基于電力電子開關(guān)的有載調(diào)壓變壓器研究

新余鋼鐵集團(tuán)有限公司 曾程博

1 引言

有載調(diào)壓變壓器具有改善供電系統(tǒng)供電質(zhì)量和提高供電可靠性的優(yōu)點(diǎn)，在全國(guó)配電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。在以往的有載調(diào)壓變壓器調(diào)壓功能是通過(guò)電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)械開關(guān)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在開關(guān)切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電弧，會(huì)縮短使用壽命，增加變壓器故障發(fā)生概率及維護(hù)成本。此外，這種調(diào)壓方式還具有調(diào)壓速度慢，電壓波動(dòng)大等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了應(yīng)用推廣［1-2］。

隨著電力電子技術(shù)的不斷深入研究，各種新型電力電子元件層出不窮，利用新型電子元件控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、故障概率低等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于電力電子式的有載分接開關(guān)，使其能夠在不斷電的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓，是有載調(diào)壓變壓器研究的必然方向，是供電穩(wěn)定性的有效手段，可以顯著提高變壓器可靠性[3]。但是目前有載調(diào)壓變壓器的研究而言，存在著分接開關(guān)切換過(guò)程中回路有環(huán)流及可能出現(xiàn)短路的問(wèn)題出現(xiàn)，且對(duì)電力電子器件兩端的電壓進(jìn)行限制，易使其被擊穿。此外，還存在電路結(jié)構(gòu)不合理、分接開關(guān)數(shù)量多，控制復(fù)雜等情況發(fā)生。

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種基于SCR的有載調(diào)壓變壓器主拓?fù)潆娐芳翱刂撇呗浴Ｔ诜纸娱_關(guān)中引入過(guò)渡單元，能夠限制回路中的環(huán)流及避免切換過(guò)程出現(xiàn)短路問(wèn)題，同時(shí)RC 阻容單元能夠限制SCR 兩端的電壓，確保其不被擊穿。此外，采用的逐級(jí)調(diào)壓策略能夠顯著簡(jiǎn)化調(diào)控流程。

2 有載調(diào)壓?jiǎn)卧負(fù)浼肮ぷ髟?/h2>

有載調(diào)壓變壓器主要由高低壓側(cè)三相繞組、分接開關(guān)反并聯(lián)晶閘管單元、RC 阻容吸收單元、反并聯(lián)晶閘管和電阻并聯(lián)組成過(guò)渡單元、單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和觸發(fā)單元等部分組成。有載調(diào)壓變壓器主拓?fù)潆娐啡鐖D1所示。

圖1 有載調(diào)壓變壓器主拓?fù)潆娐?/p>

在圖1 中，配電變壓器采用較為經(jīng)典的Yn/yn 聯(lián)結(jié)方式，W0為高壓側(cè)基本繞組，W2和W3為高壓側(cè)分接繞組。 反并聯(lián)SCR，Ki5（i=A，B，C）和電阻R并聯(lián)組成的過(guò)渡單元，其作用為在調(diào)壓過(guò)程中防止出現(xiàn)短路現(xiàn)象及限制環(huán)流；每個(gè)SCR 兩端并聯(lián)有RC 阻容，目的是抑制電路中產(chǎn)生的過(guò)電壓[4]，以避免SCR 被擊穿。

為方便闡述調(diào)壓電路工作原理，以配電變壓器三相中的A 相為例(下同)。圖1 中，反并聯(lián)晶閘管KA1至KA5的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)決定著不同的調(diào)壓范圍，其中每?jī)蓚€(gè)分接開關(guān)可能的導(dǎo)通狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)配電變壓器有載調(diào)壓的基礎(chǔ)，調(diào)壓過(guò)程各分接開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)如下表1所示。

表1 調(diào)壓過(guò)程各分接開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)

