CN103178527A - 一种电压偏差调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压偏差调节器。本发明的电压偏差调节器包括：电压分级器T1、由n个开关组成的多路开关矩阵K1～Kn、相位切换单元以及电磁耦合器G；其中，电压分级器T1的高端并联在电力变压器T的低压侧；多路开关矩阵K1～Kn的一端分别与电压分级器T1的分级抽头相连；多路开关矩阵K1～Kn的另一端与电压分级器T1的低端经相位切换单元连接到电磁耦合器G的输入端；电磁耦合器G串联于电力变压器T的一次侧。本发明无论在电力变压器的一次侧或二次侧均无依靠机械电动装置动作的触头开关，因此电压偏差调节的可靠性得以提高，故障率显著降低，供电电网因调节系统故障引起中断的概率将变得很小，具有较高的性能价格比。

Description

一种电压偏差调节器

技术领域

本发明涉及电力电压调节技术，具体涉及一种用于电力配电系统的电压偏差调节器。

背景技术

在电力配电系统中，供电电压波动是不可避免的。为了保证供电电能质量，减小供电电压偏差，目前常用的调节电压偏差的方法是采用无载（无励磁）或有载分接开关来调节电力变压器的高压侧的抽头，从而改变电力变压器的变压比的方式来实现电压调节的。无载（无励磁）调压必须先断开负载和供电电源才能实施操作，显然有很大的局限性；有载分接开关调节电力变压器的抽头是较为广泛采用的带负载调节供电电压偏差的方法，该方法采用多档开关切换电力变压器的高压侧的抽头以改变变压器初级与次级的电压比（匝数）比。然而，由于有载分接开关是一种由电动机驱动的机械式开关，在实际应用中分接开关在带载切换变压器的高压侧的回路抽头时会产生电弧，而电弧会对分接开关触点产生有害影响，降低开关寿命和可靠性，同时使油槽中的变压器油产生碳化，导致绝缘等级下降；此外，电动的机械机构故障率也很高。所以，目前常用的有载分接开关调压方式存在着寿命短，可靠性差，动作周期长，故障率高的缺点。因此，国内外许多学者和专业人员努力去改进有载调压技术。一种方案是利用固态开关与机械开关组成混合开关（机械式改进型），切换时，让固态开关先动作，延迟一段时间后机械开关再动作，用这种方法来解决切换时产生电弧的问题。还有采用真空泡构成的真空有载分接开关（如德国MR公司AVT111型，其真空泡是MR与德国siemens公司合作开发的），以降低或消除电弧对开关触点和变压器油的影响。近年来，较多关注的是采用固态开关替代有机械结构和触点的无弧式有载分接开关调压技术等（如ABB公司生产的UED型晶闸管无弧有载分接开关），但由于以上技术方案结构复杂，工作的可靠性和制造成本等问题，难以得到商业性推广。

发明内容

针对有载分接开关直接在电力变压器高压侧通过调节变压器抽头来调节电压偏差方案的弊端，本发明提出一种主回路固定的电压偏差调节器，从而提高了电力配电系统的可靠性，降低了故障率。

本发明的目的在于提供一种电压偏差调节器，不在电力变压器的高压侧或低压侧的主回路直接用开关进行分接切换调节电压，具有可靠性高、切换时无电弧、调节速度快、经济性好、维护量小以及易于实现智能化自动控制等优点，以实现可靠实用的供电电压偏差调节。

本发明的电压偏差调节器包括：电压分级器T1、由n个开关组成的多路开关矩阵K1～Kn、相位切换单元以及电磁耦合器G；其中，电压分级器T1的高端并联在电力变压器T的低压侧；多路开关矩阵K1～Kn的一端分别与电压分级器T1的分级抽头相连；多路开关矩阵K1～Kn的另一端与电压分级器T1的低端经相位切换单元连接到电磁耦合器G的输入端；电磁耦合器G串联于电力变压器T的一次侧，n为≥2的自然数。

