（电气工程专业论文）基于平衡变压器三相单相变换供电方式研究.pdf

基于平镦变压器三相一单相变换供电方式研究 摘要 随着社会对毫力需求瓣增大及对电麓质量要求嚣提高，电瓣串的负枣、谐波 以及无功等阀题越来趱受到关注，各种不对称负载和非线性负载怒造成电力系统 电能质量降低的主要原霹，其中包括了电气化铁道牵弓l 供电系统秘冶炼、嚣傀供 电系统等单相负荷。这些不对称负荷产生的负序、谐波电流对电力系统的安全稳 定运行造成了不利影响。本文以三相供电和单相供电之闻的平衡转换为研究主题， 驭实现对负序、谐波辍及无功豹综合治理为鋈标，具有重要翡理论意义和赛际应 用价值。 首先对基于平鹜变压器帮移褶法褶结合静兰耀一萃榴供电方式避孬7 研究。鬏 据当前各种常用的平衡变压器的结构得出了平衡变换的熬性，分析了平衡变压器 三辎两相之闻平衡变换的原理；提出了基于移檫法的三樵一单摆供电方式，该供 电方式利用平衡变匿器两稆侧电压相位的正交特性，从而简化了匹配元件静计算； 讨论了其三相一单相变换的拓扑结构，针对阻性、感性、容性三种不同性质的线性 受载给毒了三释不蠢的接线方式，并推导了其莲配元件参数翦计冀公式；讨论了 由匹配元件参数的误惹和负载在一定范围内变化引起的三相侧电流负序分璧的变 化情浇，给囊了搀翎此类负序电流的一种释决方法。并对所提出戆方法进行了仿 真和实验。 针对在熊相侧负载不相等条件下平衡变压器无法构成对称系的问题，本文提 塞了毫力邀子三耜变单相平衡替偿供毫方式结构。其整体结褐赉交一直交孳穗逆 变器与平衡变压器两相侧并联组成，通过调节眠声两相之间电流有功分量的流 动，把受载较轻一穗鸵有葵电流分配给负载较重蛉一辐，使平衡变压器两棚德懿 输出电流正交对称，从而消除三相侧产生负序电流的条件；同时幽于主电路采用 了基于单提霄源滤波器的结构，故还可起到补偿无功纛撺制谐波的作用。 对予菜些仅有单耩交流电源却要用翻三相供电的场合，如偏远农村的单相电 网等单相用户需使用兰相电电源的情况，提出了一种基予平衡变鹾器的单棚变三 相对称供电方式。该方式将输入毫源单樱篷压经换耱交流器努鲞幅值相等、楣煎 正交的两相电压，经平衡变压器转换为三相对称电压向兰相负荷供电。与通常的 单褶变三相变流器供电方式相滋，该方式餍到约功率器件更少，承受酶功率更小。 换相变流器还可对负载电流中的谐波和无功分量进行补偿，从而改善输入电流的 波形、提高输入功率因数。 根据三栩变单耱平衡脊搂供毫方式的电路结构，本文提凄了稀基于鉴裙法 的双单相瞬时谐波电流检测方法。该方法通过计算讯相负载电流中基波有功 h 博士学位论文 分量幅值的平均值，可方便的求出需要传递的相间有功电流差值，同时检测出各 相电流中的电流谐波和无功分量，使平衡变压器补偿后的两相输趣电流相位正交、 幅值相等，能够满足平衡补偿供电方式对有功传递、无功补偿和谐波抑制三方面 的综合性能的要求。并针对单相变三相对称供电方式的结构提出了基于鉴相法的 单稳瞬时电漉检漂方法，戳保证单握电嚼的电能质量。 。提拙。了种基于单相屯压矢量的滞环电流控制方法，并在此基础上采用双滞 环优化p w m 控制策略，在保诞精度的前提下降低了单个开关的动作频率，减少 开关损耗。对于单相变三相供电方式中的逆变器输出部分，提出了一种电压电流 双闭环控制方法，实现了输出电压跟随参考信号变化，从而保证平衡变压器两相 电压的正交性。 本文对电力电子三相单相变换供电方式的主要系统元件进行了研究，确定了 交流侧电感傻、直流母线电容容量及直流母线电压等级豹取僮蓬围。 最后，针对所提出的电力电子三相单相变换供电方式，利用m a t l a b s i m u l i n k 构造了仿真系统，从宥功电流的调剂、谐波抑制和无功补偿、负载变化响应以及 功率分配等方面对所提出的三褶单相交换供电方式及其检测、控制方法进行了仿 真，结果验证了所提出的电力电子三相单相变换供电方式及其检测、控制方法的 正确性帮可行性。 关键词：三榻一单程变换；电流平衡补偿；平衡变压器；负序电流；谐波检溅：滞 环控制 i 基于平衡变压器三相一单相变换供电方式研究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i d l yi n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fe l e c t r i c a lp o w e rs u p p l ya n d h i g h e rc r i t e r 如n t d w a r d sp a w e r 叩砜i t y fp r o b l e m so fn e g a t i v e ，h 黜o n i c ，a n dr e a c t i v e p o w e r a r ec a u g h tt op e o p l e sa t t e n t i o n t h em a i nc a u s e so ft h ed r o po fp o w e rq u a l i t y a r ea l lk i n d so fa s y m m e t r ya