本發(fā)明涉及一種三相變單相平衡變壓器控制方法，屬變壓器技術領域。

背景技術：

低壓配電臺區(qū)由于用戶接入隨機性造成三相負荷不平衡，三相線路流過的電流有可能差別很大，零線流過的電流也很大，引起嚴重的供電電壓質(zhì)量及損耗問題。由于零線上流過很大電流產(chǎn)生壓降較大，末端用戶的中性點發(fā)生了偏移，造成有些相電壓過高，用戶用電器絕緣老化，使用壽命減少；有些相用戶電壓過低，部分用電器無法啟動，直接影響了用戶的用電體驗。三相不平衡造成的另一個問題是臺區(qū)線損增大。在三相基本平衡的臺區(qū)，線路及配變的三相容量能夠得到了充分利用，理論上零線上無電流流過不產(chǎn)生損耗。而在三相不平衡臺區(qū)，線路及變壓器三相流過的電流不相等，零線上也流過電流，造成線路及配變損耗增大。

在農(nóng)村地區(qū)由于用戶分散居住的原因，三相四線全覆蓋的成本過高，用戶一般通過單相接入電網(wǎng)的方式進行供電。三相低壓配電網(wǎng)由于用戶用電負荷大小、用電時間等隨機性負荷的影響，不平衡情況嚴重。

現(xiàn)階段對用戶側的不平衡補償一般通過負荷換相裝置或人工調(diào)相的方式實現(xiàn)。換相裝置需要在用戶或線路上安裝負荷切換開關，成本較高，切換時會引起電壓瞬時跌落，對用戶用電造成影響；人工調(diào)相存在難以獲取用戶側負荷數(shù)據(jù)，調(diào)相工作量大，調(diào)相效果不明顯；兩種方法均未大范圍推廣應用。

三相變單相變壓器在低壓大負荷場合有所應用，如論文《低壓大電流三相變單相變壓器研究》提出了一種利用scott變壓器及移相電容器進行三相變單相平衡供電的裝置，可以應用于低壓穩(wěn)定大電流場合。但在低壓臺區(qū)，用戶負荷變化大將會使該裝置頻繁投切，造成裝置投切開關壽命顯著下降，實用性受限。

單相負荷無規(guī)劃的直接接入三相線路可能造成三相嚴重不平衡。平衡變壓器可以實現(xiàn)三相變兩相供電，當兩相負荷性質(zhì)完全相同(即負荷大小相等，功率因數(shù)相同)時，原邊三相可以達到完全平衡，功率因數(shù)為副邊負荷功率因數(shù)。但除某些特定應用場合外，副邊兩相負荷難以完全匹配，仍然造成原邊三相不平衡。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，為了解決單相負荷無規(guī)劃的直接接入三相線路可能造成三相嚴重不平衡問題，本發(fā)明提出一種三相變單相平衡變壓器控制方法。

本發(fā)明實現(xiàn)的技術方案如下：一種三相變單相平衡變壓器控制方法，以三相變單相平衡變壓器為基礎，通過變比設計，將副邊兩相串聯(lián)作為單相使用，再以電感、電容及2相3線制逆變器構成綜合補償單元，對無功補償電容器、移相電容電感的投切以及對2相3線逆變器的輸出電流控制實現(xiàn)三相變單相平衡變壓器的無級無差自動平衡。

所述方法以負載電流的檢測為基礎，計算其中的無功電流獲得需要投切的無功補償電容器及逆變器需要補償?shù)臒o功電流；通過計算負載有功電流的大小獲得需要投切的移相電容電感及逆變器需要補償?shù)囊葡嚯娏?；通過計算逆變器直流電壓指令值與實際直流電壓的偏差，采用pi控制獲得需要從平衡變壓器單相側吸收的有功電流；逆變器需要補償?shù)臒o功電流與逆變器需要補償?shù)囊葡嚯娏骷澳孀兤餍枰獜钠胶庾儔浩鲉蜗鄠任盏挠泄﹄娏鞯寞B加共同構成了逆變器的指令電流；逆變器輸出電流跟蹤控制采用無差拍控制，實現(xiàn)對指令電流的實時無差跟蹤。

所述逆變器需要補償電流的指令表達式為：

其中，im_refp為m相需要補償?shù)挠泄﹄娏?；im_refq為m相需要補償?shù)臒o功電流；it_refp為t相需要補償?shù)挠泄﹄娏鳎籭t_refq為t相需要補償?shù)臒o功電流；imtr為綜合補償單元的無源部分對一部分負載進行補償后，剩余負載電流；δ為剩余負載電流的功率因數(shù)角。

所述剩余負載電流imtr為：

其中，imr為剩余m變移相電流；iqr為剩余無功補償電流；

其中，imtr為有功電流；umt為m變負載電壓；cp為無功補償電容；cp0為每組無功補償電容大??；

其中，ct為t變移相電容；ct0為每組t變移相電容大??；um為m變電壓。

所述功率因數(shù)角δ為：

其中，imr為剩余m變移相電流；iqr為剩余無功補償電流。

所述逆變器輸出電流采用無差拍控制，通過對被控制量指令值和采樣值的誤差比較，計算出控制信號并用該控制信號進行控制使輸出跟蹤指令值；

m相電流指令值im_ref為補償指令iloadm_ref與直流側穩(wěn)壓電流指令idcm_ref疊加，t相和零相疊加方式相同：

其中，do(k)為逆變器零相上橋臂igbt占空比；dt(k)為逆變器t相上橋臂igbt占空比；dm(k)為逆變器m相上橋臂igbt占空比；io(k)為逆變器零相實際輸出電流瞬時值；it(k)為逆變器t相實際輸出電流瞬時值；im(k)為逆變器m相實際輸出電流瞬時值；其中括號內(nèi)k代表本控制周期；ts為逆變器igbt的控制周期(等于逆變器igbt開關頻率的倒數(shù))；um為m變電壓瞬時值；ut為t變電壓瞬時值。

