基于電力電子開關(guān)的有載調(diào)壓變壓器研究

楊樹德，曾梓康，張新聞，高雄鷹，蔡長虹，周鑫

（1.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127；2.北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；3.揚(yáng)州華鼎電器有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127）

有載調(diào)壓變壓器是提高配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的有效手段，在配電網(wǎng)中的應(yīng)用日益廣泛[1]。但是傳統(tǒng)的基于機(jī)械式分接開關(guān)的有載調(diào)壓方案不僅動作速度慢，而且在調(diào)壓過程中可能產(chǎn)生較大的電弧，影響變壓器的使用壽命，使得維護(hù)工作量和成本較大，嚴(yán)重制約了變壓器有載調(diào)壓作用的發(fā)揮。為解決上述問題，基于電力電子技術(shù)的有載調(diào)壓方案成為目前的研究熱點之一[2-3]。

為此，文獻(xiàn)[4]提出了一種由IGBT和二極管構(gòu)成的電力電子有載調(diào)壓單元拓?fù)?；針對電力電子式有載調(diào)壓變壓器的上電自啟動問題，文獻(xiàn)[5]利用一組有載調(diào)壓分接開關(guān)實現(xiàn)自啟動；文獻(xiàn)[6]采用反并聯(lián)晶閘管作為電力電子開關(guān)，提出一種無需過渡電阻的有載調(diào)壓調(diào)控方法，但該方案在調(diào)壓過程中可能存在短時的短路現(xiàn)象；文獻(xiàn)[7]基于晶閘管提出了一種含過渡電阻的無弧有載調(diào)壓方案，避免了有載調(diào)壓過程中的短路現(xiàn)象，但該方案中每個調(diào)壓單元需增設(shè)兩只大功率固態(tài)繼電器，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

本文首先對穩(wěn)態(tài)時各開關(guān)可能的導(dǎo)通狀態(tài)及狀態(tài)的切換規(guī)律進(jìn)行了分析，基于此給出了一種基于晶閘管的有載調(diào)壓單元拓?fù)?；針對多狀態(tài)下有載調(diào)壓控制邏輯復(fù)雜的問題，提出了“分層”的有載調(diào)壓控制程序結(jié)構(gòu)；在分析變壓器不同狀態(tài)間切換時序的基礎(chǔ)上，提出了一種與文中所給調(diào)壓單元相匹配的有載調(diào)壓變壓器調(diào)控策略；最后，研制了實驗樣機(jī)，對文中調(diào)壓單元結(jié)構(gòu)的合理性和調(diào)控策略的正確性進(jìn)行了實驗驗證。

1 調(diào)壓單元拓?fù)浼胺纸娱_關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)分析

本文中給出的基于電力電子開關(guān)的有載調(diào)壓變壓器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示（圖中僅給出了A相，其余兩相結(jié)構(gòu)與此相同），圖中，電力電子開關(guān)S1～S5和過渡電阻R共同構(gòu)成了一個調(diào)壓單元，每只電力電子開關(guān)由兩只反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成。需要指出的是，實際中每相調(diào)壓單元的數(shù)量應(yīng)根據(jù)調(diào)壓范圍的需要來確定，但每個調(diào)壓單元內(nèi)部的調(diào)控方法相同，因此本文以每相含有一個調(diào)壓單元為例。

圖1 基于電力電子開關(guān)的有載調(diào)壓單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of on-load voltage regulation unit based on power electronic switch

