整理三相不平衡

精品文档三相不平衡介绍一、三相不平衡概述三相电气系统如果三相电压和电流具有相同的幅值、并且相位互相差120°，则被称为平衡或对称的系统。如果其中的一个或两个条件不满足，则称为不对称或不平衡的系统。若三相的负荷阻抗相同且均为线性阻抗，则三相的电流都是正弦波，且频率相同，幅度相同，相位互差120度。正序、负序、零序的出现是为了量化三相系统电压或电流的不平衡，分析在系统电压、电流出现不对称现象时，把三相的不对称分量分解成对称分量（正、负序）及同向的零序分量。只要是三相系统，就能分解出上述三个分量（有点象力的合成与分解，但很多情况下某个分量的数值为零）。对于理想的电力系统，由于三相对称，因此负序和零序分量的数值都为零（这就是我们常说正常状态下只有正序分量的原因）。当系统出现故障时，三相变得不对称了，这时就能分解出有幅值的负序和零序分量度了（有时只有其中的一种），因此通过检测这两个不应正常出现的分量，就可以知到系统出了毛病（特别是单相接地时的零序分量）。下面再介绍用作图法简单得出各分量幅值与相角的方法，先决条件是已知三相的电压或电流（矢量值），当然实际工程上是直接测各分量的。1）求零序分量：把三个向量相加求和。即A相不动，B相的原点平移到A相的顶端（箭头处），注意B相只是平移，不能转动。同方法把C相的平移到B相的顶端。此时作A相原点到C相顶端的向量（些时是箭头对箭头），这个向量就是三相向量之和。最后取此向量幅值的三分之一，这就是零序分量的幅值，方向与此向量是一样的。2）求正序分量：对原来三相向量图先作下面的处理：A相的不动，B相逆时针转120度，C相顺时针转120度，因此得到新的向量图。按上述方法把此向量图三相相加及取三分之一，这就得到正序的A相，用A相向量的幅值按相差120度的方法分别画出B、C两相。这就得出了正序分量。3）求负序分量：注意原向量图的处理方法与求正序时不一样。A相的不动，B相顺时针转120度，C相逆时针转120度，因此得到新的向量图。下面的方法就与正序时一样了。精品文档

