CN108964065B - 基于晶闸管scr的分段式快速调压方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于晶闸管的分段式快速调压方法和系统，其中方法包括通过将变压器绕组分段，并在各段绕组之间加入间断隔成，形成明显的断点；硬件系统初始化数据后并进行启动监测后控制Rq与KA组成的启动电路合闸，电流互感器和电压互感器采集变压器二次侧输出的电流和电压信息，经过ADC、放大电路以及滤波电路后，控制电路根据预设的电压限值通过调节晶闸管的通断来调节系统电压。本发明方法针对电力电子式自动调压系统结构复杂、切换过程冗长和响应速度慢等问题，提出基于晶闸管的分段式快速调压方法，去除冗杂的过渡电路；采用快速切换和增加分段绕组的方式限制过渡环流，简化调压流程；实现在任意时刻进行切换，突破过零切换理论的限制。

Description

基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法和系统

技术领域

本发明涉及一种配电变压器自动调压系统的设计，尤其涉及基于晶闸管的分段式快速调压方法和系统，属于电力变压器自动调压技术领域。

背景技术

配电网末端电压越限依然是较为普遍的现象，人民日益增长的生活质量需求也对电压质量提出了更高的要求。配网电压不合格的治理是电网人员日常工作的重点之一，目前较为合理的措施是通知用户内部整改、投切电容器组、应用无励磁调压、机械式有载调压变压器或者投入电力电子自动调压变压器。城市郊区和农村配网存在大量单相负荷，继而导致严重的三相电压电流不平衡，而且郊区与农网等地区时常发生乱接与错接的现象，因此用户整改的方式并不会发挥“药到病除”的根治效果。另一方面，在无功充足的情况下投切电容器会造成无功过剩甚至是浪费的结果。

变压器调压是电力系统电压控制的一项主要措施。其中在用户投诉率和平均停电时间等参数的考评指标下与电网智能化、自动化的发展浪潮下，无励磁调压将逐渐成为过渡型的切换方式。经济发达国家的有载分接开关的配备率远高于我国，德国6.6kV以上的变压器装设有载调压的覆盖率达到90％以上。机械式分接开关响应速度慢、装置结构复杂、体型巨大，而且随着时间的推移，电弧会导致一系列的机械故障。电力电子式自动调压变压器则更具优势，也是科研学者们探索研究的重要稳压方法。

随着电力电子的发展，晶闸管等典型开关元件可作为自动调压的关键切换器件。传统的电力电子技术在调压过程中存在过度电路，单次切换调压都需要借助过渡电路，导致切换时间较长；其次传统方法一般选择在过零点切换，存在过零点等待时间。过渡电阻电路会降低变压器的效率，在切换过程中也会导致变压器输出电压快速下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有电力电子式自动调压系统的以上不足，解决切换时间较长，提高变压器效率，实现任意时间点的切换，提供一种快速调压模型的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于晶闸管的分段式快速调压方法，

包括以下步骤：

(1)通过将变压器绕组以分段的布置方式，得到N个分段绕组，其中N至少为3；

(2)将N个分段绕组设置为N个档位电路，本步骤具体包括：

S21：在每个分段绕组Wi的中间确定中间节点Qi,中间节点Qi 将第i个分段绕组Wi分为第一段绕组和第二段绕组，其中i＝1,2…… N；

S22：将第i个分段绕组TWi的第一段绕组的端点用导线连接第 i+1个分段绕组中间节点Qi+1，最后一段分段绕组TWN的第一段绕组的端点连接A相电压输入端；

S23：将第i个分段绕组TWi的第二段绕组的端点通过晶闸管SCR 连接到公共接线端K；

S24：将每个分段绕组的两段绕组之间加入用于隔离两段绕组的间断隔层；

(3)设置调压系统：设置用于将采集的变压器二次侧输出的电流、电压信息转换为电流和电压实际值的信息处理控制电路：包括设置采集变压器二次侧输出的电流和电压信息的电流互感器和电压互感器、ADC电路、放大电路、滤波电路以及CPU和驱动电路；