穩(wěn)態(tài)時圖1中電力電子開關(guān)S1～S4不同的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)對應(yīng)著不同的電壓變比，這是實現(xiàn)調(diào)壓的基本原理。每個調(diào)壓單元中開關(guān)可能的導(dǎo)通狀態(tài)如表1所示，由于開關(guān)S5只在穩(wěn)態(tài)時起旁路過渡電阻R的作用，因此表中未列出S5的狀態(tài)。若定義表中S1和S3導(dǎo)通時的電壓為基準(zhǔn)電壓，則S2和S3導(dǎo)通時表明在基準(zhǔn)電壓的基礎(chǔ)上向下調(diào)節(jié)電壓，而S1和S4導(dǎo)通時表明在基準(zhǔn)電壓的基礎(chǔ)上向上調(diào)節(jié)電壓。此外，通過對表1進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在調(diào)壓過程中只存在S1與S2，以及S3與S4之間的狀態(tài)切換，不存在S2與S3，以及S1與S4之間的狀態(tài)切換，因此為了避免調(diào)壓過程中出現(xiàn)短路現(xiàn)象，只需將每個調(diào)壓單元的S1與S2，以及S3與S4通過過渡電阻連接，由于S2與S3，以及S1與S4之間沒有狀態(tài)切換的可能，因此彼此間可直接連接，這樣做的優(yōu)點是可以簡化每個調(diào)壓單元的結(jié)構(gòu)。

表1 穩(wěn)態(tài)時電力電子開關(guān)可能的導(dǎo)通狀態(tài)Tab.1 Possible conduction state of each switch in the steady state

2 調(diào)控程序的結(jié)構(gòu)及狀態(tài)切換流程

2.1 調(diào)控程序整體結(jié)構(gòu)

由上一節(jié)的分析可知，調(diào)壓的實現(xiàn)實際上借助于對各分接開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)的分配，當(dāng)每個調(diào)壓單元中包含的分接開關(guān)數(shù)量較多，或者每相繞組含有多個調(diào)壓單元時，執(zhí)行一次調(diào)壓的程序流程較為復(fù)雜。為了簡化有載調(diào)壓的調(diào)控流程，本文設(shè)計了“分層”的程序結(jié)構(gòu)，將每次的調(diào)控流程分為三層：頂層、中間層和底層。如圖2所示，系統(tǒng)第一次啟動后按照基準(zhǔn)電壓對應(yīng)的狀態(tài)觸發(fā)相應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通，比如S1和S3；然后將控制權(quán)交給頂層程序，頂層程序主要負(fù)責(zé)采集并計算當(dāng)前電壓值，經(jīng)過與設(shè)定值進(jìn)行比較給出具體的電壓增減信號；中間層根據(jù)頂層給出的電壓增減信號負(fù)責(zé)各調(diào)壓單元的狀態(tài)分配，相應(yīng)的狀態(tài)分配程序流程如圖3所示；最后，底層程序根據(jù)中間層的狀態(tài)分配結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)切換邏輯?？梢?，本文通過對有載調(diào)壓程序的分層設(shè)計，可減小不同功能程序塊之間的耦合，借助于簡單的接口定義即可將不同功能的程序塊組織成為完整的調(diào)壓程序，有利于對不同功能的程序算法進(jìn)行單獨設(shè)計，減小程序設(shè)計的復(fù)雜性。

圖2 有載調(diào)壓調(diào)控程序整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of the control program for on-load voltage regulation

圖3 有載調(diào)壓中間層狀態(tài)分配程序流程Fig.3 Procedure flow chart of the state assignment program in middle layer for on-load voltage regulation

2.2 有載調(diào)壓底層狀態(tài)切換程序流程

底層程序負(fù)責(zé)不同狀態(tài)間具體切換動作的實施，相應(yīng)的切換邏輯是有載調(diào)壓調(diào)控方法的核心。針對本文給出的調(diào)壓單元結(jié)構(gòu)（參見圖1），有四種狀態(tài)間切換的可能，其中升壓對應(yīng)兩種：由S2，S3狀態(tài)切換至S1，S3狀態(tài)，由S1，S3狀態(tài)切換至S1，S4狀態(tài)；降壓對應(yīng)兩種：由S1，S4狀態(tài)切換至S1，S3狀態(tài)，由S1，S3狀態(tài)切換至S2，S3狀態(tài)。不同狀態(tài)間的具體切換邏輯如下：