n dn o n - l i n e a rl o a d si np o w e rs y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h e a cs i n g l e p h a s ee l e c t r i cr a i l w a yt r a c t i o ns u p p l ys y s t e ma n dpe t r o c h e m i c a li n i t u s t r y s i n g l e - p h a s ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，e t c t h o s ea s y m m e t r yl o a d sb r i n gd i s a d v a n t a g et o t h ep o w e rs y s t e m so p e r a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c h st o p i ct h a tt h eb a l a n c e t r a n s f o r mb e t w e e nt h r e e p h a s ea n ds i n g l e p h a s e ，a n dt h ea i mi st oc o m p o s i t i v e l yd e a l w i t ht h en e g a t i v es e q u e n c e ，h a r m o n i cc u r r e n t s ，a n dt h er e a c t i v ep o w e r t h er e s e a r c h o nw h i c hi ss i g n i f i c a n tt ob ec o n t i n u e di nt h e o r ya n di na p p l y i n g f i r s t l y ；t h et h r e e p h a s ea n ds i n g l e p h a s et r a n s f 0 r m i n gs u p p l ym e t h o db a s e do n b a l a n c et r a n s f b n n e ra n dp h a s e s h i f t e dm e t h o dh a sb e e nr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt o s t m c t l l r e so fg e n e r a lk i n d so fb a l a n c et r a n s f o m e r s ，t h ec o m m o n n e s sh a sb e e np i c k e d u p ，a n dt h eb a l a n c ep r i n c i p l et r a n s f b m i n gb e t w e e nt h r e e - p h a s es y s t e ma n d 锕o 。p h a s e s y s t e mo fb a l a n c et r a n s f b m e r si sa n a l y z e d t h r e e - p h a s ea n ds i n g l e - p h a s et r a n s f o 皿 p o w e rs u p p l ym e t h o d su s i n gp h a s e s h i f t a r ed e v e l o p e d t h e i rc a l c u l a t i o n so f m a t c h i n gc o m p o n e n t sa r er e n d e r e di ns i m p l e rf 0 咖s ，o w n i n gt ot h eo r t h o g o n a l i t yo f t w o p h a s ev o l t a g e s i nb a l a n c e仃a n s f b 瑚e r t h et o p o l o g i e so ft h r e e p h a s ea n d s i n g l e p h a s et r a n s f o n na r ed i s c u s s e d ，a n dt h r e ed i f 托r e n tc o m b i n e dm o d e sa l o n gw i t h t h e i rc a l c u l a t i o n sa r eg i v e n ，w h i c hw o r kr e s p e c t i v e l yf b rr e s i s t a n c e ，i n d u c t i v ea n