本發(fā)明的有益效果是，

本發(fā)明所提出的三相變單相平衡變壓器通過晶閘管投切電容電抗器及逆變器的綜合補償方法可以實現(xiàn)單相負荷的高功率因數(shù)無級無差自動三相分配，有效解決了單相大負荷容易造成配變臺區(qū)三相不平衡的問題；通過晶閘管投切電容器及逆變器的容量配合，裝置的經(jīng)濟性和平衡效果能夠達到最優(yōu)；在不同的目標下，通過對補償策略的調(diào)整，還可以對線路無功進行調(diào)節(jié)，間接補償線路電壓，實現(xiàn)臺區(qū)的綜合治理。

附圖說明

圖1為三相變單相平衡變壓器結構圖；

圖2為三相變單相平衡變壓器電壓電流相量圖；

圖3為綜合補償單元中有源部分補償指令計算；

圖4為綜合補償單元中有源部分需要補償?shù)碾娏魇疽鈭D；

圖5為逆變器直流側的電壓控制；

圖6為逆變器t相電流跟蹤控制框圖。

具體實施方式

本發(fā)明的具體實施方式如下：

本實施例的控制方法是以三相變單相平衡變壓器(scott變壓器)為基礎，通過變比設計，將副邊兩相串聯(lián)作為單相使用，再以電感、電容及2相3線制逆變器構成綜合補償單元，對無功補償電容器、移相電容電感的投切以及對2相3線逆變器的輸出電流控制實現(xiàn)三相變單相平衡變壓器的無級無差自動平衡。三相變單相平衡變壓器電路結構如圖1所示。

計算逆變器需要補償電流的指令：

考慮到一般場合下，負載為阻感負載。scott變壓器帶阻感性負載時，電流為imt,功率因數(shù)為三相變單相平衡變壓器電壓電流相量如圖2所示。

其中，有功電流為imtp,無功電流為imtq.

為使原邊輸入為三相平衡有功電流，則副邊兩相輸出也必然為兩相平衡有功電流。綜合補償單元需要完全補償無功電流imtq,并同時將有功電流imtp移相至與um及ut同相，m變和t變移相電流分別為iml和itc.

由式(2)可以看出，因um和ut的正交特性，m變和t變移相電流iml和itc大小相等，且分別滯后于um,超前于ut。

如通過電容進行無功補償，則無功補償電容

m變移相電感l(wèi)t和t變移相電容ct分別為：

且由于m變和t變移相電流相等，lt和ct滿足

在實際應用中，無功補償電容器和移相電容電感可以設置多組投切滿足負荷波動的需求，假設無功補償電容器設置有i組，每組電容大小為cp0；移相電容電感設置有j組，每組電容大小為ct0,每組電感大小為

通過分組投切，綜合補償單元中的無源部分補償之后剩余無功補償電流iqr

剩余m變移相電流imr、t變移相電流itr分別為

相當于綜合補償單元的無源部分對一部分負載進行了補償，剩余負載的電流為：

功率因數(shù)角

剩余負載需要通過綜合補償單元的有源部分來進行補償。有源部分為2相3線制逆變器，2相分別對應m變和t變，第3線對應m變和t變的公共零線。假設逆變器m相和t相需要補償?shù)碾娏鞣謩e為im_ref及it_ref，將補償電流分別分解到um和ut的同步相量和正交相量上，可以得到指令的計算式：

從式(10)可以看出，逆變器補償?shù)碾娏髦衖m_refp與um反向，it_refp與ut同相，且大小相等，說明補償指令不會造成逆變器從scott變壓器吸收或輸出有功，只是在相間造成有功交換；im_refq滯后um，it_refq超前ut，但不相等，說明補償指令不僅在相間造成無功交換，同時與scott變壓器存在無功交換。綜合補償單元中有源部分補償指令計算如圖3所示，綜合補償單元中有源部分需要補償?shù)碾娏魅鐖D4所示。

計算得到m相和t相補償指令后，直接疊加并反向后得到0相指令電流。

本實施例對逆變器直流側電壓控制：

由上可知，補償指令并不會造成逆變器從scott變壓器吸收或輸出有功，逆變器無需其他支路來保持自身有功平衡，只需要從scott變壓器吸收少量無功維持主回路電容器及功率器件等的損耗即可，直流側電壓控制采用傳統(tǒng)pi控制。逆變器直流側的電壓控制如圖5所示。

本實施例對逆變器輸出電流跟蹤控制：

本實施例逆變器輸出電流采用無差拍控制，具有計算方式簡單，跟蹤效果好的特點。無差拍控制(dead-beatcontrol，dbc)的基本思想是，對系統(tǒng)進行等周期間隔的控制，通過對被控制量指令值和采樣值的誤差比較，計算出控制信號并用該控制信號進行控制使輸出跟蹤指令值。無差拍控制的優(yōu)勢在于，每個周期的控制信號都會根據(jù)該周期的指令信號和采樣反饋值進行修正，使得負載擾動引起的補償偏差可在一個采樣周期內(nèi)得到修正。m相電流指令值im_ref為補償指令iloadm_ref與直流側穩(wěn)壓電流指令idcm_ref疊加，t相和零相疊加方式相同。

t相電流跟蹤控制框圖如圖6所示，m相控制方式與t相類似，零相為t相和m相電壓基準，因此無電壓前饋值。