CN104167739A - 一种四桥臂晶闸管开关调压电路及调压方法 - Google Patents

Abstract

一种四桥臂晶闸管开关调压电路与调压方法，所述调压电路包括包括串联变压器、调整变压器、四桥臂晶闸管开关和控制电路，调整变压器由四个独立的绕组构成，分为100V绕组、300V绕组和200V绕组，300V绕组位于100V绕组和200V绕组中间，通过组合提供各个等级的输出电压，四桥臂晶闸管开关包括8个晶闸管开关，组成四桥臂桥型开关电路，每个桥臂上各有上下两个晶闸管开关，控制电路分别控制每个晶闸管的开合状态，从而实现电压调节。本发明的调压电路和调压方法能够提供量程为±600V，精度为100V，共13级的电压调节，具有调压量程大、精度高、切换速度快、生产成本低、使用寿命长等特点。

Description

一种四桥臂晶闸管开关调压电路及调压方法

技术领域

本申请涉及一种分级电压调压电路与调压方法，具体的，涉及一种能够对输电线路末端的电压进行双向调节的四桥臂调压电路及调压方法，适用于10kV供电线路对线路电压进行双向调节控制的三相晶闸管电压调节器。 

背景技术

电压是电能质量主要指标之一，电压不合格影响电网运行的稳定性和经济性。此外，电压不合格危害电器设备安全，关系用户的切身利益和影响电网安全运行。目前国内外使用的10kV线路的分级电压调节器都是机械开关电压调节器(SVR)和三桥臂晶闸管开关电压调节器(Thyristor Voltage Regulator TVR)。SVR的缺点是：一是只能升压调压和降压调压，不能按两端电源的功率方向正反向调压；二是机械开关在调压切换过程中触头会产生电弧，触头受电弧损伤影响开关以及调节器的使用寿命。三桥臂TVR的缺点是：调压分级档位少，电压调节特性差。 

因此，如何能够改善了三桥臂TVR的调压特性，增加调压分级档位，更平滑地调节供电线路的电压成为现有技术亟需解决的技术问题。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种四桥臂晶闸管开关调压电路与调压方法，以有效地改善了三桥臂TVR的调压特性，有利于更平滑地调节供电线路，例如10KV供电线路，的电压。 

为达此目的，本发明采用以下技术方案： 

一种四桥臂晶闸管开关调压电路，包括串联变压器、调整变压器、四桥臂晶闸管开关和控制电路， 

其中，所述串联变压器位于高压输电线路的输入侧，所述调整变压器位于高压输电线路的输出侧，调整变压器的次级绕组包括彼此串联，电压大小不同，并相互独立的三个子绕组，一共引出4个抽头，其中电压最大的子绕组位于其他两个子绕组中间； 

所述四桥臂晶闸管开关包括八个晶闸管组成四桥臂，每个桥臂都包括上下两桥臂，每个上桥臂或下桥臂上都有一个晶闸管,上桥臂中晶闸管的发射极和下桥臂中晶闸管的集电极相连，连结在所述调整变压器的次级绕组对应的抽头上，每个晶闸管的基极连接在所述控制电路输出信号端，所有上桥臂的晶闸管的集电极都连接在一起，连接在串联变压器初级绕组的一个抽头上，所有下桥臂的晶闸管的发射极都连接在一起，连接在串联变压器初级绕组的另一个抽头上，所述控制电路发出信号，控制每个晶闸管的开启或关断。 

优选地，所有上桥臂的晶闸管开关的集电极和串联变压器初级绕组的一个抽头之间，还具有电流继电器和电流互感器，在所述串联变压器的初级绕组的两个抽头之间还具有保护开关和限流电抗器。 