d c a p a c i t i v e l o a d s t h ea s y m m e t r yf a c t o ra f f e c t e db yt h en o n i d e a lm a t c h i n g c o m p o n e n t sa n dt h en u c t u a t i n gl o a di sa n a l y z e d ，a n dar e s o l u t i o no fs u p p r e s s i n gt h e c o r 】e s p o n d i n g l yp r o d u c e dn e g a t i v e c u r r e n t si s g i v e n t h es i m u l a t e dd a t aa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ev e r i f i e do na2 k v ab a l a n c et r a n s f b 衄e rp r o t o t y p es h o w st h a t t h ep r o p o s e dc a l c u l a t i o nf o m u l a sa r ev a l i da n df b a s i b l e a i m i n gt ot h ed e f e c to fa s ) ，n l m e t 巧s y s t e mw h i l el o a d so fb a l a n c et r a n s f o r m e r a r e u n e q u a lb e t w e e n 仅p h a s ea n d - p h a s es i d e s ， an e wc u r r e n tb a l a n c ec o m p e n s a t i o n m e t h o du t i l i z i n gi n v e r t e ri sp r o p o s e d ，w h i c hi sm a i n l yu s e dt oc o m p e n s a t en e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n t t h es y s t e ms t m c t u r eo ft h i sm e t h o di sc o n s t i t u t e db yb a l a n c e t r a n s f o r m e ra n da na c - d c - a cs i n g l e - p h a s ei n v e r t e rc o n n e c t e di np a r a n e l a c t i v e p o w e re n e r g yc a nf l e x i b l yn o wf r o m o n ea m s i d ew i t hl i g h tl o a dt ot h eo t h e r 博士学位论文 a r m s i d ew i t hh e a v yl o a dt os u p p r e s sh a r m o n i cc u r r e n ta n dc o m p e n s a t er e a c t i v e c u r r e n t ，u n d e fc o n t r o lo ft h es y s t e m t h e 糟s u l ti s 联a n d 岁p h a s e se q u i v a l e n tl o a d so f 国et r a n s f o f m e rr e a c ht ob a l a n c es t a t e ，a n de l i m i n a t e st h ep r e c o 觳d i t i o nt o b r i n g n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tt oi n s u r et h ec u l l r e n ts y m 】m e t r yo ft h r e e - p h a s es i d oo ft h e f a 觳s 蠡) 隧e f 一c o n s i d e r i n go fc e r t a i nd 留a s i o 盯t h a tt l l r e e - p h a s ee l e c t r i ce q u i p m e n t sa r en e e d ， b t l ts i 珏g l e p h a s ep o w e fs y s t e l 黢i ss u p p l i e do n l y s u e h8 sl 敦e s i l 塔l e p h 鑫s eo l e c l r i c p o w e rd i s t r i