CN107104450A - 一种三相变单相平衡变压器控制方法 - Google Patents

一种三相变单相平衡变压器控制方法 Download PDF

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Abstract

一种三相变单相平衡变压器控制方法，所述方法以三相变单相平衡变压器为基础，通过变比设计，将副边两相串联作为单相使用，再以电感、电容及2相3线制逆变器构成综合补偿单元，对无功补偿电容器、移相电容电感的投切以及对2相3线逆变器输出电流的控制实现三相变单相平衡变压器的无级无差自动平衡。本发明方法可以实现单相负荷的高功率因数无级无差自动三相分配，有效解决了单相大负荷容易造成配变台区三相不平衡的问题；通过晶闸管投切电容器及逆变器的容量配合，装置的经济性和平衡效果能够达到最优；在不同的目标下，通过对补偿策略的调整，还可以对线路无功进行调节，间接补偿线路电压，实现台区的综合治理。

Description

一种三相变单相平衡变压器控制方法
技术领域
本发明涉及一种三相变单相平衡变压器控制方法，属变压器技术领域。
背景技术
低压配电台区由于用户接入随机性造成三相负荷不平衡，三相线路流过的电流有可能差别很大，零线流过的电流也很大，引起严重的供电电压质量及损耗问题。由于零线上流过很大电流产生压降较大，末端用户的中性点发生了偏移，造成有些相电压过高，用户用电器绝缘老化，使用寿命减少；有些相用户电压过低，部分用电器无法启动，直接影响了用户的用电体验。三相不平衡造成的另一个问题是台区线损增大。在三相基本平衡的台区，线路及配变的三相容量能够得到了充分利用，理论上零线上无电流流过不产生损耗。而在三相不平衡台区，线路及变压器三相流过的电流不相等，零线上也流过电流，造成线路及配变损耗增大。
在农村地区由于用户分散居住的原因，三相四线全覆盖的成本过高，用户一般通过单相接入电网的方式进行供电。三相低压配电网由于用户用电负荷大小、用电时间等随机性负荷的影响，不平衡情况严重。
现阶段对用户侧的不平衡补偿一般通过负荷换相装置或人工调相的方式实现。换相装置需要在用户或线路上安装负荷切换开关，成本较高，切换时会引起电压瞬时跌落，对用户用电造成影响；人工调相存在难以获取用户侧负荷数据，调相工作量大，调相效果不明显；两种方法均未大范围推广应用。
三相变单相变压器在低压大负荷场合有所应用，如论文《低压大电流三相变单相变压器研究》提出了一种利用SCOTT变压器及移相电容器进行三相变单相平衡供电的装置，可以应用于低压稳定大电流场合。但在低压台区，用户负荷变化大将会使该装置频繁投切，造成装置投切开关寿命显著下降，实用性受限。
单相负荷无规划的直接接入三相线路可能造成三相严重不平衡。平衡变压器可以实现三相变两相供电，当两相负荷性质完全相同(即负荷大小相等，功率因数相同)时，原边三相可以达到完全平衡，功率因数为副边负荷功率因数。但除某些特定应用场合外，副边两相负荷难以完全匹配，仍然造成原边三相不平衡。
发明内容
本发明的目的是，为了解决单相负荷无规划的直接接入三相线路可能造成三相严重不平衡问题，本发明提出一种三相变单相平衡变压器控制方法。
本发明实现的技术方案如下：一种三相变单相平衡变压器控制方法，以三相变单相平衡变压器为基础，通过变比设计，将副边两相串联作为单相使用，再以电感、电容及2相3线制逆变器构成综合补偿单元，对无功补偿电容器、移相电容电感的投切以及对2相3线逆变器的输出电流控制实现三相变单相平衡变压器的无级无差自动平衡。
所述方法以负载电流的检测为基础，计算其中的无功电流获得需要投切的无功补偿电容器及逆变器需要补偿的无功电流；通过计算负载有功电流的大小获得需要投切的移相电容电感及逆变器需要补偿的移相电流；通过计算逆变器直流电压指令值与实际直流电压的偏差，采用PI控制获得需要从平衡变压器单相侧吸收的有功电流；逆变器需要补偿的无功电流与逆变器需要补偿的移相电流及逆变器需要从平衡变压器单相侧吸收的有功电流的叠加共同构成了逆变器的指令电流；逆变器输出电流跟踪控制采用无差拍控制，实现对指令电流的实时无差跟踪。
所述逆变器需要补偿电流的指令表达式为：
其中，IM_REFP为M相需要补偿的有功电流；IM_REFQ为M相需要补偿的无功电流；IT_REFP为T相需要补偿的有功电流；IT_REFQ为T相需要补偿的无功电流；IMTR为综合补偿单元的无源部分对一部分负载进行补偿后，剩余负载电流；δ为剩余负载电流的功率因数角。
所述剩余负载电流IMTR为：
其中，IMR为剩余M变移相电流；IQR为剩余无功补偿电流；
其中，IMTR为有功电流；UMT为M变负载电压；CP为无功补偿电容；CP0为每组无功补偿电容大小；
其中，CT为T变移相电容；CT0为每组T变移相电容大小；UM为M变电压。
所述功率因数角δ为：
其中，IMR为剩余M变移相电流；IQR为剩余无功补偿电流。
所述逆变器输出电流采用无差拍控制，通过对被控制量指令值和采样值的误差比较，计算出控制信号并用该控制信号进行控制使输出跟踪指令值；