优选地，所述控制电路包括测量变送电路、单片机系统、同步信号检测电路、触发脉冲产生电路、调压控制和保护控制，测量变送电路连接单片机系统，单片机系统所发出的调压动作命令传输到触发脉冲产生电路，所述触发脉冲产生电路还接收同步信号检测电路发出的同步电压信号，所述触发脉冲产生电路产生调压控制输出信号到控制晶闸管的调压控制，单片机系统还将保护动作命令发送至保护控制，测量变送电路接收所述电流互感器和负载侧的电压信号，负载侧的电 压信号作为调压取样信号和同步调压信号分别同时送到所述测量变送电路和所述同步信号检测电路。 

优选地，在保护开关没有闭合的情况下，所述四桥臂晶闸管开关的上桥臂中至少要有一个晶闸管保持闭合状态，下桥臂中也至少有一个晶闸管处于闭合状态。 

优选地，所述调整变压器的次级绕组的三个子绕组为100V绕组，200V绕组和300V绕组，所述300V绕组位于所述100V绕组和所述200V绕组之间，并引出4个抽头。 

优选地，所述高压输电线路为10KV输电线路，所述串联变压器为1:1的串联变压器，所述调整变压器为600：10K的调整变压器。 

优选地，所述晶闸管均串联有快速熔断器以构成对每个晶闸管的过电流保护。 

优选地，所述串联变压器位于高压输电线路的两相电压之间，或者单相电压与接地线之间。 

本发明还公开了一种利用上述的四桥臂晶闸管开关调压电路的调压方法，包括： 

测量变送电路接收电流互感器的过流保护信号和负载侧的电压信号，所述负载侧的电压信号作为调压取样信号和同步调压信号分别同时送测量变送电路和同步信号检测电路，所述电流互感器的过流保护信号与调压控制信号一起经测量变送电路变换后，送单片机系统分析处理，调压控制信号和过流保护信号与单片机系统的调压定值及保护定值比较，判定是发出调压动作命令，还是发出保护动作命令； 

所述调压动作命令与同步信号检测电路的同步电压信号一起送触发脉冲产生电路，触发脉冲产生电路产生的触发脉冲发送到调压控 制产生调压控制输出信号，按设计的13级调压策略控制所述四桥臂晶闸管开关的8只晶闸管的导通或关断； 

如果检测的过流保护信号超过设定的保护动作定值，单片机系统发出保护动作命令，保护命令经保护控制产生保护控制输出信号，保护开关闭合，停止调压。 

优选地，从一个档位的晶闸管设置到另外一个档位的晶闸管设置时，不能直接进行晶闸管的切换，而是要经过一定的晶闸管切换顺序。 

因此，本发明的四桥臂晶闸管开关调压电路与调压方法能够实现13级档位的电压调节，例如0V(不调压)和±100V、±200V、±300V、±400V、±500V、±600V等共13级档位的电压调节。其中，“±”表示以0V为基准，既可以正方向调节线路电压，又可以反方向调节线路电压，能正反方向调压是TVR与SVR相比的特色，可用于两端电源供电系统和分布式电源供电系统中。四桥臂TVR与三桥臂TVR相比，将调压分级档位从7级提高到13级，有效地改善了三桥臂TVR的调压特性，有利于更平滑地调节10kV供电线路的电压。另外，在分布式电源供电系统中，采用四桥臂TVR能有效解决分布式电源难以发送无功功率的问题，以及更好地改善分布式电源供电系统的电压质量。 

附图说明

图1是根据本发明的四桥臂晶闸管电压调压电路； 

图2是根据本发明的四桥臂晶闸管开关的放大示意图。 

图中的附图标记所分别指代的技术特征为： 

1、串联变压器；2、调整变压器；3、电流继电器；4、电流互感器；5、限流电抗器；6、保护开关；7、快速熔断器。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。 