1）由S2，S3狀態(tài)切換至S1，S3狀態(tài)：相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖4所示，首先開啟S1觸發(fā)脈沖同時關(guān)閉S2，此時S1經(jīng)過渡電阻R導(dǎo)通，避免調(diào)壓繞組間短路，如圖4中狀態(tài)b所示；再等待20 ms，保證該時間段內(nèi)S2電流過零后關(guān)斷，如圖4中狀態(tài)c所示；最后開啟S5觸發(fā)脈沖，切除過渡電阻，如圖4中狀態(tài)d所示，此時狀態(tài)切換至S1，S3。

圖4 由S2，S3至S1，S3的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程Fig.4 State transition process from S2，S3 to S1，S3

2）由S1，S3狀態(tài)切換至S1，S4狀態(tài)：相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖5所示，首先關(guān)閉S5觸發(fā)脈沖并等待20 ms，保證該時間段內(nèi)S5電流過零后關(guān)斷，投入過渡電阻，此時S1經(jīng)過渡電阻R和S3導(dǎo)通，如圖5中狀態(tài)b所示；然后開啟S4觸發(fā)脈沖同時關(guān)閉S3觸發(fā)脈沖，此時開關(guān)S4導(dǎo)通，如圖5中狀態(tài)c所示；最后等待20 ms，保證該時間段內(nèi)S3電流過零后關(guān)斷，如圖5中狀態(tài)d所示，此時狀態(tài)切換至S1，S4。

圖5 由S1，S3至S1，S4的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程Fig.5 State transition process from S1，S3 to S1，S4

3）由S1，S4狀態(tài)切換至S1，S3狀態(tài)：相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖6所示，首先開啟S3觸發(fā)脈沖同時關(guān)閉S4觸發(fā)脈沖，此時S3經(jīng)過渡電阻R導(dǎo)通，避免調(diào)壓繞組間短路，如圖6中狀態(tài)b所示；再等待20 ms，保證該時間段內(nèi)S4電流過零后關(guān)斷，如圖6中狀態(tài)c所示；最后開啟S5觸發(fā)脈沖，切除過渡電阻，如圖6中狀態(tài)d所示，此時狀態(tài)切換至S1，S3。

圖6 由S1，S4至S1，S3的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程Fig.6 State transition process from S1，S4 to S1，S3

4）由S1，S3狀態(tài)切換至S2，S3狀態(tài)：相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖7所示，首先關(guān)閉S5觸發(fā)脈沖并等待20 ms，保證該時間段內(nèi)S5電流過零后關(guān)斷，投入過渡電阻，此時S1經(jīng)過渡電阻R和S3導(dǎo)通，如圖7中狀態(tài)b所示；然后開啟S2觸發(fā)脈沖同時關(guān)閉S1觸發(fā)脈沖，此時開關(guān)S2導(dǎo)通，如圖7中狀態(tài)c所示；最后等待20 ms，保證該時間段內(nèi)S1電流過零后關(guān)斷，如圖7中狀態(tài)d所示，此時狀態(tài)切換至S2，S3。

圖7 由S1，S3至S2，S3的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程Fig.7 State transition process from S1，S3 to S2，S3

3 實驗樣機(jī)設(shè)計與實驗結(jié)果

為了驗證文中基于電力電子開關(guān)的有載調(diào)壓單元結(jié)構(gòu)的合理性和調(diào)控策略的正確性，設(shè)計了相應(yīng)的低壓（380 V）實驗樣機(jī)，如圖8所示。圖中，變壓器的每一相均含有如圖1所示的一個調(diào)壓單元，電力電子開關(guān)共由15只反并聯(lián)晶閘管模塊構(gòu)成，晶閘管采用脈沖列觸發(fā)方式，脈沖列的頻率為9.6 kHz，為了保證后期10 kV高壓樣機(jī)下主電路與控制電路間的隔離，晶閘管觸發(fā)脈沖電路與觸發(fā)脈沖信號生成電路之間采用光纖傳輸信號[8]。

圖8 基于電力電子開關(guān)的有載調(diào)壓變壓器實驗樣機(jī)Fig.8 Experimental prototype of on-load voltage-regulating transformer based on power electronic switch

