基于三相-单相交直交变换器的配电网供电方式研究

梁振锋，王彦超，周翔宇，2，张惠智，王晓卫

（1.西安理工大学电气工程学院，西安 710054；2.国网陕西省电力公司西咸新区供电公司，西安 712000）

0 引言

我国低压配电普遍采用三相四线制供电方式，用电负荷为单相、三相混合模式。三相负荷分配不均、小型企业单相随机接入、居民用电三相不同步等因素会造成三相不平衡现象。三相不平衡会加剧电压偏差、线损等问题，严重时会影响配电网安全稳定运行。因此三相不平衡的分析及治理得到了广泛研究[1-2]，治理方法可分为采用调节补偿装置和改进供电结构两类。

采用调节补偿装置的方法主要有：1）换相开关型调节装置[3-4]。该方法原理简单，但存在换相开关易损坏、不能连续调节等问题。2）需求侧响应[5]。如小区电动汽车充电桩自动选线装置的应用。3）相间补偿装置[6]。通过调整跨接在相间的电容或电感元件，优化有功功率分布。4）采用电力电子型调节装置[7]。第1、2 种方法无法彻底解决三相不平衡问题。第3、4 种方法中的调节补偿装置通常安装于配电变压器低压侧，仅可改善配变自身运行状态，但无法减小线路损耗与用户的电压偏差。

另一类方法为改进供电结构，主要有：1）移相法[8]单相供电，该方法的成本较低，但其动态性能不佳，且匹配元件参数的计算方法复杂。2）从三相系统引出两相通过单相配电变压器进行供电[9]。根据负荷类型的不同可采用单相两线式或单相三线式进行供电。该方法单相配电变压器的容量利用率高、原理简单、易于实现，但上一级配电网仍存在三相不平衡。3）采用电力电子变压器[10]。该方法具有良好的动态性能，可提高电能质量，但控制复杂、运行维护成本较高。

本文提出了一种基于三相-单相交直交变换器的配电网供电方式，将配电变压器出口侧的三相电通过交直交变换器变为单相电对用户进行供电。该供电方式从结构上消除了三相不平衡问题。文中分析了该供电方式的经济性、可靠性。利用PSCAD 建立了三相四线制和交直交供电方式的模型，通过仿真比较了两种供电方式的线损、电压偏差等，仿真结果表明所提出的供电方式可改善电能质量。

1 基于三相-单相交直交变换器的供电方式

本文提出的交直交供电方式是将低压配电变压器用户侧通过滤波器与三相-单相交直交变换器连接，将三相电变换为单相交流电，经滤波对用户进行供电，其结构见图1。

图1 基于三相-单相交直交变换器的配网供电方式拓扑图Fig.1 Topology of power supply mode of distribuion network based on three-phase to single-phase AC/DC/AC converter

图1中滤波器a 的作用是防止变换器高频开关产生的高次谐波经配电变压器注入电力系统，选用LCL 型滤波器。LCL 滤波器具备良好的高次谐波滤除性能，且不需要很大的电感值，动态性能好[11-12]。滤波器b 的作用是为了提高用户的电能质量。由于LC 滤波器不容易产生谐振，控制与设计方便，仿真试验表明其滤波性能可以满足用户对电能质量的要求，故滤波器b 采用LC 型滤波器。

2 主成分分析原理

2.1 建设成本分析

从配电变压器、配电线路、开关等配电设备的投资费用考虑配电网建设成本[13]。与三相四线制供电方式相比，交直交供电方式需要增加滤波器与交直交变换器，但可省去配电台区三相不平衡治理装置。一般情况下，滤波器和交直交变换器的成本高于三相不平衡治理装置，因此本文提出的供电方式比三相四线制投资要高。随着电力电子技术及控制理论的发展，换流器的成本将下降，可靠性升高，有利于本文供电方式的实现。

直流配电网是近年的研究热点，但直流配网需要大量电力电子变换器，其控制较复杂，对变换器可靠性要求高，如美国弗吉尼亚理工大学CPES 中心2010 年建立的SBN 直流配电网结构[14]。与直流配电网相比，建设成本较低，不需要改变现有负荷结构。

2.2 运行经济性分析

运行成本包括配电变压器损耗、配电线路损耗、运行维护等费用。配电变压器损耗电量主要包括铁心损耗与绕组损耗[15]。铁心损耗电量公式为

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式中：ΔP0为变压器空载损耗；Uf为变压器的分接头电压；Uav为平均电压；t为变压器运行小时数。配电变压器绕组损耗电量公式为

式中：ΔPK为变压器短路损耗；Imax为日负荷电流最大值；Ie为变压负荷侧额定电流；F为损耗因素；t为变压器运行小时数。

将配电线路以用户为间隔分为i段，则每一小段上流过的电流为Ii。则配电系统在某一工况下线路损耗的电能公式为

式中：Ri为第i段线路电阻值；t为计算时间。

采用三相-单相交直交供电方式除了可以解决三相不平衡问题以外，还可以应用于供电半径大的配网地区，在经过整流后，由单相直流进行远距离配电。直流配电是未来发展的趋势[16]，随着直流变压器技术的日趋成熟，直流配电替代传统交流配电具备可行性，直流配电可以忽略线路中的感抗，不考虑无功及相位，几乎不存在电压跌落及闪变，相同绝缘等级下可采用更高电压等级，可从根本上解决长距离配电导致的低电压问题，有效减少了电压损耗。但直流配电网由于需要采用大量的电力电子器件，成本比较高，三相-单相交直交供电方式相对于传统的复杂直流配电网而言，电力电子器件使用较少，经济性较传统直流配电更好。