M相电流指令值iM_ref为补偿指令iloadM_ref与直流侧稳压电流指令idcM_ref叠加，T相和零相叠加方式相同：
其中，do(k)为逆变器零相上桥臂IGBT占空比；dT(k)为逆变器T相上桥臂IGBT占空比；dM(k)为逆变器M相上桥臂IGBT占空比；io(k)为逆变器零相实际输出电流瞬时值；iT(k)为逆变器T相实际输出电流瞬时值；iM(k)为逆变器M相实际输出电流瞬时值；其中括号内k代表本控制周期；TS为逆变器IGBT的控制周期(等于逆变器IGBT开关频率的倒数)；UM为M变 电压瞬时值；UT为T变电压瞬时值。
本发明的有益效果是，
本发明所提出的三相变单相平衡变压器通过晶闸管投切电容电抗器及逆变器的综合补偿方法可以实现单相负荷的高功率因数无级无差自动三相分配，有效解决了单相大负荷容易造成配变台区三相不平衡的问题；通过晶闸管投切电容器及逆变器的容量配合，装置的经济性和平衡效果能够达到最优；在不同的目标下，通过对补偿策略的调整，还可以对线路无功进行调节，间接补偿线路电压，实现台区的综合治理。
附图说明
图1为三相变单相平衡变压器结构图；
图2为三相变单相平衡变压器电压电流相量图；
图3为综合补偿单元中有源部分补偿指令计算；
图4为综合补偿单元中有源部分需要补偿的电流示意图；
图5为逆变器直流侧的电压控制；
图6为逆变器T相电流跟踪控制框图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如下：
本实施例的控制方法是以三相变单相平衡变压器(Scott变压器)为基础，通过变比设计，将副边两相串联作为单相使用，再以电感、电容及2相3线制逆变器构成综合补偿单元，对无功补偿电容器、移相电容电感的投切以及对2相3线逆变器的输出电流控制实现三相变单相平衡变压器的无级无差自动平衡。三相变单相平衡变压器电路结构如图1所示。
计算逆变器需要补偿电流的指令：
考虑到一般场合下，负载为阻感负载。Scott变压器带阻感性负载时，电流为IMT,功率因数为三相变单相平衡变压器电压电流相量如图2所示。
其中，有功电流为IMTP,无功电流为IMTQ.
为使原边输入为三相平衡有功电流，则副边两相输出也必然为两相平衡有功电流。综合补偿单元需要完全补偿无功电流IMTQ,并同时将有功电流IMTP移相至与UM及UT同相，M变和T变移相电流分别为IML和ITC.
由式(2)可以看出，因UM和UT的正交特性，M变和T变移相电流IML和ITC大小相等，且分别滞后于UM,超前于UT。
如通过电容进行无功补偿，则无功补偿电容
M变移相电感LT和T变移相电容CT分别为：
且由于M变和T变移相电流相等，LT和CT满足
在实际应用中，无功补偿电容器和移相电容电感可以设置多组投切满足负荷波动的需求，假设无功补偿电容器设置有i组，每组电容大小为CP0；移相电容电感设置有j组，每组电容大小为CT0,每组电感大小为
通过分组投切，综合补偿单元中的无源部分补偿之后剩余无功补偿电流IQR
剩余M变移相电流IMR、T变移相电流ITR分别为
相当于综合补偿单元的无源部分对一部分负载进行了补偿，剩余负载的电流为：
功率因数角
剩余负载需要通过综合补偿单元的有源部分来进行补偿。有源部分为2相3线制逆变器，2相分别对应M变和T变，第3线对应M变和T变的公共零线。假设逆变器M相和T相需要补偿的电流分别为IM_REF及IT_REF，将补偿电流分别分解到UM和UT的同步相量和正交相量上，可以得到指令的计算式：
从式(10)可以看出，逆变器补偿的电流中IM_REFP与UM反向，IT_REFP与UT同相，且大小相等，说明补偿指令不会造成逆变器从scott变压器吸收或输出有功，只是在相间造成有功交换；IM_REFQ滞后UM，IT_REFQ超前UT，但不相等，说明补偿指令不仅在相间造成无功交换，同时与Scott变压器存在无功交换。综合补偿单元中有源部分补偿指令计算如图3所示，综合补偿单元中有源部分需要补偿的电流如图4所示。
计算得到M相和T相补偿指令后，直接叠加并反向后得到0相指令电流。
本实施例对逆变器直流侧电压控制：
由上可知，补偿指令并不会造成逆变器从Scott变压器吸收或输出有功，逆变器无需其他支路来保持自身有功平衡，只需要从Scott变压器吸收少量无功维持主回路电容器及功率器件等的损耗即可，直流侧电压控制采用传统PI控制。逆变器直流侧的电压控制如图5所示。
本实施例对逆变器输出电流跟踪控制：
本实施例逆变器输出电流采用无差拍控制，具有计算方式简单，跟踪效果好的特点。无差拍控制(Dead-Beat Control，DBC)的基本思想是，对***进行等周期间隔的控制，通过对被控制量指令值和采样值的误差比较，计算出控制信号并用该控制信号进行控制使输出跟踪指令值。无差拍控制的优势在于，每个周期的控制信号都会根据该周期的指令信号和采样反馈值进行修正，使得负载扰动引起的补偿偏差可在一个采样周期内得到修正。M相电流指令值iM_ref为补偿指令iloadM_ref与直流侧稳压电流指令idcM_ref叠加，T相和零相叠加方式相同。
T相电流跟踪控制框图如图6所示，M相控制方式与T相类似，零相为T相和M相电压基准，因此无电压前馈值。