参见图1，公开了根据本发明的四桥臂晶闸管电压调压电路，其包括串联变压器1、调整变压器2、四桥臂晶闸管开关和控制电路，其中，所述串联变压器1位于高压输电线路的输入侧，例如，位于连接在高压输电线路两相电压之间，或者单相电压与接地线之间。所述调整变压器2位于高压输电线路的输出侧，调整变压器2的次级绕组包括彼此串联，电压大小不同，并相互独立的三个子绕组，一共引出4个抽头，其中电压最大的子绕组位于其他两个子绕组中间。即调整变压器的次级绕组包括第一子绕组、第二子绕组和第三子绕组，这三个子绕组的电压逐渐增加，第一子绕组<第二子绕组<第三子绕组，第三子绕组位于第一子绕组和第二子绕组之间。 

在一个优选的实施例中，第一子绕组为100V绕组，第二绕组子为200V绕组，第三子绕组为300V绕组，300V绕组位于100V绕组和200V绕组之间，并引出4个抽头(如图1)。300V绕组和100V绕组可以组合成400V的绕组，300V绕组和200V绕组可以组合成500V绕组，100V绕组、200V绕组和300V绕组一起可以组合成600V绕组。 

按照这种组合方法，调整变压器的次级绕组只需要引出四个抽头，就能够通过组合方式，实现量程为±600V，精度为100V，共13级的电压输出。 

四桥臂晶闸管开关包括八个晶闸管T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，组成四桥臂，每个桥臂都包括上下两桥臂，每个上桥臂或下桥臂上都有一个晶闸管,上桥臂中晶闸管的发射极和下桥臂中晶闸管的集电极相连，连结在调整变压器2的次级绕组对应的抽头上，每个晶闸管的基极连接在控制电路输出信号端，所有上桥臂的晶闸管开关的集电极都连接在一起，连接在串联变压器初级绕组的一个抽头上，所有下桥臂的晶闸管开关的发射极都连接在一起，连接在串联变压器初级绕组的另一个抽头上，所述控制电路发出信号，控制每个晶闸管的开启或关断。 

因此，控制电路能够发出控制信号，通过控制四桥臂晶闸管开关中的晶闸管的开启或关断，从调整变压器次级分接绕组取调整电压，向串联变压器送不同数值的调整电压。 

在一个示范性的实施例中，高压输电线路为10KV输电线路，串联变压器为1:1的串联变压器，调整变压器为600：10K的调整变压器，从调整变压器分接绕组可获得数值100V、200V和300V的调整电压。根据开关四个桥臂8只晶闸管的导通情况，向变比为1:1的串联变压器送不同数值的调整电压；例如，当晶闸管T1和T6导通时，向串联变压器送正向100V调整电压，当晶闸管T2和T5导通时，向串联变压器送反向100V调整电压，以此类推。对应的调压档位、导通晶闸管和调压值如表1所示。 

表1 电压调节器的调压档位、导通晶闸管和调压值 

档位	导通晶闸管	△U(V)
			1档	T1,T8	+600V
2档	T2,T8	+500V
			3档	T1,T7	+400V
4档	T2,T7	+300V
			5档	T3,T8	+200V
6档	T1,T6	+100V
			7档	不触发	0V
8档	T2,T5	-100V
			9档	T4,T7	-200V
10档	T3,T6	-300V
			11档	T3,T5	-400V
12档	T4,T6	-500V
			13档	T4,T5	-600V

按上表控制四桥臂调压开关8只晶闸管的通断，可向附图1串联变压器1的初级绕组送出0V(不调压)和±100V、±100V、±200V、±300V、±400V、±500V、±600V共13级档位的调节电压，通过串联变压器的电压传递和高低压电压隔离作用，在串接在10kV供电线路的串联变压器副边，可产生0V、±100V、±200V、±300V、±400V、±500V、±600V共13级的调整电压△U，从而实现对10kV供电线路电压调节器上下游侧电压的调节控制。 