因晶閘管KA5 的作用是在系統(tǒng)電壓處于穩(wěn)態(tài)時(shí)旁路電阻R，故其狀態(tài)沒有列舉在表中。假設(shè)表1 中KA1和KA3導(dǎo)通時(shí)低壓側(cè)的電壓為額定電壓，則KA2和KA3導(dǎo)通說(shuō)明監(jiān)測(cè)的電壓大于額定電壓，需要下調(diào)電壓；而KA1和KA4導(dǎo)通則說(shuō)明監(jiān)測(cè)的電壓小于額定電壓，需要上調(diào)電壓。另外，通過(guò)表1 可知，在有載調(diào)壓時(shí)僅發(fā)生KA1、KA2和KA3、KA4之間狀態(tài)的改變，而未發(fā)生KA2、KA3和KA1、KA4之間狀態(tài)的改變。故為防止調(diào)壓時(shí)電路出現(xiàn)短路，在分接開關(guān)KA1、KA2和KA3、KA4中加入過(guò)渡電阻，以保障電路安全。

3 系統(tǒng)調(diào)壓策略及分接開關(guān)切換過(guò)程

3.1 系統(tǒng)調(diào)壓策略

研究人員通過(guò)分析可知，調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)依賴相關(guān)分接開關(guān)的導(dǎo)通，不同分接開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的調(diào)壓操作。當(dāng)系統(tǒng)每相電路中包含的分接開關(guān)越多，或一個(gè)調(diào)壓等級(jí)中分接開關(guān)越多，則對(duì)應(yīng)的調(diào)壓操作越繁瑣、復(fù)雜。為了降低系統(tǒng)有載調(diào)壓的復(fù)雜度，本文采用一種逐級(jí)調(diào)壓策略，每一次調(diào)壓只改變(上調(diào)或下調(diào))一個(gè)電壓等級(jí)。首先，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，低壓側(cè)額定電壓對(duì)應(yīng)的分接開關(guān)KA1和KA3觸發(fā)導(dǎo)通；其次，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集低壓側(cè)的電壓值，并和額定電壓進(jìn)行比較計(jì)算出差值，根據(jù)差值發(fā)出電壓調(diào)節(jié)信號(hào)；隨后，單片機(jī)根據(jù)輸送來(lái)的調(diào)壓信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)分配，有載分接調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)分配流程如圖2所示；最后由SCR 驅(qū)動(dòng)單元觸發(fā)相應(yīng)分接開關(guān)進(jìn)行狀態(tài)切換。值得注意的是，由于A、B、C 三相互不影響，故在A 相調(diào)壓過(guò)程中，完全不用顧及B、C 相。同樣地，這兩項(xiàng)亦可以按照上述調(diào)壓策略進(jìn)行調(diào)壓控制。

圖2 有載分接調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)分配流程

3.2 有載調(diào)壓分接開關(guān)切換過(guò)程

在調(diào)壓過(guò)程中，分接開關(guān)的切換是成功實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的關(guān)鍵。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的調(diào)壓拓?fù)潆娐罚纸娱_關(guān)有4 種不同的切換形式，其中升壓過(guò)程有2 種：一種是分接開關(guān)KA2、KA3切換至KA1、KA3；另一種是分接開關(guān)KA1、KA3切換至KA1、KA4。降壓過(guò)程也有2 種：一種是分接開關(guān)KA1、KA4切換至KA1、KA3；另一種是分接開關(guān)KA1、KA3切換至KA2、KA3。分接開關(guān)4 種不同的切換邏輯分別如下。

一是分接開關(guān)KA2、KA3切換至KA1、KA3。首先啟動(dòng)KA1觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)閉KA2觸發(fā)脈沖，KA1通過(guò)過(guò)渡電阻R 和KA3連通，過(guò)渡支路阻止電路間的短路；隨后等待20ms，以使分接開關(guān)KA2電流過(guò)零后完全關(guān)斷；最后啟動(dòng)KA5觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，旁路過(guò)渡電阻R，至此分接開關(guān)狀態(tài)切換至KA1、KA3。

二是分接開關(guān)KA1、KA3切換至KA1、KA4。首先關(guān)閉KA5觸發(fā)脈沖使其關(guān)斷，再等待20ms，確保電流過(guò)零，同時(shí)過(guò)渡電阻R 接入，分接開關(guān)KA1經(jīng)R 和分接開關(guān)KA3連通；隨后啟動(dòng)KA4觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)閉KA3觸發(fā)脈沖使其關(guān)斷；最后等待20ms，以使分接開關(guān)KA3電流過(guò)零；至此分接開關(guān)狀態(tài)切換至KA1、KA4。