当负荷三相不平衡，配电变压器将处于不平衡运行状态，尤其夏季与冬季重负荷期三相不平衡度加剧，使变压器工况恶化[17-19]，对设备绝缘水平与运行寿命均会造成不利影响。在实际运行中，轻载相用户电压会超出电气设备额定电压值，变压器出口处用户电压偏差较高，使用户用电设备实际使用寿命低于设计使用寿命。根据全寿命周期成本分析，三相不平衡现象会使日常维护成本、检修成本、故障成本升高[20]。

2.3 可靠性分析

变换器是交直交供电方式中薄弱环节。文献[21]在评价微电网的可靠性时指出，由功率器件非正常工作引起的换流器故障超过50%。影响其可靠性的因素包括工作温度、负载率和元件工艺等。为了保证变换器可靠稳定工作，可采用带有冗余结构的整流与逆变环节。换流器正常工作时冗余模块不参与工作，若检测到有换流模块处于故障状态，则切除故障模块，将冗余模块投入运行，在检修时对故障模块进行更换，可提高交直交供电方式的可靠性。

电压跌落也是影响换流器可靠性的一个重要因素[22]。实际运行中电压跌落会使变换器整流部分的IGBT 占空比升高，流过IGBT 的电流增大，使故障概率升高。因此，本文提出的供电方式中配电变压器高压侧系统应具有足够大的系统短路功率。

3 数值计算及仿真结果分析

3.1 三相四线制仿真模型

图2 三相四线制仿真模型Fig.2 Simulation mode of three-phase four-wire system

由于配电网负荷的随机性，为便于仿真模型的建立与分析，设定4 种三相不平衡运行工况进行研究分析。4 种工况下，配电变压器出口处的三相不平衡度依次升高。仿真运行条件见表1。

表1 三相四线制仿真条件Table 1 Conditions of three-phase four-wire system

3.2 交直交供电方式仿真模型

为避免线路重载，在图2 负荷基础上增加单相供电线路并建立仿真模型见图3。配电变压器型号、线路参数、总负荷等条件与三相四线制供电系统相同。

图3 交直交供电方式仿真模型Fig.3 Simulation mode of AC/DC/AC power supply mode

3.3 仿真结果分析

表2 和表3 分别为两种方式中测量点1、2、3、4处的电压偏差、线损率、三相不平衡情况。

表2 交直交供电方式线路各测量点电压与线损Table 2 Voltage and line loss at each measuring point of the power supply mode based on AC/DC/AC converter

表3 三相四线制线路各测量点电压与线损Table 3 Voltage and line loss at each measuring point of three-phase four-wire system

由表2 与表3 可见：1）配电网三相不平衡具有随机性。以工况1 为例，配电变压器出口处三相不平衡度满足要求，但测量点4 三相不平衡度越限；实际运行中，负荷不断变化，运行工况将远多于表1中所列出的典型情况，三相不平衡分布将更加复杂。2）随着三相不平衡度的增加，配电台区电能质量下降明显，供电电压偏差加剧，严重时会超过相关标准的要求。3）轻载相与靠近变压器出口处的用户电压幅值偏高，重载相与靠近线路末端处的用户电压幅值偏低，其偏离额定值的程度与三相不平衡度呈正相关。4）伴随着三相不平衡问题，可能出现同一台区内电压越上限与越下限并存的现象，通过变压器调压无法解决电压偏差问题。5）工况4考虑了实际运行中某相严重轻载的情况，此时出现严重的三相负荷不平衡问题，部分节点电压偏差过大，线路损耗高，可能造成电气设备的损坏或不正常运行。

对比表2 与表3 可知：1）交直交供电方式解决了三相不平衡问题；2）交直交供电方式下电压质量改善明显，如工况1 条件下测量点4 处，采用三相四线制B 相电压为237.91 V，超出了电压偏差要求，而交直交供电方式该处的电压为211.84 V。又如工况4 测量点4 处，采用三相四线制C 相电压为190.69 V，超出供电偏差要求；采用交直交供电方式该处的电压为210.46 V。

对比表2 与表3 可知，当三相不平衡度较大时，本文提出供电方式可降低线损。如工况4，交直交供电方式相较三相四线制的线损率，从8.09% 降低到了7.72%，线损率降低了0.37%。

由于本文提出的供电方式采用电力电子器件实现，可能会产生谐波污染。因此，对运行工况1下的谐波含量也进行了仿真分析，仿真结果见表4。由表4 可见，测量点1 处的3 次、5 次及7 次谐波电压含有率及电压总谐波畸变率符合相关标准的要求。

表4 交直交供电方式测量点1处谐波含量Table 4 Harmonic content of voltage at measuring point 1 in AC/DC/AC power supply mode

4 结语

本文提出了一种基于三相-单相交直交变换器的配电网供电方式，从结构上消除了配电网三相不平衡。文中首先分析了该供电方式的建设投资与运行成本，并通过数字仿真对比了三相四线制供电方式和本文提出的供电方式的电压偏差、线路损耗等。理论分析与仿真结果表明，本文提出的供电方式可改善配电网电能质量，提高配电变压器寿命。由于前期投资较高，本文提出的供电方式适用于用户密集，供电半径短，单相用户为主且三相不平衡问题突出的场合。