例如，当检测到的电压与整定值的差额在－1000～－550V时，调节600V，对应的T4，T5号晶闸管导通。以此类推。 

优选地，所有上桥臂的晶闸管开关的集电极和串联变压器初级绕组的一个抽头之间，还具有电流继电器3和电流互感器4，在串联变 压器1的初级绕组的两个抽头之间还具有保护开关6和限流电抗器5，所述电流互感器4、电流继电器3、保护开关6和限流电抗器5一起，构成四桥臂晶闸管开关以及电压调节器的保护。例如，当控制电路失控等原因导致任一桥臂的两个晶闸管同时导通时，该桥臂造成相应的调整变压器调压绕组短路，电流互感器4检测到电流增大，使电流继电器3动作，电流继电器3发信号使保护开关6闭合，短接四桥臂晶闸管开关，保护晶闸管开关。所述保护开关6闭合的同时，短接串联变压器的初级绕组，闭锁TVR，停止调压。所述限流电抗器5的作用是限制四桥臂晶闸管开关回路和串联变压器初级绕组回路的电流。 

优选地，八个所述晶闸管均串联有快速熔断器7以构成对每个晶闸管的过电流保护。 

优选地，所述控制电路包括测量变送电路、单片机系统、同步信号检测电路、触发脉冲产生电路、调压控制和保护控制。测量变送电路连接单片机系统，单片机系统所发出的调压动作命令传输到触发脉冲产生电路，所述触发脉冲产生电路还接收同步信号检测电路发出的同步电压信号，所述触发脉冲产生电路产生调压控制输出信号到控制晶闸管的调压控制，单片机系统还将保护动作命令发送至保护控制。 

其工作原理如下：测量变送电路接收电流互感器4和负载侧的电压信号，例如通过从调压变压器100V调压绕组取TVR负载侧电压信 号，负载侧的电压信号作为调压取样信号和同步调压信号分别同时送测量变送电路和同步信号检测电路，附图1中的电流互感器4的过流保护信号与调压控制信号一起经测量变送电路变换后，送单片机系统分析处理。调压控制信号和过流保护信号与单片机系统的调压定值及保护定值比较，判定是发出调压动作命令，还是发出保护动作命令。调压动作命令与同步信号检测电路的同步电压信号一起送触发脉冲产生电路，触发脉冲产生电路产生的触发脉冲发送到调压控制产生调压控制输出信号，按设计的13级调压策略控制开关电路8只晶闸管的导通或关断，通过TVR主电路四桥臂晶闸管开关控制供电线路电压。调压控制按控制编码实现对8只晶闸管的控制。如果检测的过流保护信号超过设定的保护动作定值，单片机系统发出保护动作命令，保护命令经保护控制产生保护控制输出信号，保护开关6闭合，控制TVR主电路停止调压。实际上，电流继电器3就是在单片机系统中负责分析比较整定值和测量值的设备。 

其中，由于在正常运行情况下，线路中始终有电流，则串联变压器初级绕组中也必然存在电流，电流大小与线路中电流相当，因此，串联变压器初级绕组可以短路，但不能出现断路情况。在保护开关没有闭合的情况下，四桥臂晶闸管开关的上桥臂中至少要有一个晶闸管保持闭合状态，下桥臂中也至少有一个晶闸管处于闭合状态，使串联变压器初级绕组所在的回路保持通路状态。 

因此，为了实现从一个档位到另外一个档位的晶闸管的设置，不能直接进行晶闸管的切换，而是要经过一定的晶闸管切换顺序，实现所需要的档位设置。参见表2和表3，给出了示例性的晶闸管调压编码表。 

示例说明： 

1)调压档位600V对应着触发开关的编号为T1T8(1，8)，是指当调压器需要对线路进行+600V的电压补偿时，晶闸管分接开关组中 所需要导通的晶闸管的编号为T1晶闸管和T8晶闸管，调压档位0V对应着触发开关为“不触发”，是指晶闸管分接开关组中所有的开关都断开，但是在这之前，必须将保护开关闭合。 

2)表格2的第五行，第四列中所示“(1,7)-(1,8)-(2,8)”是指由对应着400V档位的T1和T8晶闸管导通状态，切换到对应500V电压档位的T2和T8晶闸管导通状态，(1,7)-(1,8)是指在T1和T7时，触发T8导通，在T8导通后，再触发T7关断。(1,8)-(2,8)是指在T1和T8时，触发T2导通，在T2导通后，再触发T1关断。从而实现晶闸管分接开关的切换，在切换过程中，始终保证了串联变压器初级绕组的通路状态。 