(4)硬件系统初始化数据后启动监测；控制启动电路合闸，所述启动电路由启动电阻Rq与主触点为常闭节点中间继电器KA组成，电阻Rq与中间继电器KA串联连接在第三档位电路的两端；

(5)电流互感器和电压互感器采集变压器二次侧输出的电流和电压信息，设置采样频率，经过信号处理后得到电压和电流的实际值；

(6)CPU根据变压器二次侧电压与所设定的电压范围上下的比较来调整调压系统的限压范围，通过驱动电路控制晶闸管的通断来调节系统电压。

进一步地，还包括步骤(7)：当系统电压不在稳定范围之内并且档位无法调节时，调压系统会及时通知工作人员。

单次档位调节限制在相邻分接头之间的变换，防止发生过调节的现象。

进一步地，每个分段绕组Wi(i＝1,2……N)内的第二段绕组匝数相同；分段绕组Wi(i＝1,2……，N-1)内的第一段绕组匝数相同。

在另一方面，本发明提供了一种基于晶闸管的分段式快速调压系统，其特征是包括不少于3段的N个分段绕组组成的N个档位电路、按键显示模块、监测采集电路、CPU、驱动电路和晶闸管(SCR)模块以及启动电路；

所述N个分段绕组组成的N个档位电路的设置：通过将变压器绕组以分段的布置方式，得到N个分段绕组，在每个分段绕组Wi的中间确定中间节点Qi,中间节点Qi将第i个分段绕组Wi分为第一段绕组和第二段绕组，其中i＝1,2……N；

将第i个分段绕组Wi的第一端用导线连接第i+1个分段绕组中间节点Qi+1，最后一段分段绕组WN的第一段绕组连接A相电压输入端；

将第i个分段绕组Wi的第二端通过晶闸管SCR连接到公共接线端K；

将每个分段绕组的两段绕组之间加入用于隔离两段绕组的间断隔层；

所述监测采集电路包括采集变压器二次侧输出的电流和电压信息的电流互感器和电压互感器、ADC电路、放大电路和滤波电路；所述电流互感器和电压互感器的输出端连接ADC电路的输入端，所述ADC电路的输出端连接放大器的输入端；

所述CPU采用STM32F103ZET6单片机；

在所述晶闸管模块的两端连接RC吸收电路。

所述启动电路由启动电阻Rq与主触点为常闭节点中间继电器 KA组成，电阻Rq与中间继电器KA串联连接在第三档位电路的两端；

本发明所达到的有益效果：本发明方法去除冗杂的过渡电路，精简调压结构；在保证无短暂的电压电流中断的情况下，配合高频全控型双向晶闸管的特性，采用快速切换和增加分段绕组的方式限制过渡环流，简化调压流程；实现在任意时刻进行切换，突破过零切换理论的限制；本发明通过设置电阻和固态继电器组成的启动电路在电路合闸并网的瞬间首先是继电器闭合，当电网电压正常，此时再投入晶闸管，然后在断开继电器，这样设置可以保护晶闸管，避免它收到大的电压电流冲击，提高了系统的安全性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的分段式模型电路结构示意图；

图2为本发明具体实施例的分段式模型的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的系统结构框图；

图4为本发明分段式模型调压流程示意图；

图5为本发明配电变压器过渡过程环流计算等效原理图；

图6为本发明一个实施例中环流峰值与变压器一次侧电压的关系曲线图；

图7为本发明调压变压器仿真输出结果图，其中图7(a)为变压器二次侧电压局部放大图；图7(b)为变压器二次侧电流，图7 (C)为切换过程的环流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图2为本发明具体实施例的分段式模型的结构示意图；参见图2 本发明方法通过以下具体实施例实施：