Claims (6)

1.一种三相变单相平衡变压器控制方法，其特征在于，所述方法以三相变单相平衡变压器为基础，通过变比设计，将副边两相串联作为单相使用，再以电感、电容及2相3线制逆变器构成综合补偿单元，对无功补偿电容器、移相电容电感的投切以及对2相3线逆变器输出电流的控制实现三相变单相平衡变压器的无级无差自动平衡；
所述逆变器输出电流的控制以负载电流的检测为基础，计算负载无功电流的大小获得需要投切的无功补偿电容器及逆变器需要补偿的无功电流；通过计算负载有功电流的大小获得需要投切的移相电容电感及逆变器需要补偿的移相电流；通过计算逆变器直流电压指令值与实际直流电压的偏差，采用PI控制获得需要从平衡变压器单相侧吸收的有功电流，对逆变器直流侧电压进行控制；逆变器需要补偿的无功电流与逆变器需要补偿的移相电流及逆变器需要从平衡变压器单相侧吸收的有功电流的叠加共同构成了逆变器的指令电流；逆变器输出电流跟踪控制采用无差拍控制，实现对指令电流的实时无差跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种三相变单相平衡变压器控制方法，其特征在于，所述逆变器的指令电流为：
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其中，IM_REFP为M相需要补偿的有功电流；IM_REFQ为M相需要补偿的无功电流；IT_REFP为T相需要补偿的有功电流；IT_REFQ为T相需要补偿的无功电流；IMTR为综合补偿单元的无源部分对一部分负载进行补偿后，剩余负载电流；δ为剩余负载电流的功率因数角。
3.根据权利要求2所述的一种三相变单相平衡变压器控制方法，其特征在于，所述剩余负载电流IMTR为：
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其中，IMR为剩余M变移相电流；IQR为剩余无功补偿电流；
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其中，IMTR为有功电流；UMT为M变负载电压；CP为无功补偿电容；CP0为每组无功补偿电容大小；
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其中，CT为T变移相电容；CT0为每组T变移相电容大小；UM为M变电压。
4.根据权利要求2所述的一种三相变单相平衡变压器控制方法，其特征在于，所述功率因数角δ为：
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其中，IMR为剩余M变移相电流；IQR为剩余无功补偿电流。
5.根据权利要求1所述的一种三相变单相平衡变压器控制方法，其特征在于，所述逆变器输出电流采用无差拍控制，通过对被控制量指令值和采样值的误差比较，计算出控制信号并用该控制信号进行控制使输出跟踪指令值；
M相电流指令值iM_ref为补偿指令iloadM_ref与直流侧稳压电流指令idcM_ref叠加，T相和零相叠加方式相同：
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其中，do(k)为逆变器零相上桥臂IGBT占空比；dT(k)为逆变器T相上桥臂IGBT占空比；dM(k)为逆变器M相上桥臂IGBT占空比；io(k)为逆变器零相实际输出电流瞬时值；iT(k)为逆变器T相实际输出电流瞬时值；iM(k)为逆变器M相实际输出电流瞬时值；其中括号内k代表本控制周期；TS为逆变器IGBT的控制周期(等于逆变器IGBT开关频率的倒数)；UM为M变电压瞬时值；UT为T变电压瞬时值；
从上式可以看出，逆变器补偿的电流中IM_REFP与UM反向，IT_REFP与UT同相，且大小相等，说明补偿指令不会造成逆变器从scott变压器吸收或输出有功，只是在相间造成有功交换；IM_REFQ滞后UM，IT_REFQ超前UT，但不相等，说明补偿指令不仅在相间造成无功交换，同时与Scott变压器存在无功交换。
6.根据权利要求1所述的一种三相变单相平衡变压器控制方法，其特征在于，所述综合补偿单元包括2相3线制逆变器、无功补偿电容CP、T变移相电容CT和M变移相电感LT；2相3线制逆变器分别连接T变副绕组一端、M变副绕组一端、T变和M变副边绕组串联的公共连接点；M变移相电感LT与投切开关串联后并联在M变副绕组两端；T变移相电容CT与投切开关串联后并联在T变副绕组两端；无功补偿电容CP与投切开关串联后并联在T变和M变副边绕组串联的两端。
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