=0，直流侧电压平均值达到最大值u2= umax，这时，整流桥直流侧输出电流平均值达到最小值i2=imin，且i2=i2，发电机整流系统输出的功率等于逆变器交流侧负载输入的功率。

3) 在2<≤3期间，由式(1)可知，i在i2的基础上将继续增大，由式(2)～(4)，在该期间，直流侧电压平均值u将减小，i<0，整流桥直流侧输出电流的平均值i将增大，i=i+|i|；由式(1)，因u减小，i增大，di/将减小。

在该期间，直流侧电容输出功率，发电机整流系统输出功率，逆变器交流侧负载输入功率，逆变器交流侧负载输入的功率等于发电机整流系统和直流侧电容输出功率之和；发电机整流系统输出的能量和直流侧电容输出的能量都供给逆变器交流侧负载。

当=3时，di/=0，逆变器交流侧电流达到最大值i3= imax，这时直流侧电压平均值u由umax减小至u3，u3=imaxR，整流桥直流侧输出电流平均值i由imin增大至i3，imax=i3+|i3|。

4) 在3<≤0/2期间，di/<0，逆变器交流侧电流i减小，由于这时直流侧电压平均值u继续减小，整流桥直流侧输出电流平均值i将在i3的基础上继续增大，由式(4)可知，|i|将减小，|du/|减小，直流侧电压平均值u的下降变缓。

在该期间，逆变器交流侧电感释放存储的磁场能量，直流侧电容和发电机整流系统输出功率，从而逆变器交流侧电感、直流侧电容和发电机整流系统输出的功率都消耗于逆变器交流侧电阻上。

当=0/2时，直流侧电压平均值u减小至u4，u4= u0；电容电流增大至i4；逆变器交流侧电流减小至i4，i4=-i0；直流侧输出电流平均值i增大至i4，i4= i0。

5) 在0/2<≤0期间，根据上述a～d的分析，u、i、i和i的变化曲线如图4。

根据上述分析，三相不控整流桥带单相桥式逆变器负载时，其直流侧电压平均值u和直流侧输出电流平均值i根据逆变器的开关状态发生周期性的脉动，脉动周期为0/2，即脉动频率等于逆变器输出频率的2倍，如图4所示。

根据对图4中各个时间段电压、电流变化规律的分析，在<≤1期间，逆变器交流侧负载的输出功率转变成电场能量存储于直流侧电容中；在2<≤0/2期间，直流侧电容释放存储的电场能量，向逆变器交流侧负载输出功率，可见直流侧电容与逆变器交流侧负载发生了能量交换。

在0<≤1期间，逆变器交流侧负载输出功率，在1<≤2期间，逆变器交流侧电流较小，即逆变器交流侧负载输入的功率较小，在这两个期间，直流侧电容输入功率，电容将输入的能量以电场能量的形式存储。在2<≤0/2期间，电容将存储的能量释放出来，释放功率的大小满足其伏安特性，逆变器交流侧输出的电流等于发电机整流系统和直流侧电容输出电流之和，从而逆变器交流侧瞬时输出功率要大于发电机整流系统的瞬时输出功率。可见，直流侧电容作为一个储能元件，在0<≤0/2期间的开始阶段(<≤2)储存能量，在随后的阶段(2<≤0/2)将存储的能量释放出来，使得逆变器交流侧负载的瞬时输入功率大于发电机整流系统的瞬时输出功率。

在逆变器的运行过程中，直流侧电容周期性地充放电，充放电的频率等于逆变器输出频率的2倍。经历一个充放电周期后，直流侧电容存储的能量不变，故根据能量守恒，逆变器交流侧负载的输入能量等于发电机整流系统的输出能量，直流侧电容的作用是被动地利用其伏安特性对输入逆变器直流侧的瞬时功率进行调制，使其能够实时地与逆变器交流侧负载的输入功率相等。

2 仿真计算

通常对于直流侧电压平均值发生脉动的解释是直流侧电容与逆变器交流侧电感进行无功交换造成的，即若没有无功交换，则直流侧电压平均值就不会发生脉动。

但根据功率平衡的原理，只要逆变器交流侧输出的瞬时功率存在脉动，那么直流侧电容电压就会脉动，使得逆变器直流侧输入的瞬时功率实时地与其交流侧输出的瞬时功率相等。基于MATLAB数值计算软件的Simulink仿真模块建立与图1对应的带单相逆变器负载的发电机不控整流系统仿真模型，当逆变器负载为电阻负载时，这时逆变器交流侧负载输入的无功功率为0，整流桥直流侧电压和直流侧输出电流的仿真波形如图5所示。从图中可以看出，即使当逆变器交流侧负载为纯电阻时，三相不控整流桥的直流侧电压和直流侧电流依然会存在2倍于逆变器输出频率的脉动。

3 结论

本文针对交直交单相交流逆变系统直流侧电压脉动的机理进行了分析，基于基本电路原理和器件端口伏安特性，对逆变器一定开关状态下，不同时刻的电压、电流变化规律进行了分析，提出了单相逆变系统直流侧电容电压存在2倍于交流输出频率的脉动，并从功率守恒的角度对电容电压的脉动规律进行了解释，并指出无论系统交流侧负载特性如何，只要逆变器交流侧输出的瞬时功率存在脉动，那么直流侧电容电压就会脉动，使得逆变器直流侧输入的瞬时功率实时地与其交流侧输出的瞬时功率相等。

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Analysis of DC Capacitor Voltage Pulsation in Single-phase Inverter System

Tu Fangming1, Han Jian2, Huang Qingmei3, Xu Jin4

（1. Naval Representatives Office of 438 Factory, Wuhan 430060, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. Armament Department of 92730 units of Hainan, Sanya 572016, Hainan, China; 4. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System，Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

For single-phase inverter system，in its DC capacitor voltage, there is a inherent pulsating voltage which is twice of output frequency of the inverter. Based on the basic circuit theory, this paper analyzes the variation of the electrical quantities of system in the transient process, summarizes the mechanism of the system DC capacitor voltage pulsating, establishes the simulation model, and analyzes the related typical conditions of system DC capacitor voltage pulsating.

single-phase, AC inverter system, DC capacitor voltage, pulsation

TM359.4

A

1003-4862（2015）03-0073-04

2014-12-09

涂方明（1979-），男，本科。研究方向：船舶电气。