為了在低壓工況下模擬后期高壓（10 kV）工況下調(diào)壓繞組間電力電子開關(guān)所承受的電壓，將低壓樣機(jī)每一級調(diào)壓的幅度放大至±200 V，圖9給出了由S2，S3狀態(tài)切換至S1，S3狀態(tài)的升壓實驗結(jié)果，可見，變壓器輸出電壓幅值由50 V升高至250 V，且升壓過程中輸出電壓波形連續(xù)。圖10給出了由S1，S3狀態(tài)切換至S1，S4狀態(tài)，輸出電壓幅值由250 V升至450 V的升壓實驗結(jié)果，結(jié)果同樣驗證了文中調(diào)控方法的正確性。

圖9 由S2，S3狀態(tài)切換至S1，S3狀態(tài)升壓實驗結(jié)果Fig.9 Experimental results for step-up voltage regulation from state S2，S3 to state S1，S3

圖10 由S1，S3狀態(tài)切換至S1，S4狀態(tài)升壓實驗結(jié)果Fig.10 Experimental results for step-up voltage regulation from state S1，S3 to state S1，S4

調(diào)壓變壓器由S1，S4狀態(tài)切換至S1，S3狀態(tài)的降壓實驗結(jié)果如圖11所示，可見輸出電壓幅值由450 V降至250 V。

圖11 由S1，S4狀態(tài)切換至S1，S3狀態(tài)降壓實驗結(jié)果Fig.11 Experimental results for step-down voltage regulation from state S1，S4 to state S1，S3

由圖12可知，由S1，S3狀態(tài)切換至S2，S3狀態(tài)實現(xiàn)了輸出電壓幅值由250 V至50 V的調(diào)節(jié)。

圖12 由S1，S3狀態(tài)切換至S2，S3狀態(tài)降壓實驗結(jié)果Fig.12 Experimental results for step-down voltage regulation from state S1，S3 to state S2，S3

上述實驗結(jié)果表明，采用文中所給出的基于電力電子開關(guān)的有載調(diào)壓單元結(jié)構(gòu)和調(diào)控策略可正確實現(xiàn)變壓器繞組不同分接狀態(tài)間的調(diào)節(jié)，并且在調(diào)壓過程中保證輸出電壓波形的連續(xù)。需要指出的是，雖然上述實驗結(jié)果是在低壓樣機(jī)下獲得，但其中的有載調(diào)壓單元結(jié)構(gòu)和調(diào)控策略可直接應(yīng)用于后期的10 kV樣機(jī)，后期在10 kV樣機(jī)下主要解決變壓器空載合閘時電力電子開關(guān)可能面臨的過壓保護(hù)問題。

4 結(jié)論

針對目前行業(yè)在基于電力電子開關(guān)的有載調(diào)壓方面的技術(shù)需求，首先對穩(wěn)態(tài)時各開關(guān)可能的導(dǎo)通狀態(tài)及狀態(tài)的切換規(guī)律進(jìn)行了分析，基于此給出了一種基于晶閘管的有載調(diào)壓單元拓?fù)洌撏負(fù)湎?，每相僅需一只過渡電阻即可避免有載調(diào)壓過程中可能出現(xiàn)的短路問題；進(jìn)一步，針對多狀態(tài)下有載調(diào)壓控制邏輯復(fù)雜的問題，提出了“分層”的有載調(diào)壓控制程序結(jié)構(gòu)，簡化了有載調(diào)壓的程序設(shè)計；此外，在分析變壓器不同狀態(tài)間切換時序的基礎(chǔ)上，提出了一種與文中所給調(diào)壓單元相匹配的有載調(diào)壓變壓器調(diào)控策略；最后，搭建了基于電力電子開關(guān)的有載調(diào)壓變壓器380 V實驗樣機(jī)，實驗結(jié)果驗證了文中調(diào)壓單元結(jié)構(gòu)的合理性和調(diào)控策略的正確性。文中所提出的有載調(diào)壓單元結(jié)構(gòu)和調(diào)控策略同樣適用于高壓（10 kV）場合，下一步將搭建高壓樣機(jī)，對高壓工況下空載合閘時電力電子開關(guān)可能面臨的過壓保護(hù)方法進(jìn)行研究。