张甲兵，陈元初，康惠林，刘军华

应用研究

12脉整流逆变器母线电容的选型计算

张甲兵，陈元初，康惠林，刘军华

（通达电磁能股份有限公司，湖南长沙 410217）

母线电容是逆变器的关键器件，其选型设计影响着整机的尺寸、重量、功率密度、成本和性能指标。分析建立了12脉整流逆变器母线电容容量、纹波电流计算公式并仿真验证了其有效性，为工程应用中12脉整流逆变器母线电容的选型设计提供了参考依据。

母线电容 逆变器 12脉整流 纹波电流

0 引言

随着“十四五”2030年前碳达峰、2060年前碳中和的持续进行，绿色新能源得以大力发展，促使各类电力电子用电设备得到广泛应用。如：斩波器、变频器、逆变器等。12脉整流逆变器优于6脉整流逆变器的输入THDI和功率因数被各设备厂家普遍选用。母线电容作为12脉整流逆变器电网能量和负载能量交换的缓冲环节，其合适选型决定着母线电压的可靠性和稳定性。文献[1，4]对常用的三相逆变器母线电容纹波和电压脉冲进行了研究分析，并给出了初步的选取依据；文献[5]则针对多相H桥逆变器支撑电容电流进行了深入探讨。但12脉整流逆变器包含12脉波整流和三相逆变两部分，母线电容的选取仅通过分析三相逆变部分来进行显然不能满足应用需求。

对12脉整流逆变器母线输入和输出纹波电流进行分别分析，得出母线电容纹波电流表达式，并通过电压纹波和输出功率要求，得出容量计算表达式。通过仿真验证该选型计算的有效性，可为工程设计提供参考依据。

1 电路结构

图1给出了12脉整流逆变器的主电路拓扑。该拓扑由输入供电电源、移相变压器、2个三相不控整流桥、母线电容、三相逆变器和输出LC滤波器组成。

图1 12脉整流逆变器主电路

2 母线电容选型计算

2.1 母线电容容值计算

在同等输出功率条件下，一般来说母线电容容量越大，母线电压纹波越小，越有利于系统输出侧的稳定。但过大的容量不仅会增加整机成本，也会降低输入侧的功率因数。依据电压纹波指标要求，通过理论分析计算，选择合适的母线电容容量能有效避免实际工程应用中容量的过设计。

如图2所示，输入电源经过移相变压器和2个三相不控整流桥整流成12倍频的周期波动电压。

图2 整流桥输入电压和母线电压

其中，uuuuuu为输入电源经移相变压器移相后相电压，u为整流后未加母线电容电压，u为整流后加母线电容电压。

由图2可知，电容放电时间：

设系统容许母线电压波动率为λ，并令：

则母线最低电压为：

令：

由式（6）可解得时间1，代入式（4）可算出f。

母线电容充电时间为：

为方便计算，输出功率P下，用纯电阻等效替代三相逆变器的直流输入阻抗，则有：

电容纯电阻负载下放电方程为：

在电压波动率λ限制下，则

以上给出了满足母线电压波动率λ下的最小母线电容容量的选型依据，工程应用中可跟据实际情况预留一定裕量。

2.2 母线电容纹波电流计算

纹波电流耐受值是母线电容选型的关键指标。如选型过小，将导致电容过热，从而影响电容的寿命；如选型过大，则会增加限制尺寸下结构布局的难度和成本的上升。通过纹波电流表达式计算结果指导选择恰当的纹波电流耐受值母线电容显得非常必要。

由图1知，流过母线电容C的纹波电流c为三相逆变器输入电流n和12脉整流侧输出电流z的交流分量的差值，即：

则流过母线电容C纹波电流有效值I为：

将式（12）代入式（13）解得：

根据帕瑟瓦尔定理结合nac和zac不含同频率谐波分量，则有：

从式（15）可知，母线电容纹波电流有效值由整流侧交流分量有效值和逆变侧交流分量有效值叠加而成。

整流器交流分量有效值分由充电和放电两部分构成，计算如下：

整理后得：

式中：C母线电容值，母线电压波动率，移相变压器副边有效值，f整流输出频率，t母线电容充电时间，t母线电容放电时间，可由2.1得到。

三相逆变器输入交流分量有效值计算如下[6]：

式中：I为逆变器输出相电流有效值，为PWM调制比，cos为输出负载功率因数。当为0，约为0.615时I取的最大值[6]。

将式（16）、（17）代入式（14）可得：

上式（19）给出了12脉整流逆变器母线电容纹波理论计算表达式，工程应用中可根据实际应用需求，代入参数数据，指导母线电容纹波指标选型。

3 验证

12脉整流逆变器基本参数：

输入三相三线线电压380 Vac/50 Hz，移相变压器线电压变比1:1，输出功率50 kW。设定容许母线电压波动率为3%，负载为纯阻性负载，PWM调制比为0.615，计算得输出电流143 A。

图3 母线电容纹波电流、纹波电压仿真

由图3可知，12脉整流器独立带满载时，母线纹波电流有效值约95.1 A；三相逆变器独立带满载时，母线纹波电流有效值约93.9 A；12脉整流三相逆变器带满载时母线纹波电流有效值约135 A，母线电压波动率约2.8%。仿真结果与理论分析相近，选型计算方式具备工程应用参考价值。

4 结论

针对12脉整流逆变器母线电容的选型进行了理论分析和计算。依据母线电压波动率要求推导了母线电容最低容量选型计算公式，依据对12脉整流和三相逆变纹波电流分析推导了母线电容纹波电流选型计算公式。仿真结果验证了所得选型计算公式的有效性，可为工程设计提供参考依据。

[1] 蔡晓燕, 徐敬涛, 刘继茂, 等.光伏逆变器中DC-link 电容的选型计算[J]. 电力电子技术, 2012, 46(4): 43-44, 59.

[2] 李星宇, 李崇坚, 朱春毅, 等. 三电平变流器直流侧电容的纹波分析[J]. 电气传动, 2013, 43(S1): 93-97.

[3] 柯建兴, 肖飞, 林哲侃, 等. 大功率三电平逆变器直流母线电容的纹波电流问题研究[J]. 通信电源技术, 2019, 36(7): 1-3, 16.

[4] 裴雪军, 陈材, 康勇. 三相电压源逆变器直流侧支撑电容的电压脉动分析与设计 [J]. 电工技术学报, 2014, 29(3): 254-259, 269.

[5] 艾胜, 贾昊松, 曾启帆, 等. 多相H桥逆变器支撑电容电流计算[J]. 电源学报, 2018, 16(3): 106-112.

[6] Kolar J W, Round S D. Analytical calculation of the RMScurrent stress on the DC-link capacitor of voltage-PWM con-verter systems [J]. IEE Proceedings on Power Application, 2006, 153(4) : 535-543.

Analytic calculation of the bus capacitor for 12-pulse rectifier inverters

Zhang Jiabing, Chen Yuanchu, Kang Huilin, Liu Junhua

(TDElectromagnetic Energy Co., Ltd, Changsha 410217, Hunan)

TM561

A

1003-4862（2022）11-0070-04

2022-03-28

张甲兵（1988-），男，硕士，工程师，主要从事电力电子装置研究和产品开发。E-mail:295351289@qq.com