基于晶闸管的分段式快速调压方法，包括以下步骤：

(1)通过将变压器绕组以分段的布置方式，得到5个分段绕组，即将5个分段绕组设置为5个档位电路，本步骤具体包括：

在每个分段绕组TW1、TW2、TW3、TW4、TW5，每个分段绕组的中间确定中间节点Q1、Q2、Q3、Q4和Q5；中间节点Qi将第i个分段绕组TWi分为第一段绕组和第二段绕组，其中i＝1,2……5；

其中W0、W1、W2、W3和W4是各自分段的第一段绕组；W6、 W7、W8、W9和W10是各自分段的第二段绕组；

这里的中间节点Qi并不特指第i个分段绕组TWi的中点，其只是第i个分段绕组中的一个节点。

需要说明的是本发明方法中分为多少档根据各个地方的需要设定，一般分为3档或5档。(2)将第i个分段绕组TWi的第一段绕组的端点用导线连接第i+1个分段绕组中间节点Qi+1，最后一段分段绕组TWN的第一段绕组的端点连接A相电压输入端；

(3)将第i个分段绕组TWi的第二段绕组的端点通过晶闸管SCR 连接到的公共接线端K；优选地，在晶闸管两端并联RC吸收电路主要起到对晶闸管换流时产生的过电压能量进行吸收，以保护晶闸管不至于被损坏。

(4)将每个分段绕组的两段绕组之间加入用于隔离两段绕组的间断隔层；如图2示出的绕组W0和绕组W6之间的间断隔层，同样在W1与W7、W2与W8、W3与W9、W4与W10之间同样设置隔离的间断隔层。各段绕组端部连接使用焊接方式。需要说明的是根据分段式调压模型的绕组的同名端求否是一致接线，保证各部分接线的准确性，以确保调压过渡过程中短暂的过渡环路中电压互相抵消的效果；

(5)设置用于将采集的变压器二次侧输出的电流、电压信息转换为电流和电压实际值的信息处理控制电路：包括设置采集变压器二次侧输出的电流和电压信息的电流互感器和电压互感器、ADC电路、放大电路、滤波电路以及CPU和驱动电路；具体结构框图见图3，此处信号采集电路和方法采用现有技术，此处不做赘述。

硬件系统初始化数据后启动监测；控制Rq与KA组成的启动电路合闸；此时电流互感器和电压互感器采集变压器二次侧输出的电流和电压信息，互感器每个工频周期内采集24个数据。

CPU根据所设定的电压上下限值调整，通过驱动电路控制晶闸管的通断来调节系统电压。

图2中每相的绕组共分为6段，绕组之间使用与绕组材质相同的导线焊接，焊接时需要满足W1＝W2＝W3＝W4，W6＝W7＝W8＝W9＝W10，焊接成果见图1上半图W0～W5绕组匝数与普通变压器的匝数一致， W6～W10绕组的设置目的为限制过渡电流。需要说明的是快速调压模型变压器各段绕组匝数存在的关系为W1＝W2＝W3＝W4， W6＝W7＝W8＝W9＝W10，各段绕组所占变压器总匝数之比可具体调节，但他们之间的等式关系保持不变，以便抵消绕组切换时分段绕组上的电压，减小环路电流。

分段式调压模型的主要设计目的在于精简调压系统的结构，提高配电变压器的调压效率，其变压器调压模型可见图2下半图，晶闸管接线方式见图2。当图2中晶闸管SCR5导通时，一次侧绕组匝数最小，此时变压器工作在5档，二次侧输出电压最高；同理SCR1导通时，变压器工作在1档，二次侧输出电压最低。

自动调压系统如图3所示，主要包括STM32F103ZET6单片机、按键显示模块、监测采集电路、驱动电路和晶闸管(SCR)模块等。在晶闸管两端并联RC吸收电路主要起到对晶闸管换流时产生的过电压能量进行吸收，以保护晶闸管不至于被损坏。