精品文档三相系统分解成所谓的正序、负序和零序系统，用下标p、n、0来表示。用下标a、b、c来表示不同的相。这里的数学表达式是针对电压U而言，但是这个变量可以用电流I替代，没有任何问题：U01111UaU1aa2UP~3bU1a2aUnc式中旋转算子a的计算公式为:.,Oa=ej120这些变换是能量恒定的，因此，采用原有值或转换值计算出的任何电能量具有相同的结果。逆变换为:UaUb1aa2U0UPUc1aa2U0UPUcna）一.相不平-衡■交流量b）汇序分量。负序分员d）零序分量形象的描述，正序分量就是A相领先B相120°,B相领先C相120°,C相领先A相120°；负序分量就是A相落后B相120°,B相落后C相120°,C相落后A相120°。在电压和电流的正序和负序分量量值之间的比率 u（电压）和ur（电流）分别是不平衡的测量值（以%表示）： “ ‘U=100%*U/U注意：1、我们所讨论的正序、负序、零序分量都是针对于三相基波分量讨论的，谐波因为和基波的特殊关系，如果耦合到基波里，会体现出正负零序分量的特征，但是谐波是扰动，应尽量滤掉，以排除其对正负零序分量分析的干扰。精品文档精品文档2、这些分量，特别是正序和负序分量，在实际中不是直接测得的。对采样电压和电流进行以上数学运算的数字测量设备比采用传统模拟设备更加容易实施。二、整流过程的三相不平衡整流三相不平衡的影响PWM整流器运行时，通常存在两方面的不平衡：一类是PWM整流器本身参数不对称所导致的PWM整流器运行不平衡，另一类是二相电网不平衡。一般而言，PWM整流器本身参数不平衡虽然存在，但并不严重，若设计合理，则不会出现严重的不平衡状况，以至影响PWM整流器装置的正常运行。而电网可能出现较为严重的不平衡状况，从而影响三相PWM整流器的正常运行。对变流器的影响主要表现为：第一，电网不平衡情况下，在电网电压负序分量的作用下，将在PWM整流器交流侧产生幅值较大的负序电流分量，该负序电流可能使得三相PWM整流器交流电流严重不对称，出现某些相的电流远大于其他相的电流，轻则引起系统故障保护，重则严重威胁整流器的功率开关，甚至烧毁装置。因此若不对PWM整流器控制策略进行改进，在电网严重不稳定的区域，三相PWM整流器需要降额运行，这又给PWM整流器带来容量上的损失。第二，电网不平衡情况下，PWM整流器将在交流侧产生较大幅值的负序电流分量，而负序电流分量与正序开关函数的乘积以及正序电流与负序开关函数的乘积将使得三相PWM整流器直流电流中产生二次谐波分量，该谐波电流经直流电容和负载电阻滤波后，将在直流电压中产生二次谐波。而直流电压中的二次谐波与基波开关函数的乘积使得三相PWM整流器交流电压中包含三次谐波电压，进而在交流侧产生三次谐波电流。如此反复，电网不平衡条件下基于电网平衡条件设计的三相 PWM整流器直流电压中将存在2,4,…等偶次非特征谐波电压分量，而在交流电流中存在3,5，…等奇次非特征谐波电流分量。大量的低次谐波将引起电网电压的畸变，造成变压器和交流滤波电感损耗增加，工作温度上升，低次电流谐波产生的洛伦磁力引起变压器和滤波电感线圈的振动，产生大量的噪声等等一系列问题。为此，电网不平衡时必须对PWM整流器控制策略进行改进，消除因电网不平衡引起的低次谐波分量。第三，电网不平衡时，由于负序电网电动势和负序交流电流的存在，三相PWM整流器将从电网输入不平衡的瞬时功率，在这种情况下三相PWM整流器的运行可能使电网的不平衡变得更为严重。精品文档

精品文档控制分类针对不同的控制目的，控制策略可以分成两大类，一类是以控制三相VSR交流电流为对称三相正弦电流为控制目的的不平衡控制策略：另一类是以控制三相VSR功率平衡为目的的三相VSR不平衡控制策略。若根据电流内环的跟踪信号类型来分类，则又可以分成基于abc或aB静止坐标系的不平衡控制策略，和基于同步旋转dq坐标系的不平衡控制策略。若三相电网电压不平衡，且只考虑基波电压，则电网电压 E可描述为正序电压石八负序电压En和零序电压E0三者的合成，即E=Ep+En+E0eaebec=Epmcoseaebec=Epmcoscos&t+a_120。)Gt+a+120。)

p+EnmcosI3t+a)

cos&t+a+120°cos(3t+JN_120°)cos(3t+as0cos13t+a"SOcos\3t+a0)1)1式中，E式中，Ep、En、E0为正序、负序、零序基波电压峰值;mmm序、负序、零序基波电压的初始相位角。a、a、a为正上图为一个三相电压型整流器电路拓扑结构图，根据整流器工作原理和基尔霍夫电流定理我们可以得到整流器的数学模型为：

精品文档我们设零序分量为e0，那么有将其带入到整流器数学模型(2.1)将其带入到整流器数学模型(2.1)中:吟一“一?(2%_卫)+与吟一“一?(2%_卫)+与瑞=—电—”—df从式(3-3)中可知，e-e0、e-e0和e-e0均为不含有零序分量的电网电动势，即只含有相应的正序和负序分量。”这说明电网电动势的零序分量大小不会改变PWM整流器的模型结构，也不会对其工作产生任何作用。所以在PWM整流器的控制系统分析与设计过程中，无需再考虑电网零序电动势。此时PWM整流器的数学模型可简化为(2.3)根据此分析结果，我们也可以得出以下结论：对于三相三线制的不平衡电网电动势，如果它的幅值和相位都是不平衡的，那么可以通过增减一定的零序分量大小，能够将其变换为只有幅值不平衡或者只有相位不平衡的三相电网电动势，而在变换前后三相电网电动势的外特性(线电压)是不变的。基于正、负序电流独立控制的功率平衡控制策略精品文档

