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，在全國配電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。在以往的有載調(diào)壓變壓器調(diào)壓功能是通過電動機調(diào)節(jié)機械開關(guān)的位置來實現(xiàn)的，在開關(guān)切換過程中會產(chǎn)生電弧，會縮短使用壽命，增加變壓器故障發(fā)生概率及維護成本。此外，這種調(diào)壓方式還具有調(diào)壓速度慢，電壓波動大等缺點，嚴重制約了應(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單、響應(yīng)速度快、故障概率低等優(yōu)點，設(shè)計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)下實現(xiàn)自動調(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)切換過程中回路有環(huán)流及可能出現(xiàn)短路的問題出現(xiàn)，且對電力電子器件兩端的電壓進行限制，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。

為解決上述問題，本文提出一種基于SCR的有載調(diào)壓變壓器主拓撲電路及控制策略。在分接開關(guān)中引入過渡單元，能夠限制回路中的環(huán)流及避免切換過程出現(xiàn)短路問題，同時RC 阻容單元能夠限制SCR 兩端的電壓，確保其不被擊穿。此外，采用的逐級調(diào)壓策略能夠顯著簡化調(diào)控流程。

2 有載調(diào)壓單元拓撲及工作原理

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)組成過渡單元、單片機監(jiān)測系統(tǒng)和觸發(fā)單元等部分組成。有載調(diào)壓變壓器主拓撲電路如圖1所示。

圖1 有載調(diào)壓變壓器主拓撲電路

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)組成的過渡單元，其作用為在調(diào)壓過程中防止出現(xiàn)短路現(xiàn)象及限制環(huán)流；每個SCR 兩端并聯(lián)有RC 阻容，目的是抑制電路中產(chǎn)生的過電壓[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，其中每兩個分接開關(guān)可能的導(dǎo)通狀態(tài)是實現(xiàn)配電變壓器有載調(diào)壓的基礎(chǔ)，調(diào)壓過程各分接開關(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)通時低壓側(cè)的電壓為額定電壓，則KA2和KA3導(dǎo)通說明監(jiān)測的電壓大于額定電壓，需要下調(diào)電壓；而KA1和KA4導(dǎo)通則說明監(jiān)測的電壓小于額定電壓，需要上調(diào)電壓。另外，通過表1 可知，在有載調(diào)壓時僅發(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)壓時電路出現(xiàn)短路，在分接開關(guān)KA1、KA2和KA3、KA4中加入過渡電阻，以保障電路安全。

3 系統(tǒng)調(diào)壓策略及分接開關(guān)切換過程

3.1 系統(tǒng)調(diào)壓策略

研究人員通過分析可知，調(diào)壓的實現(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)對應(yīng)著不同的調(diào)壓操作。當系統(tǒng)每相電路中包含的分接開關(guān)越多，或一個調(diào)壓等級中分接開關(guān)越多，則對應(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，本文采用一種逐級調(diào)壓策略，每一次調(diào)壓只改變(上調(diào)或下調(diào))一個電壓等級。首先，在系統(tǒng)啟動后，低壓側(cè)額定電壓對應(yīng)的分接開關(guān)KA1和KA3觸發(fā)導(dǎo)通；其次，監(jiān)測系統(tǒng)采集低壓側(cè)的電壓值，并和額定電壓進行比較計算出差值，根據(jù)差值發(fā)出電壓調(diào)節(jié)信號；隨后，單片機根據(jù)輸送來的調(diào)壓信號進行狀態(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)動單元觸發(fā)相應(yīng)分接開關(guān)進行狀態(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)壓過程中，完全不用顧及B、C 相。同樣地，這兩項亦可以按照上述調(diào)壓策略進行調(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)切換過程

在調(diào)壓過程中，分接開關(guān)的切換是成功實現(xiàn)調(diào)壓的關(guān)鍵。對于本文設(shè)計的調(diào)壓拓撲電路，分接開關(guān)有4 種不同的切換形式，其中升壓過程有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KA1觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，同時關(guān)閉KA2觸發(fā)脈沖，KA1通過過渡電阻R 和KA3連通，過渡支路阻止電路間的短路；隨后等待20ms，以使分接開關(guān)KA2電流過零后完全關(guān)斷；最后啟動KA5觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，旁路過渡電阻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，確保電流過零，同時過渡電阻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KA4觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，同時關(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KA3觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，并關(guān)閉KA4觸發(fā)脈沖，KA3通過過渡電阻R 和KA1連通，過渡支路阻止電路間的短路；隨后等待20ms，以使分接開關(guān)KA4電流過零后完全關(guān)斷；最后啟動KA5觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，旁路過渡電阻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，確保其電流過零，同時過渡電阻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KA2觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，同時關(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電流過零；至此分接開關(guān)狀態(tài)切換至KA2、KA3。

4 試驗驗證

根據(jù)圖1 有載調(diào)壓變壓器主拓撲電路，設(shè)計試驗樣機(380V)，以驗證基于SCR 開發(fā)的有載調(diào)壓單元的有效性。試驗樣機分接開關(guān)應(yīng)由15只反并聯(lián)SCR 組成，SCR 均采用脈沖陣列進行觸發(fā)，觸發(fā)頻率為9.6kHz。為使設(shè)計樣機在后期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)信號傳輸媒介以傳輸SCR 觸發(fā)信號[5]。

由于試驗是在低壓下進行，故將試驗樣機的調(diào)壓范圍進行擴大，以模擬出更加真實的后期10kV 高壓場景。

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，無論是升壓還是降壓，整個過程波形都是連續(xù)的，且中間過渡速度較快，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

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、快速地進行切換。有載調(diào)壓電路中通過加入過渡單元，能夠在保證分接開關(guān)導(dǎo)通的同時，避免出現(xiàn)短路問題，同時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，限制兩端的電壓，防止SCR 被擊穿，確?；赟CR 的分接調(diào)壓開關(guān)可靠工作。根據(jù)提出的拓撲電路，設(shè)計了380V 試驗樣機，試驗結(jié)果表明該調(diào)壓單元電路能夠自動實現(xiàn)調(diào)壓功能，且波形穩(wěn)定，質(zhì)量高，過渡速度快。本文設(shè)計的有載調(diào)壓變壓器尚未應(yīng)用于實際高壓場景中，可能面臨許多亟須解決的問題，下一步可以結(jié)合無功補償問題進行研究。