1引言

  将单相交流电源变换成三相电源不仅在电气化铁道系统，而且在大量工业电力系统和民用电力系统上都有着广泛的需求。目前解决这一问题的方法有静止和旋转两大类。旋转变相器有电动发电机组和电容分相的旋转劈相机，静止变相器有各类静止逆变器、电容分相的单一三相变压器和电感、电容劈相法111。以上各种变相器中技术较先进、性能指标较好的应属静止逆变器型变相器。该种变相器一般由电流源型逆变器、电压源型逆变器或矩阵变换器组成12】，输出的三相交流电压受接触网的影响小，加上输入、输出侧均可采用高频PWM调制方法进行相量控制，输入侧功率因数高，输出侧电压波形质量好。其存在的缺点是造价高和结构复杂，可靠性还有待进一步提高。目前国内实际运行的单一三相变压器，从电磁结构上看，共有三种运行方式：即普通的单一三相变压器，如斯科特(Scott)变压器，高压单圈、低压侧移相式单一三相变压器以及饱和电抗器式单一三相变压器，这类变相方式存在的主要问题是输出三相电压难以跟随负载变化而保持平衡对称131。早期的电感一电容劈相法采用的是两个大小不变的无源元件(电感和电容)，以后逐渐发展到使用一定的方法来有级或无级调节等效感抗、容抗大小，使三相负载电压自动跟随负载变化而始终保持对称和平衡，笔者所研究的基于TCR的单相变三相交流电源装置就属于该范畴。这种变相方法在负载变化时可较好的保持输出电压的平衡对称，同时投资较少，在输出电压等级较高且功率大的场合有优势，但也存在空载启动困难，输出电压水平受接触网电压波动影响等缺点。这种变流器目前在澳大利亚和新西兰已有系列产品，国内虽已有相关研究文章发表，但尚未见到实际工程应用的报道。笔者设计了一种基于晶闸管控制电抗器(，I℃R)的单相变三相交流电源装置，并对其进行了分析和仿真试验。

2电路结构与控制原理

  图1为基于，I℃R的27．5kV单相变lOkV三相交流电源电路示意图，图2为其等效电路图。图2中Z为三相对称负载的相阻抗，对图2而言有：U商0Us=IBZUc_lczl—l—le内UrUe=UAB=U皤厶瞪，箩≯掣u(2)Uc-UFUc．F堪MⅨn、。IA+IAc=Ios--18欲使系统为三相对称系统，则三相电流必须对称。即有：厶=，zz(-300一动Is=／z／(-1．5K)。一劝lFIzZ_(900一功(3)l庐l叱／_300l旺FI匝L-300式中弦一负载相电流幅值，^广AC线电流幅值，卜BC线电流幅值r负载阻抗角由式(1)、式(2)和式(3)可得：，^卢，2(c∞计j乒sin劝b蜥∞尹孚sin秭础：一一当一以V3cosec--sin劝j一一圣丛∞c以、／丁cosc+sinqv)(4)(5)由此可知。所需电感和电容的值与负载电流的大小和功率因数有关。不论负载电流的大小和功率因数如何，总可以找到合适的补偿电感和电容，以使系统成为三相对称系统。从式(5)可以看出，当qv<600时，如>o，BC相间串电感；当伊600时，Ior--O，BC相间不需要串电感或电容；当堋。时，I(3<0，BC相间串电容。同时，如果船o，即空载时，毗、专均为无穷大，这意味着图2中的C点与A、B断开，所以这种单相变三相的方法在xx空载时无法得到三相对称的电压。

3相置分析

  单相变三相交流电源的相量分析如图3所示。其中图3a是电压、电流相量图；图3b是电源变换装置的AC相为纯电感，而BC相为纯电感或纯电容时的电流相量三角形；图3c是电源变换装置的AC相为容性阻抗、BC相为感性阻抗时的电流相量三角形；图3d是电源变换装置的AC、BC相都为容性阻抗时的电流相量三角形。以上各相量的假定正向可参见图2。对上述情况分别有：(1)当电源变换装置的AC相为纯电感，而BC相为纯电感或纯电容时，有(如图3b)：．面’丽I／A丽cl=—sin(6盟0。-一eJ=丽[／cl(6)sin㈣o+砌sin600…7这也正反映了式(4)和式(5)对应的相量图含意。(2)当电源变换装置的AC相不为纯电容，而BC相也不为纯电感或纯电容时，此时分为两种情况，其一是当相量屯超前如，即1500+"删。时，有(如图3c)：甄!：坠!：sin(1500+铆L-q曲sin(150。一铆-妒^c)望df7、sin(eAc-愉c--120。)、‘7这种情况下，AC相为容性，而BC相为感性。第二种情况是相量如超前昆，此时AC相、BC柏韶为容幛．日右f加图3d、仉．仉、￡，广由单相电源生成的三相电源的相电压‰、‰、”相应的线电压，^L、Jt、J吖一三相负载的线电漉铆广三相对称负载的阻抗角J。、J旷一电源变换装置的两相电流9n垆r相应的阻抗角‰!：坠!：^sin(210。一"㈦8in("绀一1500)fi百兰‰(8)Bsin(吼广伽一1200)…7廿以上的分析中，电源变换装置的AC相、BC相的阻抗角‰、‰均为实测阻抗角的{jd1}值，‰l总是指AC相容性电流的大小，而1／阢I贝0需根据所使用的不同公式来判断是指容性电流还是感性电流。另外，为了xx元件参数的漂移对控制效果的影响，不论是按式(6)、式(7)和式(8)中的哪一个公式计算TCR的移相角，都需要对其引入闭环控制。在试验中，所采用的闭环控制是PI控制，此时需要注意的一个问题是在引入PI控制后，由于电源变换装置的AC相总呈容性，因此增大’rCR触发角(降低TCR的基波等效导纳)，将使AC相的总导纳增大；当电源变换装置的BC相呈容性时，也有同样的规律；而当BC相呈感性时，增大TCR触发角(降低TCR的基波等效导纳)，将使AC相的总导纳减小。所以，要更换PI控制器中对误差的控制方向。