精品文档32iy*5wm|产三相PWM精品文档32iy*5wm|产三相PWM整流器在正、负序同步旋转坐标系下的模型方程:产* 出** "以3篙+叫+呀+曲U：由在电网电压不平衡状态下，三相PWM整流器网侧视在复功率的矢量表达式式中，J*川为的共朝复矢量；内式中，J*川为的共朝复矢量；内4效）分别为二相PWM整流器网侧瞬时有功功率、瞬时无动功率.精品文档精品文档可得:精品文档可得:(2.4)分=1.5闻小叶小E/+中：）

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二G科、3容易得出基于aB坐标系电流跟踪控制系统结构，如下图所示。由上述两个坐标系下的控制系统结构图可得：相对于基于正负坐标系的功率控制，基于aB坐标系的功率控制策略的电流内环控制器少了两个，控精品文档精品文档制结构简化了不少。三、逆变过程的三相不平衡逆变不平衡运行的原因：三相负载不平衡、三相变压器及交流滤波器的参数不对称，甚至单相负载运行等。逆变器输出阻抗不为零，则三相不平衡电流导致了输出电压不对称。三相不平衡负载是逆变器输出电压不平衡最主要的原因。任意不对称三相负载电流可以分解为正序、负序和零序三组对称分量，逆变器在三组对称负载电流分量分别作用的情况下，采用正序、负序和零序各自的单相等效电路就能方便地求得输出电压的三组对称分量，再利用叠加原理，由下式确定总的输出电压：UUUUoaoa+oa一oa0UU十U十Uobob+ob一ob0UUUUoc-o oc+」o一—Loc0」3.1输出电压不平衡特性分析与控制(a)正序分量如果采用以给定电压频率同步旋转坐标系(d-q轴系)中的控制器进行调节，经3相静止/2相旋转坐标变换，二相输出电压正序分量变为2个直流量：SSF次 L[ - 3) c(]3、缈4-工汛/可-sinav-siul；的-2不/3)—win十工打『3)c0电7y2xUjt+siiil/iF-2^/3Ic0电61:_1_44凶+271/3+伊卜式中1F分别为正序分量幅值和初相角.参考量和输出电压正序分量的反馈量都是直流量，同步旋转坐标系 PI控制器的积分作用能迫使正序输出量无静差地跟踪参考量。三相逆变器带平衡负载时能保持输出对称，平衡运行是三相正序分量的运行情况，也是不平衡运行的特例。三相静止坐标系控制器也能直接对三组对称分量进行补偿，然而这种控制器理论上不可能实现输出电压稳态无静差。精品文档

精品文档(b)负序分量负序输出电压变换到同步旋转坐标系可得：』，,，丑洌….+”L」 |_心。_3111\(i)r-2,7/?I丁］「L~ 」式中U-y分别为负序分量幅值和初相角.由上式可见，负序分量在同步旋转坐标系中变成2倍于基波频率的交流量，通常的同步旋转坐标系PI控制器不可能消除负序输出电压的误差。但是对同步旋转坐标系PID控制器进行合适的参数设计，可以削弱负序分量，使三相逆变器输出不平衡度得到有效抑制。根据正序分量的无静差调节原理，依次类推，另一种有效的控制方案是采用二组 PI控制器，一组PI控制器处在与给定电压矢量同向的同步旋转坐标系之中，另一组则在反向的同步旋转坐标系中；这样，负序分量在反向同步旋转坐标系中