盧正通 樂彥杰 彭維龍 孫 璐 高 震

（國網(wǎng)舟山供電公司）

0 引言

隨著海洋輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，海底直流電纜及其試驗(yàn)裝備也在不斷升級。為了能夠檢測大容量、遠(yuǎn)距離海底直流電纜的電氣性能，研制高可靠性、高精度的電纜試驗(yàn)裝備勢在必行。大電流直流發(fā)生器是直流電纜試驗(yàn)的核心部件，其性能直接影響著試驗(yàn)系統(tǒng)的供電質(zhì)量和電纜性能[1]。本文通過對大電流發(fā)生器的電路參數(shù)設(shè)計(jì)，對控制電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證該控制電路參數(shù)的合理性。

1 直流發(fā)生器數(shù)學(xué)模型

由于直流發(fā)生器核心是整流技術(shù)，下面以三相橋式整流電路進(jìn)行工作特性分析。

如圖1所示，大電流直流發(fā)生器采用整流技術(shù)，交流測由三相電源供電。一般要求負(fù)載容量較大或要求直流電壓脈動較小、容易濾波[2]。在交流電源一定的情況下，電路的性能由導(dǎo)通角α 和負(fù)載決定。

圖1 整流電路原理圖

（1）帶電阻負(fù)載時的工作情況

當(dāng)α ≤60°時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣且連續(xù)。

當(dāng)α ＞60°時，ud波形每 60°中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值，帶電阻負(fù)載時三相橋式全控整流電路α 角的移相范圍是120°。

（2）阻感負(fù)載時的工作情況

α ≤60°時，ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時十分相似。當(dāng)電感足夠大的時候，id的波形可近似為一條水平線[3]。

α ＞60°時，阻感負(fù)載時的工作情況與電阻負(fù)載時不同。電阻負(fù)載時，ud波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分。阻感負(fù)載時，ud波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時，三相橋式全控整流電路的α 角移相范圍為90°。

（3）定量分析

當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負(fù)載時，或帶電阻負(fù)載α ≤60°時）的平均值為：

帶電阻負(fù)載且α ＞60°時，整流電壓平均值為：

輸出電流平均值為：

大電流直流發(fā)生器采用三相橋式整流LC濾波電路，其工作原理是：三相380V交流電經(jīng)過空開、接觸器到晶閘管，經(jīng)過晶閘管調(diào)壓至173V后輸入至三相橋式整流電路，整流輸出得到脈動的直流電，再由電感電容組成的LC濾波電路濾波后在電源的輸出端得到比較穩(wěn)定的較小紋波的直流電源。

2 直流發(fā)生器電路參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真

由于實(shí)際直流輸電工程中，電纜輸送距離遠(yuǎn)、容量大，為了滿足高壓直流電纜試驗(yàn)的需求，這里要求系統(tǒng)最大輸出電壓、電流和功率為 10V、5000A和50kW，這里電纜試品在整流回路中的 R、L值分別為 0.72mΩ、0.072mH，大電流直流發(fā)生器仿真模型如圖2所示。

圖2 大電流直流發(fā)生器仿真模型

其中仿真系統(tǒng)參數(shù)見下表。

表 仿真參數(shù)表

圖3 輸出電壓波形及其頻譜圖

三相橋式全控整流電路通過調(diào)節(jié)控制角α 控制電源的輸出電壓，針對電阻值為0.72mΩ、電感值為0.072mH的 RL串聯(lián)負(fù)載，當(dāng)負(fù)載電流剛好達(dá)到5000A滿足要求時，α 取值為64.9°。此時直流發(fā)生器的輸出電壓、電流波形和頻譜分析如圖3a、b和圖4a、b所示，頻譜分析數(shù)據(jù)取至相應(yīng)的截取圖 4a虛線處，得到其0～100Hz的頻譜圖。

由圖3a可知，輸出電壓在起始階段有劇烈振蕩，經(jīng)過10s后逐步趨于穩(wěn)定，在3.6V附近作小幅低頻振蕩，穩(wěn)定后出現(xiàn)的最大電壓值和最小電壓值分別為3.608V和3.594V，由此可得出其紋波系數(shù)為0.389%；由圖 3b可知，信號主要集中于低頻段[7]，工頻分量已衰減至可忽略不計(jì)，畸變率僅為0.15%，從頻域的角度證明輸出直流電壓的穩(wěn)定性。

同樣地，由圖4可知，輸出電流在4994～5008A之間小幅低頻振蕩，紋波系數(shù)約為0.28%，畸變率為0.1%，均略低于輸出電壓，輸出直流滿足載流量試驗(yàn)要求，可忽略交流分量對直流載流量試驗(yàn)結(jié)果的影響。

相關(guān)文獻(xiàn)表明[4]，隨著負(fù)載特性中電感成分的增加，輸出電壓和輸出電流的波形會逐步趨于平滑。現(xiàn)考慮較為極端的情況，忽略電纜中的電感，將其視作純電阻負(fù)載，研究電阻值分別為 0.06mΩ和 0.72mΩ（對應(yīng)電纜長度分為10m和120m）時的輸出電流頻譜，此時控制角α 分別取值77.74°和64.9°，仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著阻值的減小，畸變率有所增加，但均處于較小范圍內(nèi)且工頻分量均可忽略不計(jì)，負(fù)載阻值為 0.06mΩ時，紋波系數(shù)為 1%。綜合以上分析可知，所設(shè)計(jì)的大電流發(fā)生器能夠滿足阻值為0.06～0.72mΩ（長度10～120m）電纜的載流量試驗(yàn)要求，且留有較大的裕度。

圖4 輸出電流波形及其頻譜圖

圖5 純電阻負(fù)載時的輸出電流頻譜

3 結(jié)束語

通過對直流發(fā)生器控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)，分析其輸出電壓、電流、紋波系數(shù)和畸變率，實(shí)現(xiàn)輸出電壓0～10V可調(diào)，輸出電流0～5000A可調(diào)，紋波系數(shù)可控制在1%之內(nèi)，仿真結(jié)果表明滿足試驗(yàn)要求，為大電流直流發(fā)生器的研制提供理論依據(jù)。