b u t i o na m o n gr e m o t ev i l l a g _ e 8 ，an o v e ls i n g l e p h a s et om r e e - p h a s ep o w e r s u p p l ym e t h o db a s e do nb a l a n c et r a n s f b f l n e ri sm s c u s s e d i ti st h em e t h o dt h a t s i n g l e p h a s ep o w e rs o l l r c ei s8 印a f a t e di n t o w ob r a n c hc i r c u i t s 汛p a f a l l e l o n e b r a n c hc o n n e c t sd i r e c t l yw i t hp r i m a r ys i d oofb a l a n c et r a n s f o r m e ra s 坎- p h a s e ，a n dt h e o 毫矗e fb f 鑫鞋e 基c o 珏羹e e t sa s 多f p 矗a s ev i 鑫ap 纛纛s e s 蠢i 蠡e o 珏v e 蠡e 警蠢e 搓p 氧鑫s ea l 疋p 蠡鑫s e a r eo r t h o g o n a l i na n g e la n de q 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ts t r u c t u r eo ft h r e e p h a s et o s i n g l e p h a s eb a l a n c e e o 黻p e n s a t i o nm e t h o d ，a 重w i ns i n g l e p 量l a s ei n s t a 觳t a n e o u sh a 强o n i ce u r 堇e n td e 重e e t m e t h o di sp r o p o s e d t h i sd e t e c tm e t h o dd e t e c t st h ea c t i v ec u r r e n to faa n dp p h a s e l o a d ，w 0 攮so 赣lt h e 礅e a 纛o ft h e 搬。a l s o ，i t 莲e l e c t s 囊e 蠢a 强。矬i ec 驻嚣e 纛转a 鑫鑫瓣鑫c l i v e p o w e r t h eb a l a n c ei n v o r t e rc o m p e n s a t e st w op h a s e sl o a dc u r r e n t s ，a n dm a k e st h et w o s i d eo u t p u tc l l r r e n t sa r eo r t h o g o 熊a li na n g l ea n de q u a li na m p l i 抛d e t h a tm e e t st h e c o 擞p o s i t i v ed e m a n do na c t i v ep o w e rt f a n s f e r ， r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n d h a r m o n i cs u p p r e s s i o no ft h eb a l a n c ec o n l p e n s a t i o nm e t h o d b e s i d e s ，as i n g l ep h a s e i 鑫s 童a 稳重a 鑫e o 毪sc u 薹f e 建重d o 重e e 童m e 鼍赵o di sp r o p o s e da l s o ，s p e c i a lf o f 宝魏es 重芏鼙。专u 薹o f s i n g l e p h a s et ot h r e e p h a s ep o w e rs u p p l yh l e t h o d 量li sp r o p o s e d 撒a 鑫h y s e f e s i se 珏n e n te o n t f r o ll 矬e t 矗o d 娃s i 珏gs i n g l ep h a s ev o l 瞧g e v e c t o r a n di ti su t i l i z e dt h a ta no p t i m i z e dd o u b l ep w m h y s t e r e s e sc o n t r o ls t r a t e g yo n t h eb a s eo ft h ec o n t r o l 搬e t h o d ，w h i c hc a nm a k ef r e q u e n c yo fe a c hs w i