STM32单片机主要承担数据处理、记录调压信息、发送升降压命令等任务；按键显示模块承担调整二次侧电压稳压范围的上下限、显示电压和电流信息、调整系统相邻动作过程的时间间隔、调整系统控制方式的任务；监测采集电路包括ADC采集电路、放大电路、滤波电路，其功能为监测二次侧电压，并将其转换为0～3V电压滤波之后传输至STM32单片机系统；驱动电路根据单片机发出的升降压命令控制SSR的开通与关断。

分段式快速调压原理为：系统初始化数据后并进行启动监测后控制启动电路合闸，启动电路由启动电阻Rq与主触点为常闭节点中间继电器KA组成，启动电路只在变压器并网瞬间进行保护，变压器一般并网时在3档，所以只需要在第三档位电路的两端连接启动电阻 Rq与主触点为常闭节点中间继电器KA组成的启动电路；优选的， Rq的阻值为25欧，继电器的额定电流为40A。

当电网电压正常，此时再投入晶闸管，然后在断开继电器，这样设置可以保护晶闸管，避免它收到大的电压电流冲击，提高了系统的安全性和稳定性。

电网电压正常后电流互感器和电压互感器采集变压器二次侧输出的电流和电压信息，控制核心将其处理后转换为电压和电流的实际值，最后调压系统根据变压器二次侧电压U₂与所设定的电压范围上下(U_2max、U_2min)限进行比较，当其电压稳定范围为U_2min≤U₂≤U_2max，当系统电压U₂＞U_2max时，系统调压系统则向启动电路发送断开或开通指令完成系统电压由高档位向低档位调节；当系统电压U₂＜U_2min时，系统由高档位向低档位调节；当系统电压不在稳定范围之内并且档位无法调节时，调压系统会及时通知工作人员。单次档位调节限制在相邻分接头之间的变换，防止发生过调节的现象，其调档流程如图 4所示。

举例说明，比如说变压器工作在3档，且电压过高时，系统会根据流程图4，先开通SCR4，再关闭SCR3；设置互斥晶闸管的触发脉冲的发送时间间隔为1ms。

分段式调压的方法主要解决的是过零切换理论的限制，实现在任意时刻的切换。解决此问题需要使用高频双向可控的随机行晶闸管，晶闸管匝任意时刻可立即触发。首先，其晶闸管的额定电流容量能够承受变压器高压侧回路切换时过渡电流。其次，研究发现切换时间越短，晶闸管所需承受的过渡电流峰值越小，故晶闸管需实现高频动作。最后，为进一步限制过渡电流，将变压器的绕组重新设计成为分段式的模型。晶闸管额定电流的选择必须大于环路电流有效值的2倍，为选择相匹配的晶闸管，其过渡电流计算如下：

调压过程中过渡电流的计算：分段式快速调压模型在切换过程中也会存在短暂的短路回路，其等效电路如图4所示，该回路中的三段绕组均可等效为电压源U_W、电阻R_W和电抗X_W，最终可等效为如图 4右图所示的电路图，其等效关系如式(1)所示。由 W6＝W7＝W8＝W9＝W10可知U_W6＝U_W7＝U_W8＝U_W9＝U_W10，所以U_Σ＝U_W(i)，L_Σ为切换过程中短暂的环路中的等效电感，R_Σ为切换过程中短暂的环路中的等效电抗。

图5所示的等效原理图可得到环流i_c计算式,对该式进行拉普拉斯变换可求出环流i_c(s),再进行拉普拉斯反变换可得到环流的瞬时值表达式,i′为环路零状态下环流i_c的稳态分量，i″为环路零状态下环流i_c的暂态分量，i″′为环路零输入状态下各线圈所储存的能量转换成的电流之和。

i_c＝i′-i″+i″′ (2)，

式中c₁、c₂和c₃为形成环路前的时刻各段线圈的初始电流，τ₁、τ₂和τ₃为环路中各段线圈对应的时间常数，且τ₁＝τ₂＝τ₃＝L_∑/R_∑，其中

调压系统切换档位时，变压器绕组含有一定的初始电感能量，这些能量中的一部分通过变压器主磁路继续转换为电能，而另外一部分能量则在切换形成的环路中流通，所以不同的初始状态对环路电流造成的影响势必不同。实验中从电压零点开始，测试步长为1ms,则调压系统在单个工频周期内可连续切换14次仿真计算后得出不同的触发时刻对环路电流产生的影响的曲线图5。