多路开关矩阵K1～Kn的一端分别与电压分级T1的分级抽头相连，选择不同的开关导通，便得到不同大小的耦合电压，通过开关的导通，选择大小合适的电压。相位切换单元可改变电压的相位，使耦合电压与电网电压的相位相同或相反。本发明采用在电力变压器T的低压侧的分支回路并联电压分级器T1，通过多路开关矩阵K1～Kn选择适当的电压，再经过相位切换单元选择相位，将大小可调且相位可变的正弦波电压施加至电磁耦合器G的输入端，通过电磁耦合器G的耦合来间接地改变（增加或减小）电力变压器T的输入电压的数值，从而达到调节电压偏差的目的。本发明采用串联的电磁耦合器调整电力变压器的电压，电力变压器的主回路固定，没有依靠机械电动装置动作的触头开关，因此系统稳定，故障概率低，性价比高。

电压分级器T1的分级抽头分别与多路矩阵开关K1～Kn相连，在选择电压大小，切换开关时，各个抽头的过渡需要时间，使得主回路的电压跳动大，不平稳，主回路中的电流造成感应电压，从而造成瞬时过电压，切换过渡过程不安全，危害很大。为了解决这一问题，在多路开关矩阵K1～Kn与相位切换单元之间设置平衡变压器T2，多路开关矩阵K1～Kn的另一端的奇数端并联后接入平衡变压器T2的一端，偶数端并联后接入平衡变压器T2的另一端，平衡变压器T2的中间端与电压分级器T1的低端经相位切换单元连接到电磁耦合器G的输入端。本发明由于采用在多路开关矩阵K1～Kn的另一端设置平衡变压器T2，使得电压输出平稳，开关切换平滑，安全性提高。而且，在切换开关时，平衡变压器T2可以使得当多路开关矩阵K1～Kn中任何相邻的二个开关同时导通不致产生较大的环流，并且经平衡变压器T2的中心端输出电压为相邻二个开关同时导通时电位差的一半。这样，在开关数量不变的情况下，调节点更多；或者，在调节点不变的情况下，可以减少开关的数量。

本发明的电磁耦合器G可采用四端口器件，也可采用五端口器件。当电磁耦合器G为四端口器件时，相位切换单元包括第一至第四相位切换开关，四只开关，平衡变压器T2的中间端输出经相位切换开关第二和第四相位切换开关连接至电磁耦合器G的输入端，电压分级器T1的低端经相位切换开关第一和第三相位切换开关连接至电磁耦合器G的输入端。当电磁耦合器G为五端口器件时，即电磁耦合器G的输入侧为两组串连的耦合线圈作为三端口引出时，可以将相位切换开关简化为第一和第二相位切换开关，两只开关，平衡变压器T2的中间端分别经第一和第二相位切换开关连接至电磁耦合器G的输入端的两端点，电压分级器T1的低端连接至电磁耦合器G的输入端的中间点。

本发明的电压偏差调节器可以是三相联动的同时调节电压的调节器，也可以是各相独立调节电压的调节器。各相独立调节电压的调节器除了可以调节电网电压偏差外，还可以调节电网的三相电压不平衡。

本发明的电压分级器T1可以是自耦式，也可以是隔离式，以适应不同应用场合需要。将电压分级器T1设计成隔离式时，调节器与电力变压器T的一次侧和二次侧将全部隔离。此时调节器的各部件单元便全部与供电电源和负载没有电的联系，仅为磁场耦合，这在某些应用场合下也是需要的。

电力变压器T可以为降压式电力变压器，也可以为升压式电力变压器。对于降压式电力变压器，电力变压器T的一次侧为高压侧；对于升压式电力变压器，电力变压器T的一次侧为低压侧。对于降压式电力变压器T，将电磁耦合器G串联于电力变压器T的一次侧（高压侧），而从电力变压器T的二次侧（低压侧）并联电压分级器T1，进行电压偏差调节；对于升压式电力变压器T，将电磁耦合器G串联于电力变压器T的一次侧（低压侧），而从电力变压器T的一次侧（低压侧）并联电压分级器T1，进行电压偏差调节。