三是分接開關(guān)KA1、KA4切換至KA1、KA3。首先啟動(dòng)KA3觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，并關(guān)閉KA4觸發(fā)脈沖，KA3通過(guò)過(guò)渡電阻R 和KA1連通，過(guò)渡支路阻止電路間的短路；隨后等待20ms，以使分接開關(guān)KA4電流過(guò)零后完全關(guān)斷；最后啟動(dòng)KA5觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，旁路過(guò)渡電阻R，換至分接開關(guān)狀態(tài)至此切KA1、KA3。

四是分接開關(guān)KA1、KA3切換至KA2、KA3。首先關(guān)閉KA5觸發(fā)脈沖使其關(guān)斷，再等待20ms，確保其電流過(guò)零，同時(shí)過(guò)渡電阻R 接入，分接開關(guān)KA1經(jīng)R 和分接開關(guān)KA3連通，隨后啟動(dòng)KA2觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)閉KA3觸發(fā)脈沖使其關(guān)斷；最后等待20ms，以使分接開關(guān)KA3電流過(guò)零；至此分接開關(guān)狀態(tài)切換至KA2、KA3。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖1 有載調(diào)壓變壓器主拓?fù)潆娐罚O(shè)計(jì)試驗(yàn)樣機(jī)(380V)，以驗(yàn)證基于SCR 開發(fā)的有載調(diào)壓?jiǎn)卧挠行浴Ｔ囼?yàn)樣機(jī)分接開關(guān)應(yīng)由15只反并聯(lián)SCR 組成，SCR 均采用脈沖陣列進(jìn)行觸發(fā)，觸發(fā)頻率為9.6kHz。為使設(shè)計(jì)樣機(jī)在后期10kV 高壓下也能夠得到應(yīng)用，在主電路與控制電路之間，采用光線作為觸發(fā)信號(hào)傳輸媒介以傳輸SCR 觸發(fā)信號(hào)[5]。

由于試驗(yàn)是在低壓下進(jìn)行，故將試驗(yàn)樣機(jī)的調(diào)壓范圍進(jìn)行擴(kuò)大，以模擬出更加真實(shí)的后期10kV 高壓場(chǎng)景。

載調(diào)壓變壓器4 種調(diào)壓電壓波形如圖3所示，圖3 中是分接開關(guān)4 種狀態(tài)切換結(jié)果，其中子圖（a） 是分接開關(guān)KA2、KA3切換至KA1、KA3的升壓波形；子圖（b） 是分接開關(guān)KA1、KA3切換至KA1、KA4的升壓波形；子圖（c）是分接開關(guān)KA1、KA4切換至KA1、KA3的降壓波形；子圖（d） 是分接開關(guān)KA1、KA3切換至KA2、KA3的降壓波形。從這4 幅子圖中可以知，無(wú)論是升壓還是降壓，整個(gè)過(guò)程波形都是連續(xù)的，且中間過(guò)渡速度較快，未有明顯的暫態(tài)分量。

圖3 有載調(diào)壓變壓器4種調(diào)壓電壓波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于電力電子的有載調(diào)壓變壓器，變壓器以反并聯(lián)SCR 為分接開關(guān)，能夠根據(jù)低壓側(cè)電壓靈活、快速地進(jìn)行切換。有載調(diào)壓電路中通過(guò)加入過(guò)渡單元，能夠在保證分接開關(guān)導(dǎo)通的同時(shí)，避免出現(xiàn)短路問(wèn)題，同時(shí)還可以限制回路中的環(huán)流。阻容RC 吸收單元能夠在SCR 關(guān)斷時(shí)，限制兩端的電壓，防止SCR 被擊穿，確保基于SCR 的分接調(diào)壓開關(guān)可靠工作。根據(jù)提出的拓?fù)潆娐罚O(shè)計(jì)了380V 試驗(yàn)樣機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明該調(diào)壓?jiǎn)卧娐纺軌蜃詣?dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能，且波形穩(wěn)定，質(zhì)量高，過(guò)渡速度快。本文設(shè)計(jì)的有載調(diào)壓變壓器尚未應(yīng)用于實(shí)際高壓場(chǎng)景中，可能面臨許多亟須解決的問(wèn)題，下一步可以結(jié)合無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題進(jìn)行研究。