因此，根据本发明的所公开的四桥臂晶闸管开关调压电路，能够根据线路的调压需求，可按表1设计的调压档位对供电线路的电压进行调节。当控制电路检测到TVR下游电压低于设定值时，得到单电源放射线路的典型调压曲线。控制电路发出调压控制信号，控制晶闸管T1T6导通，100V调整电压通过串联变压器施加到线路上，实现对线路升压调压100V，当线路电压进一步降低时，可依次向实施200V、300V直至600V的升压调压。同理，可实现对线路的依次降压调压。线路电压调节器按单电源放射线路的典型调压曲线的调压方式的调压称为TVR正向调压。 

同样的，由于新能源的开发利用，单电源放射线路线路末端常被接入分布式电源发电机，构成接有分布式发电机的双电源供电系统。如果发电机的发电功率小于线路的负荷功率，即发电功率全部被线路用电设备消耗，TVR实施了某级的正向调压后，能保证整个线路的电压偏差在规定的范围内，保障线路用电设备、发电机运行电压合格。 

如果发电机的发电功率大于线路的负荷功率，发电机的剩余功 率需要通过该线路送电力系统。由于供电线路长和电力系统变电站母线电压固定(为保证该母线大量其它线路电压合格率的要求)，以及分布式电源发电机绕组绝缘水平限制，发电机的机端不能提升，因此发电机难以发送无功功率，这是分布式电源供电系统发电机运行的常见问题。此时，分布式发电机的双电源供电系统中的TVR可实施反向调压，以单电源放射线路的正向调压为例，此时所述控制电路发反向调压命令，控制开关电路晶闸管T2和T5导通，向串联变压器送反向100V调整电压，即相对分布式电源发电机为升压调压。 

综上所述，TVR能实施正反向调压，而四桥臂TVR与三桥臂TVR相比，将调压分级档位从7级提高到13级，能更平滑地调节单电源线路和双电源线路的电压，以及更好地解决分布式电源正常发送无功功率的问题。 

本发明还公开了了一种调压方法，采用上述所公开的四桥臂晶闸管开关调压电路进行调压。 

采用了本项发明的四桥臂晶闸管开关调压电路与调压方法的10kV线路电压调节器，能够实现0V(不调压)和±100V、±200V、±300V、±400V、±500V、±600V共13级档位的电压调节。其中，“±”表示以0V为基准，既可以正方向调节线路电压，又可以反方向调节线路电压，能正反方向调压是TVR与SVR相比的特色，可用于两端电源供电系统和分布式电源供电系统中。四桥臂TVR与三桥臂TVR相比，将调压分级档位从7级提高到13级，有效地改善了三桥臂TVR的调压特性，有利于更平滑地调节10kV供电线路的电压。另 外，在分布式电源供电系统中，采用四桥臂TVR能有效解决分布式电源难以发送无功功率的问题，以及更好地改善分布式电源供电系统的电压质量。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。 

表2：四桥臂晶闸管开关正向调压编码表 

表3：四桥臂晶闸管开关反向调压编码表 

Claims (10)

1.一种四桥臂晶闸管开关调压电路，包括串联变压器、调整变压器、四桥臂晶闸管开关和控制电路，

其中，所述串联变压器位于高压输电线路的输入侧，所述调整变压器位于高压输电线路的输出侧，调整变压器的次级绕组包括彼此串联，电压大小不同，并相互独立的三个子绕组，一共引出4个抽头，其中电压最大的子绕组位于其他两个子绕组中间；