t c h e rl o w e ra n d l e s sl o s s 重量i sp r o p o s e dad o u b l ec l o s e - l o o pe o n t r o lm e t 量l o d 重o w a r d s 毒h ei n v e n e rp a f 耄 o ft h es i n g l e p h a s et ot h r e e - p h a s ep o w e rs u p p l y ；w h i c hk e e p st h eo u t p u tv o l t a g ea l o n g v w i t ht h er e f e r e n c es i g n a l t h a ti n s u r e st h a tt h eo r t h o g o n a l i t yo f t w o 。p h a s e v o l t a g e sl n b a l a n c et r a n s f o 鼬e l i nt h i sp 印e f ， i ti sd i s c u s s e dt h a t t h em a i ns y s t e mc o m p o n e n t so fp o w e r e l e c t r o n i ct h r e e p h a s e a n ds i n g l e p h a s et r a 】& s f o 眦p o w e rs u p p l y m e h o d 瓢 1h e s e l e c l i 珏g 礅e l 囊o do fa es i d e 蠡l 。她越臻醴a 鹳ev 籼e ，d c 套毽s v o & 鑫g ev 鑫l 疆e 鑫珏dp 。 b u sc a p a 随嬲c ea r e ，g e n i1 l s i n m cm e t h o do f t h e o r e t l c a la n a l y s l s f i n a l l v 露s i m u l a t i o 醢s y s t e mo fp o w e fe l e e 耄_ 瓣砖c 辨p p l y m e 穗o d sw h l e 魏8 f e m e n t i o n e di sb u i l tw i t hm a t l a b ，s i m u l i 政t 0 0 1 t h e s i t u a t i o n si n c l u d ea c t l v ep o w e r n o 眠h a 微o n i cs u p p r e s s i o n ， r c a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ， r e s p o 觳s e o ft h el o a d e 酗嫩g i n 昏a n d 氇ep o w e rd i s t r 洳u t i n g o nc o m p o n e 芏l t s a f ea n a l y z e di n & t a l l - 。l h e r e s u l t sp r o v et h a tt h em e t h o d s ，i n c l u d i n gs t m c t l l r e s ，d e t e c t i n g s y s t e m sa n dc o n t r o i s t 珑t 霉窑i e s ，w 纛i e 蠢a f e 攥强i o 薤e 南a 愆c o f 辩e la 拄d8 v 鑫i l 西l e i 纛瓣鑫1 1 z 鑫圭羚氛 k e vw o r d s ：弧f e e p h a s e 雒ds i n g l e - p h a s et r a n s f o f m ；c 锻f 嘲b a l 滋c e c o m p e 媛s a t l o n ； b a l a n c et r a n s f o r 擞e f ；n e g a t i v es e q u e n c e c u r r e n t ；h a f m o n l c sd e t e c t ； h y s t e r e s i sc o n t r o l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声骧：所里交酶论文是本入在导渐靛指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文酶研究徽毒重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：下乡咿墨期：力够车影月? 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关裸留、使用学位论文嚣规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阕。