基于平衡变压器三相—单相变换供电方式研究

论文摘要

随着社会对电力需求的增大及对电能质量要求的提高,电网中的负序、谐波以及无功等问题越来越受到关注,各种不对称负载和非线性负载是造成电力系统电能质量降低的主要原因,其中包括了电气化铁道牵引供电系统和冶炼、石化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间的平衡转换为研究主题,以实现对负序、谐波以及无功的综合治理为目标,具有重要的理论意义和实际应用价值。首先对基于平衡变压器和移相法相结合的三相-单相供电方式进行了研究。根据当前各种常用的平衡变压器的结构得出了平衡变换的共性,分析了平衡变压器三相-两相之间平衡变换的原理;提出了基于移相法的三相-单相供电方式,该供电方式利用平衡变压器两相侧电压相位的正交特性,从而简化了匹配元件的计算;讨论了其三相–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负载给出了三种不同的接线方式,并推导了其匹配元件参数的计算公式;讨论了由匹配元件参数的误差和负载在一定范围内变化引起的三相侧电流负序分量的变化情况,给出了抑制此类负序电流的一种解决方法。并对所提出的方法进行了仿真和实验。针对在两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,本文提出了电力电子三相变单相平衡补偿供电方式结构。其整体结构由交-直-交单相逆变器与平衡变压器两相侧并联组成,通过调节α、β两相之间电流有功分量的流动,把负载较轻一相的有功电流分配给负载较重的一相,使平衡变压器两相侧的输出电流正交对称,从而消除三相侧产生负序电流的条件;同时由于主电路采用了基于单相有源滤波器的结构,故还可起到补偿无功和抑制谐波的作用。对于某些仅有单相交流电源却要用到三相供电的场合,如偏远农村的单相电网等单相用户需使用三相电电源的情况,提出了一种基于平衡变压器的单相变三相对称供电方式。该方式将输入电源单相电压经换相变流器分出幅值相等、相位正交的两相电压,经平衡变压器转换为三相对称电压向三相负荷供电。与通常的单相变三相变流器供电方式相比,该方式用到的功率器件更少,承受的功率更小。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。根据三相变单相平衡补偿供电方式的电路结构,本文提出了一种基于鉴相法的双单相瞬时谐波电流检测方法。该方法通过计算α、β相负载电流中基波有功分量幅值的平均值,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出电流相位正交、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相瞬时电流检测方法,以保证单相电网的电能质量。提出了一种基于单相电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PWM控制策略,在保证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,确定了交流侧电感值、直流母线电容容量及直流母线电压等级的取值范围。最后,针对所提出的电力电子三相-单相变换供电方式,利用Matlab/Simulink构造了仿真系统,从有功电流的调剂、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相-单相变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、控制方法的正确性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 三相-单相供电问题的提出
• 1.1.1 单相负荷造成三相系统不平衡
• 1.1.2 单相负荷带来的谐波和无功问题
• 1.1.3 单相对三相供电的质量问题
• 1.2 目前国内外对三相-单相变换供电方式的研究
• 1.2.1 三相系统对单相负荷供电常用方式
• 1.2.2 单相系统对三相负荷供电常用方式
• 1.2.3 三相-单相供电中的谐波抑制
• 1.2.4 平衡变压器在三相-单相供电方式中的研究和发展
• 1.3 本文研究的意义及主要工作
• 1.3.1 研究的意义
• 1.3.2 主要研究内容与创新点
• 第2章 平衡变压器与移相法三相-单相变换研究
• 2.1 平衡变压器概述
• 2.1.1 斯科特接线变压器
• 2.1.2 李勃伦克接线变压器
• 2.1.3 伍德桥接线变压器
• 2.1.4 阻抗匹配平衡变压器
• /▽平衡变压器'>2.1.5 Y/>/▽平衡变压器
• 2.2 平衡变压器两相变三相逆向平衡变换研究
• 2.3 平衡变压器移相法三相-单相匹配元件取值公式研究
• 2.3.1 三相变单相移相法匹配元件取值公式研究
• 2.3.2 单相变三相移相法匹配元件取值公式研究
• 2.3.3 匹配元件误差导致的不平衡度研究
• 2.4 仿真实验结果
• 2.4.1 三相变单相移相法仿真波形及实验结果
• 2.4.2 单相变三相移相法的仿真波形及实验结果
• 2.5 用投切方式扩展负载匹配范围
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于平衡变压器的电力电子三相-单相变换供电方式研究
• 3.1 平衡变压器与变流器结合的构想提出
• 3.2 三相变单相平衡补偿供电方式
• 3.2.1 三相变单相平衡补偿供电方式主电路结构
• 3.2.2 三相变单相平衡补偿供电方式的工作原理
• 3.2.3 单相负载比例变化时平衡补偿装置的传递功率分析
• 3.3 基于平衡变压器的单相变三相对称供电方式
• 3.3.1 单相变三相对称供电方式主电路结构
• 3.3.2 单相变三相对称供电方式的工作原理
• 3.4 三相-单相变换供电方式应用中需注意的若干方面
• 3.4.1 三相-单相变换供电方式下平衡变压器的选用
• 3.4.2 三相变单相供电方式下的级联和多电平构造
• 3.5 本章小结
• 第4章 电力电子三相-单相变换供电方式的信号检测及控制策略研究
• 4.1 单相电路谐波及无功信号的检测方法
• 4.1.1 常规检测方法
• 4.1.2 鉴相法
• 4.1.3 单相瞬时无功功率法
• 4.2 三相-单相供电方式中的电流电压参考信号检测方法
• 4.2.1 三相变单相平衡补偿供电方式中的参考电流检测
• 4.2.2 单相变三相对称供电方式中的整流侧参考电流检测
• 4.2.3 单相变三相对称供电方式中的逆变侧输出电压信号的发生
• 4.3 前置低通滤波器的设计
• 4.4 变流器的控制
• 4.4.1 电流控制策略
• 4.4.2 基于电压矢量的滞环控制方法
• 4.4.3 逆变电压控制
• 4.5 直流侧电压的控制
• 4.6 本章小结
• 第5章 电力电子三相-单相供电方式的元件选型设计及仿真实验研究
• 5.1 交流侧电感参数设计
• 5.1.1 跟踪指令电流变化的交流侧电感取值范围
• 5.1.2 限制电流纹波幅值的交流侧电感取值范围
• 5.2 直流侧电容参数设计
• 5.2.1 直流侧电压取值
• 5.2.2 直流侧电容容量设计
• 5.3 功率开关器件的选择
• 5.4 三相变单相变换供电方式的仿真研究
• 5.4.1 调剂有功电流的仿真
• 5.4.2 抑制谐波和补偿无功的仿真
• 5.4.3 负载发生变化时的仿真
• 5.5 单相变三相变换供电方式的仿真研究
• 5.5.1 验证电压变换的仿真分析
• 5.5.2 功率分配验证的仿真
• 5.5.3 三相负载不对称情况的仿真
• 5.5.4 对负载谐波抑制的仿真
• 5.6 本章小结
• 结论
• 1. 本文结论
• 2. 进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间发表的论文
• 附录 B 攻读学位期间参与的科研项目