对于降压式电力变压器T，其二次侧的电压为0.4KV的低压时，多路开关矩阵K1～Kn通常可以选择空气式接触器作开关。当电力变压器T的调节端为高压时，可选择真空接触器作开关。当在要求频繁动态快速切换时，可选择固态开关。

多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元的开关，可以是手动开关，也可以是如空气式接触器和真空接触器等的电磁开关，或者是如可控硅和固态继电器等固态开关。对多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元的开关的控制可以采取手动方式；也可以通过设置电压或电流等电量传感器和控制器，自动地对多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元的开关进行调节控制；还可以通过具有计算机硬件控制平台和计算机通讯接口，按电力通讯规约，由智能电网进行远程控制。

本发明的有益效果：

本发明采用了在电力变压器的一次侧串联电磁耦合器，然后通过大小可调且方向可变的耦合电压与网侧电压进行同相或反相叠加的方法来实现供电电压偏差的调节，该方案无论在电力变压器的一次侧或二次侧均无依靠机械电动装置动作的触头开关。因此，电压偏差调节的可靠性得以提高，故障率显著降低，供电电网因调节系统故障引起中断的概率将变得很小，具有较高的性能价格比。

附图说明

图1为本发明的工作原理的输出电压随输入电压的变化的波形图，其中（a）同相位调节电压的波形图，（b）为反相位调节电压的波形图；

图2为本发明的电压偏差调节器的实施例一中电力变压器T为降压式电力变压器时的系统图；图3是本发明的电压偏差调节器的实施例一中电力变压器T为降压式电力变压器时的电路图；图4是本发明的电压偏差调节器的实施例二中电力变压器T为升压式电力变压器时的系统图；图5是本发明的电压偏差调节器的实施例二中电力变压器T为升压式电力变压器时的电路图；图6是本发明的电压偏差调节器的实施例三中电磁耦合器G为五端口时，相位切换单元的电路连接的局部图；

图7是本发明的控制系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

本发明的工作原理基于如下：

Uo=(Ui±Ug)/K

式中：Uo为电力变压器T的输出电压

Ui为电网的供电电压

Ug为耦合电压

K为电力变压器T的电压比（或匝数比）

改变耦合电压Ug的数值的大小和极性，则可调节输出电压Uo的增加和减小。

1）令相位切换单元使耦合电压Ug与电网电压Ui同相位，多路开关矩阵K1～Kn某一开关或某二只相邻开关导通时，则产生与电网电压Ui相同极性的耦合电压Ug进行同相叠加，经电力变压器T变压后得到比Ui/K更大的电压，使输出电压Uo升高，

即   ｕi=Uim Sinωt

ｕg=Ugm Sinωt

则输出电压   ｕo=(Uim Sinωt+Ugm Sinωt)/K

其中，ｕo为电力变压器T的输出电压的瞬时值

ｕg为电力变压器T的输出电压的瞬时值

ｕi为电网的供电电压的瞬时值

ω为角频率

Ugm为电力变压器T的输出电压的最大值

Uim为电网的供电电压的最大值

或   Uo=(Ui+Ug)/K

其波形图如图1（a）所示；

2）令相位切换单元使耦合电压Ug与电网电压Ui反相位，多路开关矩阵K1～Kn某一开关或某二只相邻开关导通时，则产生与电网电压Ui相同极性的耦合电压Ug进行反相叠加，经电力变压器T变压后得到比Ui/K更小的电压，使输出电压Uo降低，

即   ｕi=Uim Sinωt

ｕg=Ugm Sin(ωt-180°)