本入授权湖南大学可以将本学位论文翡全豁或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权警。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“寸) 日期：沙够年彩月尹日 墨期：如吁年绷7 墨 博士学位论文 第l 章绪论 1 1三相一单相供电问题的提出 当前蓬内电力系统采用的是国际通章亍的三相交流供电系统。隧着近年来匡民 经济的飞速发展，各行各业对电力的需求越来越大，对电能的要求也越来越高， 两其中很大一部分来叁于单檩负荷雳户。主要包括：电气化铁邀牵引供瞧系统、 油井供电、工业冶炼用电、以及各类城市居民用电等等。这些单相负荷大多具有 重载、多变、低功率因数、高谐波的特点，造成了电力系统不对称运行，影响电 隧安全可靠运行，降低了供电质量，增麓了熊耗。 另一方面，由于应用场合变化，仅有单相供电系统如上面提到的电气化 铁道牵弓| 供电系统；或者由于地理位置和用电负荷分布的困难，导致三橡输电系 统的建设成本较高，只能采用单相供电方式如对部分山区或者自然村落分布 稀疏的地区的供电。以上情况仅有单相交流提供却常常又要用到三相负荷。如何 为它们提供优质的三楣电压也是值得研究的问题。 从用户的角度来说，希望电力系统能提供优质的电能供用户使用；而从电网 的角度来说，又希望用户负荷能为电曜的安全霹电能矮量麓改善徽密贡献。在三 相系统中的单相负荷用户，尤其是电气化铁道牵引供电系统和工业冶炼、化工用 户，在使用电网电能的同时也给三相电网带来了许多闯题，主要集中在；三相受 荷不对称、谐波污染和无功问题。而在单相电网对三相负荷的供电中，最主要的 问题是如何提高转换后三相输出电能质量和如何降低制造及运行的成本。 1 1 1单相负荷造成三相系统不平衡 当三棚系统为正弦波形电动势，电压和电流的各相之间大小相同，而相位差 互为1 2 0 。对，则该系统称为三相对称系统；当三相系统总功率的瞬时值为与时 间无关的恒量时，则该系统称为平衡的三相系统【1 4 1 。 在理想麓交流供电系统中，三裾交流是乎衡的，其方均根篷和频率都是恒量， 电压和电流的波形为正弦无畸变。平衡三相的瞬时总功率p 恰与其平均功率尸相 等： p 。= p 。+ p b + p 。 = l 乞t + 蚝乇+ 蚝e ( 1 1 ) = 3 潞s 爹= p 当三相系统的电流、电压大小不等或相位差不为1 2 0 。时，则此三相系统的 基于甲衡变压器三相一单相变换供电方式研究 电流或电压是不对称也是不平衡的。 电力系统三相不平衡是由于三相负载及系统元件三相参数不对称所致。最常 见的单相负荷是电气化铁道牵引供电系统：对于线路上的电力机车来说它是单相 供电电源，对于所在电网来说则是很大的单相多变性的负荷。目前我国多采用普 通三相电力变压器、平衡变压器和单相变压器作为牵引供电电源，大的冶炼和石 化企业也有着很大韵单相负荷。 在大功率的单相负荷直接连接至三相电源时，将导致三相系统的不平衡，这 时对于发电、输电和变电设备的运行都会带来不良影响和危害【5 。9 j ： ( 1 ) 三相不平衡负荷产生的负序电流将增大同步电机的附加损耗和转子发 热，其次是附加振动。并且由于单相负荷引起发电机的不对称运行，从发电机的 安全运行考虑，其每相电流均不应超过额定值，因此实际上限制了发电机的出力。 ( 2 )负序电流的增大有可能使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置 误动作。比如1 9 9 0 年4 月，山西省晋东南电网由于太焦线电气铁道的谐波和负序 干扰，引起漳泽电厂j g x 1 1 a 型高频保护动作，使2 2 0 k v 长治变电站及9 个 3 5 2 2 0 k v 变电站全部停电，甩负荷1 0 0 m w 以上，使电网和用户均遭受重大损失。 所以，为消除负序的影响，将增加继电保护装置的复杂性、降低可靠性。 ( 3 )负序电流造成三相电流不平衡，因而电力变压器三相电流中有一相电 流最大而不能有效发挥变压器的额定出力，使变压器有效利用率下降。另外还造 成变压器漏磁增加和局部过热。 ( 4 )负序电流经过输电线路时，还会造成电能的损失，电网线损增大，降 低了电网输送能力。 1 1 2单相负荷带来的谐波和无功问题 如果供电系统中有非线性元件和负荷，即使供电电压为正弦波形，其电流波 形将偏离正弦波形发生畸变；而非正弦波形的电流在供电系统中传递，由于沿途 电压降使得供电点的电压波形也将受其影响而产生不同程度的畸变。大量的非线 性负荷是引起供电系统的电流和电压波形产生畸变的主要原因。 最主要的单相非线性负荷是电气化铁道牵引供电系统。牵引供电系统既是电 力机车的电源，也是电力系统的负载。而在电力机车中，相控整流的直流机车目 前还占多数，它可以看作一个感性的、带反电动势的负载。由于电感的存在，以 及相控整流的结果，使得其电流滞后于电压且近似于方波，因此牵引供电系统中 的电流含有大量的奇次谐波成分，且功率因数较低。目前，电气化铁道牵引供电 系统是电力系统中最大的谐波源【10 1 。