所述四桥臂晶闸管开关包括八个晶闸管组成四桥臂，每个桥臂都包括上下两桥臂，每个上桥臂或下桥臂上都有一个晶闸管,上桥臂中晶闸管的发射极和下桥臂中晶闸管的集电极相连，连结在所述调整变压器的次级绕组对应的抽头上，每个晶闸管的基极连接在所述控制电路输出信号端，所有上桥臂的晶闸管的集电极都连接在一起，连接在串联变压器初级绕组的一个抽头上，所有下桥臂的晶闸管的发射极都连接在一起，连接在串联变压器初级绕组的另一个抽头上，所述控制电路发出信号，控制每个晶闸管的开启或关断。

2.根据权利要求1所述的四桥臂晶闸管，其特征在于：

所有上桥臂的晶闸管开关的集电极和串联变压器初级绕组的一个抽头之间，还具有电流继电器和电流互感器，在所述串联变压器的初级绕组的两个抽头之间还具有保护开关和限流电抗器。

3.根据权利要求2所述的四桥臂晶闸管开关调压电路，其特征在于：

所述控制电路包括测量变送电路、单片机系统、同步信号检测电路、触发脉冲产生电路、调压控制和保护控制，测量变送电路连接单片机系统，单片机系统所发出的调压动作命令传输到触发脉冲产生电路，所述触发脉冲产生电路还接收同步信号检测电路发出的同步电压信号，所述触发脉冲产生电路产生调压控制输出信号到控制晶闸管的调压控制，单片机系统还将保护动作命令发送至保护控制，测量变送电路接收所述电流互感器和负载侧的电压信号，负载侧的电压信号作为调压取样信号和同步调压信号分别同时送到所述测量变送电路和所述同步信号检测电路。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的四桥臂晶闸管开关调压电路，其特征在于：

在保护开关没有闭合的情况下，所述四桥臂晶闸管开关的上桥臂中至少要有一个晶闸管保持闭合状态，下桥臂中也至少有一个晶闸管处于闭合状态。

5.根据权利要求4所述的四桥臂晶闸管开关调压电路，其特征在于：

所述调整变压器的次级绕组的三个子绕组为100V绕组，200V绕组和300V绕组，所述300V绕组位于所述100V绕组和所述200V绕组之间，并引出4个抽头。

6.根据权利要求4所述的四桥臂晶闸管开关调压电路，其特征在于：

所述高压输电线路为10KV输电线路，所述串联变压器为1:1的串联变压器，所述调整变压器为600：10K的调整变压器。

7.根据权利要求4所述的四桥臂晶闸管开关调压电路，其特征在于：

所述晶闸管均串联有快速熔断器以构成对每个晶闸管的过电流保护。

8.根据权利要求4所述的四桥臂晶闸管开关调压电路，其特征在于：

所述串联变压器位于高压输电线路的两相电压之间，或者单相电压与接地线之间。

9.一种利用权利要求4-8中任意一项所述的四桥臂晶闸管开关调压电路的调压方法，包括：

测量变送电路接收电流互感器的过流保护信号和负载侧的电压信号，所述负载侧的电压信号作为调压取样信号和同步调压信号分别同时送测量变送电路和同步信号检测电路，所述电流互感器的过流保护信号与调压控制信号一起经测量变送电路变换后，送单片机系统分析处理，调压控制信号和过流保护信号与单片机系统的调压定值及保护定值比较，判定是发出调压动作命令，还是发出保护动作命令；

所述调压动作命令与同步信号检测电路的同步电压信号一起送触发脉冲产生电路，触发脉冲产生电路产生的触发脉冲发送到调压控制产生调压控制输出信号，按设计的13级调压策略控制所述四桥臂晶闸管开关的8只晶闸管的导通或关断；

如果检测的过流保护信号超过设定的保护动作定值，单片机系统发出保护动作命令，保护命令经保护控制产生保护控制输出信号，保护开关闭合，停止调压。

10.根据权利要求9所述的调压方法，其特征在于：

从一个档位的晶闸管设置到另外一个档位的晶闸管设置时，不能直接进行晶闸管的切换，而是要经过一定的晶闸管切换顺序。