则输出电压ｕo=[Uim Sinωt+Ugm Sin(ωt-180°)]/K

或   Uo=(Ui－Ug)/K

其波形图如图1（b）所示；

3）当相位切换单元同时导通时，耦合电压Ug=0，此时输出电压Uo：

Uo=Ui/K

即相当于调节电路未干预的状态。

实施例一

在本实施例中，电力变压器T为降压式电力变压器，电磁耦合器G为四端口器件，相位切换单元由Ka～Kd四个开关组成。电力变压器T为降压式电力变压器时的系统图如图2所示，电压调节单元1包括多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元。

如图3所示，本实施例的电压偏差调节器包括：电压分级器T1、由四只开关组成的多路开关矩阵K1～K4、相位切换单元以及电磁耦合器G；其中，电压分级器T1的高端H并联在电力变压器T的低压侧，即二次侧；多路开关矩阵K1～K4的一端与电压分级T1的分级抽头相连；多路开关矩阵K1和K3的另一端并联后接入平衡变压器T2的一端a，K2和K4的另一端并联后接入平衡变压器T2的另一端b，平衡变压器T2的中间端c经第二和第四相位切换开关Kb和Kd连接至电磁耦合器G的输入端X和Y，电压分级器T1的低端L经第一和第三相位切换开关Ka和Kc连接到电磁耦合器G的输入端X和Y；电磁耦合器G的输出端x和y串联于电力变压器T的一次侧。

降压式电力变压器T的参数：10KV/0.4KV、500KVA、Yyo联接；按图3所示的电路（三相中的一相），电压分级器T1的参数为：分别为相电压32.5V、97.5V、162.5V、227.5V（线电压分别为56.29V、168.87V、281.46V、394.04V）；如果选择电力变压器T的一次侧调节范围为±7%（即线电压±700V,相电压±404.16V）时，可计算出电磁耦合器G的耦合系统为1:1.7765（电磁耦合器G的输入与输出比值为227.5:404.16V），如果忽略平衡变压器T2和电磁耦合器G的损耗，可据此计算出理想状态下对电力变压器T的电压偏差。

实施例二

在本实施例中，电力变压器T为升压式电力变压器，电磁耦合器G为四端口器件，相位切换单元由Ka～Kd四个开关组成。电力变压器T为降压式电力变压器时的系统图如图4所示，电压调节单元1包括多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元。

如图5所示，本实施例的电压偏差调节器包括：电压分级器T1、由四只开关组成的多路开关矩阵K1～Kn、相位切换单元以及电磁耦合器G；其中，电压分级器T1的高端H并联在电力变压器T的低压侧，即一次侧；多路开关矩阵K1～K4的一端与电压分级T1的分级抽头相连；多路开关矩阵K1和K3的另一端并联后接入平衡变压器T2的一端a，K2和K4并联后接入平衡变压器T2的另一端b，平衡变压器T2的中间端c经第二和第四相位切换开关Kb和Kd连接至电磁耦合器G的输入端X和Y，电压分级器T1的低端L经第一和第三相位切换开关Ka和Kc连接到电磁耦合器G的输入端X和Y；电磁耦合器G的输出端x和y串联于电力变压器T的一次侧。

实施例三

在本实施例中，电磁耦合器G为五端口器件，相位切换单元由第一和第二相位切换开关Ka和Kb两个开关组成，相位切换单元在电路中的连接如图6所示。电磁耦合器G的输入侧为两组串连的耦合线圈作为三端口引出时，平衡变压器T2的中间端c分别经第一和第二相位切换开关Ka和Kb连接至电磁耦合器G的输入端的两端点X和Y，电压分级器T1的低端L连接至电磁耦合器G的输入端的中间点O。