此外，电弧炉、电弧焊机等含电弧特性的设 备，电力变压器、铁心电抗器等含有磁饱和特性的设备，还有电解冶炼和石油化 工的负荷也是电力系统中占比重较大的谐波源。 博士学位论文 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，非线性负荷将日益增多，供电 系统中波形偏离正弦的畸变程度日趋严重，降低了，供电质量，对电力系统和用电 设备将产生严重的谐波污染和危害。 谐波对公用电网和其它系统的影响主要有以下几个方面【l 1 0 4 】： ( 1 ) 谐波使公用电网中的设备产生附加的功率损耗，降低发电、输电及用电 设备的效率。在三相四线靠【 电网系统中，零线会由于流过零序和3 饮及其倍数次 谐波电流，可能造成零线过热，甚至引发火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使旋转电机( 发电机和电动机) 发 热、产生脉动转矩和噪声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、 绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 ( 3 ) 谐波会导致继电保护和自动控制装置的误动或拒动，并使电气测量仪表 的计量不准确。 ( 4 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重 者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 7 ( 5 ) 会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就 使前几个方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。 而无功对电力系统的影响主要有以下几个方面： ( 1 ) 降低了发电机的出力，使发电设备效率降低，发电成本提高。 ( 2 ) 降低了输变电设备的供电能力。 ( 3 ) 使电网的附加损耗增加，功率因数降低。 ( 4 ) 无功功率的变化可造成电压的剧烈波动，影响供电质量，并对电网中 的用电设备产生不良影响。 1 1 3单相对三相供电的质量问题 单相对三相供电主要用在由于各种原因三相供电方式达不到的场合，如某些 山区农村用电网和电力机车的辅助电源系统，此外城乡居民住宅用电也均为单相 电源。这些场合仅有单相供电，有时却要用到三相负荷。由分析可知，从单相系 统到三相系统的直接转变是无法做到的，必须要经过某种转换方式来实现【1 5 。17 1 。 在电气化铁道中，电力机车辅助电源系统需要将单相电源变换为三相电源才 能使用。早期通常采用的是电动发电机组或劈相机向辅助电机供电的方式。这类 系统技术较简单，但也存在着体积大、噪声大、维护工作量大等诸多缺点；而采 用劈相机工作时在三相负荷发生变化时，其输出三相电压的平衡度亦会发生较大 变化，将影响到电机的使用寿命。近年来，随着电力电子功率器件的发展，单相 变三相变流器得到了广泛使用，三相输出电能质量得到保障，但由于所有的输出 功率都由功率器件承担，因此对功率开关器件的承受要求也比较苛刻，在大功率 基于平衡变压器三相一单相变换供电方式研究 输出能力方面目前还难以实现。 而对于农村单相电网，线路较长，农闲季节和农忙季节的用电量峰谷起伏较 大，考虑到经济效益，农村电网建设投资较少，稳定性相对较脆弱。而受技术水 平和资金投入所限，在需要用到三相电时，电工往往习惯采用劈相机或者电容移 相的方式来构造三相电压，而所构造的三相电压输出无论从幅值还是相位都很难 达到标准【”】。这使得一方面对三相电机造成损害，另一方面，也影响到了单相电 网的稳定。 1 2 目前国内外对三相一单相变换供电方式的研究 为了解决这类问题，学术界和工程界提出了多种三相变单相以及单相变三相 ( 在此统称为三相单相变换) 的变换供电理论和方法，以下分别加以叙述。 1 2 1三相系统对单相负荷供电常用方式 由于三相系统中的单相负荷的比重依然较大，采取适当的措施将电力系统正 常运行时三相不平衡度控制在一定范围内，以保证对用户的供电质量是电业部门 的主要职责之一。目前较常用的三相系统对单相负荷供电的方式有； 1 相序轮换接入法或平均分配负荷法【1 9 2 0 】 相序轮换接入法通常在电气化铁道的牵引变电所采用，当线路上各个变电所 由同一个电力系统供电时，各牵引变电所采用单相变压器在电力系统中引起的总 的负序电流与每个牵引变电所引入的相序有关。为了减少对电力系统的不对称影 响，通常采用相序轮换接入单相变压器，如图1 1 。这种方法简单易行，一般采 用单相变压器和v 型变压器的牵引变电所均以换相法接入电力系统。但是对于电 网而言，牵引变电所仍然是个单相负荷，由于机车运行的随机性，使得这种方法 并不能完全抑制电气化铁道供电系统带来的负序对邻近发电厂和特殊用户的影 响。 a 相 b 相 c 相 三相电网 图1 1 三相相序轮换接入法 平均分配负荷法通常为配电网采用。