4AC相、BC相过电压检测

  由于基于TCR的单相变三相电源装置实际上是利用AC、CB相间的可控电抗谐振实现移相的，因此在某些情况下有可能出现过电压情况。为避免过电压的发生，除了设置必要的保护功能外，装置还必须检测和预估过电压出现的口J能性。笔肴征实际的程序中实时监测AC相、BC相以及星形连接负载的导纳值(如图4a所示)，再将负载等效为三角形连接后(如图4b所示)分析AC相、BC相的电压大小，此时有：l垃：竺生：B时争。陆争硒孺3B西面+BL面(9)3(鼠一B柚+2玩…71垃：竺生：B时争。脚争jj．硒3莉BAc蕊+BL面(10)计算导纳的相关电压和电流的假定正向要一致)，式中的加法和乘法运算按复数加法和乘法计算。

5仿真与试验结果

  根据上述控制原理，按式(5)对图I进行PSCAD!EMTDC仿真的结果如图5、图6和图7所示。图5．是移相装置投入前后三相电压波形，可见补偿装置投入后三相电压波形比较对称；图6是补偿装置投入前后三相电压不对称度，补偿装置投入前，三相电压不对称度约为100％，补偿装置投入后，三相电压不对称度约为1％；图7是补偿装置投入前后三相电流波形．可见补偿装置投入后三相电流比较平衡，满足三相对称负载的要求。为进一步验证基于TCR的单相变三相交流电源控制方法的有效性，在试验室中进行了380V低压模拟试验。试验负载为电阻元件，受试验条件限制，只设置了3次滤波器，而实际高压系统中应采用3次、5次滤波器，所以试验中’rCR产生的5次谐波将造成所输出的两相电压发生一定程度的畸变。另外，由于试验中所采用的TCR空心电抗器的品质因数只有20左右，故TCR与滤波器并联支路的端电压相量与支路总电流相量的夹角不能保证为900，因此直接按式(5)控制TCR移相角的效果不理想，需要按计及可控电抗支路电阻的式(7)和式(8)进行控制。如前所述，基于’咒R的单相变三相交流电源不能实现xx空载下的启动，因此试验中是先将负载电阻合上再开始启动TCR移相控制的，试验结果如图8和图9所示(图中横坐标为20ms／格，纵坐标为200V／格)。图8是单相变三相交流电源启动过程的试验波形，可见启动过程较为平稳，但由于电感、电容实际参数与铭牌值有差距，所以三相输出电压还不能保证xx对称。图9是投入PI控制器后的试验波形，较之图8三相输出电压基本实现了平衡对称的输出。另外，电压波形上所出现的畸变是由于每相’rCR只有一组3次滤波器的原因。

6结论

  笔者针对晶闸管控制电抗器(，I℃R)及滤波器支路有无电阻两种情况进行了相量分析，讨论了控制系统参数设计、过电压的可能性问题，{zh1}进行了原理验证试验，试验结果证明了理论分析的正确性。由于这种变相方法在负载变化时可较好的保持输出电压的平衡对称，同时投资较少，在要求输出电压等级高、功率大的场合有着较好的应用前景。年耗电量按6 000h计算为270000kW·h。旧冷却器运行噪声高达90dB左右。改造后，变压器使用PC一2800／22片式散热器。每两片使用一台0．55kW风扇电动机，共12台，总损耗为6．6kW。每年耗电量按运行温度来控制，即当变压器运行温度超过55℃才启动风扇电动机散热。所有耗电量可以减少85％以上，大大节约了能源。因风扇电动机选用DBF-7Q8型号低噪音电动机，所以运行噪音只有60dB左右。这样大大降低了噪音，符合国际标准和环保要求。6．3减少运行成本和维护工作量变压器冷却系统改造后，使运行成本和维护工作量明显减少。改造后变压器减少了潜油泵、电动机、流速继电器、蝶阀和各种密封胶垫及渗漏点。提高了防渗漏性能，且外形结构美观大方，减少了变压器缺陷和故障的发生几率。进而提高变压器运行质量，确保变压器安全运行。同样也减少运行维护工作量，从而降低了变压器运行成本。改造后变压器在相同条件下运行，其使用寿命也有相应提高。1lOkV及以下变压器冷却系统改造，方法是将带风扇电动机扁管冷却散热系统改造为片式自然冷却散热系统。改造后的片式自然冷却散热系统不但增加散热面积50％以上，而且去除风扇电动机后。辅机节能达100％，噪音降低30％左右，变压器的运行温度也降低了10℃以上，使变压器的使用寿命得到了提高，同时保证了电网安全运行。

7结束语

  综上所述，变压器冷却系统的更新改造，使变压器运行温度有明显降低和改善。变压器渗漏油现象也大为减少，辅机损耗和运行噪音显著降低，达到了变压器冷却系统节能降噪的目的。

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