按照图7的控制系统可实现对多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元的自动控制。通过对供电电网和负载侧的电量传感器，变换为弱电信号，输入电量IQ和输出电量OQ经过取样电路SC，模拟数字转换器A/D转换成数字信号，输入到单片计算机MCU或数字信号处理器DSP进行运算、分析及处理，并根据人机对话所设置SU的控制参数，将控制指令通过接口电路IC去控制多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元。显示单元将相关控制参数、状态、网侧和负载的有关电量等信息通过液晶显示器LCD显示出来。保护电路PC可使本系统在异常情况退出调节功能。通讯接口CI可通过通讯规约接入电力通讯网络，进行双向通讯，既可将本系统的状态向电力调度部门报告，又可接收电力调度部门的指令，统一调度进行电压偏差调节。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电压偏差调节器，其特征在于，所述电压偏差调节器包括：电压分级器T1、由n个开关组成的多路开关矩阵K1～Kn、相位切换单元以及电磁耦合器G；其中，所述电压分级器T1的高端并联在电力变压器T的低压侧；所述多路开关矩阵K1～Kn的一端分别与电压分级器T1的分级抽头相连；所述多路开关矩阵K1～Kn的另一端与电压分级器T1的低端经相位切换单元连接到电磁耦合器G的输入端；所述电磁耦合器G串联于电力变压器T的一次侧，n为≥2的自然数。

2.如权利要求1所述的电压偏差调节器，其特征在于，在所述多路开关矩阵K1～Kn与相位切换单元之间设置平衡变压器T2，所述多路开关矩阵K1～Kn的另一端的奇数端并联后接入平衡变压器T2的一端，偶数端并联后接入平衡变压器T2的另一端，所述平衡变压器T2的中间端与电压分级器T1的低端经相位切换单元连接到电磁耦合器G的输入端。。

3.如权利要求1所述的电压偏差调节器，其特征在于，所述电磁耦合器G采用四端口器件，或者采用五端口器件。

4.如权利要求3所述的电压偏差调节器，其特征在于，所述电磁耦合器G采用四端口器件，所述相位切换单元包括第一至第四相位切换开关，所述平衡变压器T2的中间端输出经相位切换开关第二和第四相位切换开关连接至电磁耦合器G的输入端，所述电压分级器T1的低端经相位切换开关第一和第三相位切换开关连接至电磁耦合器G的输入端。

5.如权利要求3所述的电压偏差调节器，其特征在于，所述电磁耦合器G采用五端口器件，所述相位切换单元包括第一和第二相位切换开关，平衡变压器T2的中间端分别经第一和第二相位切换开关连接至电磁耦合器G的输入端的两端点，电压分级器T1的低端连接至电磁耦合器G的输入端的中间点。

6.如权利要求1所述的电压偏差调节器，其特征在于，所述电力变压器T为降压式电力变压器，或者为升压式电力变压器；对于降压式电力变压器，电力变压器T的一次侧为高压侧，对于升压式电力变压器，电力变压器T的一次侧为低压侧；对于降压式电力变压器T，将电磁耦合器G串联于电力变压器T的一次侧，而从电力变压器T的二次侧并联电压分级器T1，进行电压偏差调节；对于升压式电力变压器T，将电磁耦合器G串联于电力变压器T的一次侧，而从电力变压器T的一次侧并联电压分级器T1，进行电压偏差调节。

7.如权利要求1所述的电压偏差调节器，其特征在于，多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元的开关，采用手动开关、电磁开关以及固态开关中的一种；对多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元的开关的控制采取手动方式；或者通过设置电压或电流等电量传感器和控制器，自动地对多路开关矩阵K1～Kn和相位切换单元的开关进行调节控制；或者通过具有计算机硬件控制平台和计算机通讯接口，按电力通讯规约，由智能电网进行远程控制。

8.如权利要求6所述的电压偏差调节器，其特征在于，对于降压式电力变压器T，其二次侧的电压为0.4KV的低压时，多路开关矩阵K1～Kn选择空气式接触器作开关；当电力变压器T的调节端为高压时，选择真空接触器作开关；当在要求频繁动态快速切换时，选择固态开关。

9.如权利要求1所述的电压偏差调节器，其特征在于，所述电压偏差调节器是三相联动的同时调节电压的调节器，或者是各相独立调节电压的调节器。

10.如权利要求1所述的电压偏差调节器，其特征在于，所述电压分级器T1，采用自耦式，或者采用隔离式。

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