对于只需单相供电的用户，可以根据估 算的供电功率分相分配，使总的不平衡度减小，见图1 2 。但由于存在不同用户 在不同时段的用电并不一致，不可以随时调整负荷分配等因素，因此实际上也很 博士学位论文 图1 2 平均分配负荷法 难达到预期的平衡效果。 2 采用电容器或者电抗器的移相法【2 1 铂】 前面提到，平衡的三相系统总功率是恒定的且与时间无关，而不平衡的三相 系统的总功率却是在其平均值的上下波动，因此将不平衡三相系统变换成平衡三 相系统时，在变换设备中应该有能暂时储存电磁能量的电感线圈或电容器类的电 路元件。可以导出一般不平衡三相负荷的平衡化原理( s t e i 姗e t z 原理) 。 uu阢 a ) 单相电阻负荷b ) 平衡化三相系统 图1 3 三相平衡化电路 最简单的例子如图1 3 ( a ) 所示的单相电阻负荷r ，它就是一个不平衡三相 系统。而如图1 3 ( b ) 所示，在其它两相分别配以感抗为国三= 歹尺的电感和容 一 抗为_ = 一- 3 r 的电容，二者产生谐振，则可构成平衡的三相系统。该平衡三 ，缈【， 相系统的相量图如图1 4 所示。 基于平衡变压器三相一单相变换供电方式研究 阢仉 图1 4 三相平衡化电路的相量图 这种方法的优点是设备简单可靠，成本低廉，对固定的线性的负荷有较好效 果。但它的动态响应性能差，负载发生变化时其三相输出电压、电流均将发生较 大改变；元件匹配困难；对于谐波没有抑制能力。 3 三相变单相交流器的应用 理想的三相系统应使无功功率就地平衡，使线损最小，发挥供电系统的最大 容量以降低供电费用。而通常的在用户端或者配电变电所加挂补偿电容器和电抗 器的作法仍存在很多缺陷，因而需要一种动态的补偿方法。 a ) 三相侧二极管整流逆变电源b ) 三相侧开关管电压型整流逆变电源 图1 5 三相，单相变流器拓扑 一种方法是利用三相输入单相输出的电力电子变流器对功率较大的或者是 很大的单相负荷提供高质量电能【2 7 。3 0 1 。此类变流器的种类很多，应用比较广泛的 交直交变流器结构如图1 5 所示。目前电压型变流器应用较为广泛，电流型变流 器由于其电抗器的消耗过大等因素，应用较少。从图中可看到，变流器的输入端 是三相输入，输出端是单相逆变输出。输入端可采用三相桥二极管整流电路，也 可以采用三相桥p w m 整流电路；单相逆变输出电压可根据用户负荷需要调频调 幅。这种方式的优点是三相电流必然平衡，当采用p w m 整流电路时还可实现对 输入功率因数的调整及对谐波的抑制；但使用的开关器件较多，控制也比较复杂。 另一种应用是补偿法，即在负荷供电输入端接潮流控制装置或投切式补偿装 置【3 1 ，32 1 。如图1 6 的工作示意图，通过控制开关管的通断，使三相系统无功功率 博士学位论文 图1 6 三相电网中对单相负荷的补偿装置工作示意图 得到统一控制，并且可以提供一定量的有功功率。这种方式可以补偿无功、缓解 三相不平衡度，同时还能起到抑制谐波的作用。 4 利用平衡变压器实现三相变两相的平衡变换【3 3 。4 2 】 平衡变压器( b a l a n c et r a n s f o m e r ) 是三相变两相变压器的总称，其原边接三 相电网系统，副边输出为两个相互正交的电压，可以看作两个单相电压。当两相 所接单相负载相等时，体现在三相侧的电流是平衡且对称的；当两相所接单相负 载不相等时，体现到三相侧的电流是仍然是平衡但不对称，也不会产生零序电流。 虽然大多数情况下两侧单相负载并不相等，平衡变压器难以做到完全抑制负序电 流的影响，但大量实验数据表明，在相同的不均负载条件下，平衡变压器相对于 普通单相接法或v 型接法的电力变压器来说，三相侧负序电流更小，不平衡度更 低。因此平衡变压器可以起到抑制不平衡度的作用，是解决单相负荷导致三相不 平衡问题的方法之一，目前在电气化铁道牵引供电系统中应用比较广泛。但它本 身仅具有能量传导和系统向量变换的功能，并不具有谐波抑制的能力。 1 2 2单相系统对三相负荷供电常用方式 由于单相系统已经证明不能直接构建三相系统，因此需要采取一定的转换方 式进行转换。 目前较为常用的转换方式有： 1 移相法 此处提到的移相法与前面提到的向单相负荷供电的移相法是同一种方法的逆 运算，在此处输入为单相，而输出为三相。 这种方法在负载为线性且无功元件匹配恰当时，能获得对称的三相负载电压； 但如果无功元件匹配失当或者负载发生变化时，负载的三相电压、电流均将发生 变化，不平衡度增加，严重的时候可导致用电器的损坏。 移相法的优点是设备简单、成本低廉，但元件匹配困难，只能针对固定线性 负载提供电能。 2 电动发电方式 电动发电方式( m o t o r g e n e r a t o rs e t ) 是指单相电源驱动单相电动机拖动三 基于平衡变压器相一单相变换供电方式研冗 相发电机输出三相电压，供给三相负荷用电。这种方法隔离了三相输出和单相输 入，且输出的三相电压具有较高的平衡度。但由于成本较高，转换效率较低等原 因，应用范围较小。 3 劈相机 劈相机( i 冲c r o t a 巧p h a s ec o n v e r t e r ) 也是感应电机的一种，其中两