针对快速调压模型进行了模拟仿真实验，实验中在1.060s和 1.235s时刻进行了降压调节，在1.123s和1.185s时刻进行了升压调节。图7是本发明调压变压器仿真输出结果图；图7(b)中圈出部分为调压过程中产生的毛刺，毛刺存在的时间段为环路存在的时间段，总时间长度为1ms，对电压和电流的影响较小,远小于机械式有载调压分接开关导致的电压电流波形的畸变程度，所以波形中的毛刺可忽略不计。1.060s时对应变压器的电压为零，该过程可进行无暂态调压，故调压过程不会产生毛刺。1.123s对应电压零点与波峰之间的某一点时刻，1.185s和1.235s分别对应着电压波形的波峰和波谷时刻。图 7(a)的局部放大图，从7(b)中可看出进行调压操作后，二次侧电压有电压升高和降低的现象，变压器输出电流变化与电压变压情况类似。调压产生的环路电流则在短时间内迅速上升，其幅值最大可达到 120A，现有的电力电子开关器件能够轻易找到与其幅值相匹配的晶闸管。

自动调压系统调压过程产生的环流峰值的变化曲线接近正弦曲线，与变压器一次侧的电压曲线变化步调基本一致，并且两条曲线之间的相位差为零，两者之间保持着线性关系。

优选地，在以上实施例的基础上为了使调节系统更可靠，本发明方法进一步包括当系统电压不在稳定范围之内并且档位无法调节时，调压系统会及时通知工作人员。单次档位调节限制在相邻分接头之间的变换，防止发生过调节的现象。

本发明针对现有机械式有载调压和电力电子式自动调压系统结构复杂、切换过程冗长和响应速度慢等问题，提出基于晶闸管的分段式快速调压模型。该模型去除冗杂的过渡电路，精简调压结构；在保证无短暂的电压电流中断的情况下，配合高频全控型双向晶闸管的特性，采用快速切换和增加分段绕组的方式限制过渡环流，简化调压流程；实现在任意时刻进行切换，突破过零切换理论的限制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)通过将变压器绕组以分段的布置方式得到N个分段绕组，其中N至少为3；

(2)将N个分段绕组设置为N个档位电路，本步骤具体包括：

S21：在每个分段绕组TWi的中间确定中间节点Qi,中间节点Qi将第i个分段绕组TWi分为第一段绕组和第二段绕组，其中i＝1,2……N；

S22：将第i个分段绕组TWi的第一段绕组的端点用导线连接第i+1个分段绕组中间节点Qi+1，最后一段分段绕组TWN的第一段绕组的端点连接A相电压输入端；

S23：将第i个分段绕组TWi的第二段绕组的端点通过晶闸管SCR连接到公共接线端K；

S24：将每个分段绕组的两段绕组之间加入用于隔离两段绕组的间断隔层；

(3)设置调压系统：包括设置用于将采集的变压器二次侧输出的电流、电压信息转换为电流和电压实际值的信息处理控制电路：该信息处理控制电路包括设置采集变压器二次侧输出的电流和电压信息的电流互感器和电压互感器、ADC电路、放大电路、滤波电路以及CPU和驱动电路；

(4)硬件系统初始化数据后启动监测；控制启动电路合闸，所述启动电路由启动电阻Rq与主触点为常闭节点中间继电器KA组成，电阻Rq与中间继电器KA的触点串联后的支路连接在中间节点Q3和公共接线端K之间；

(5)电流互感器和电压互感器采集变压器二次侧输出的电流和电压信息，设置采样频率，经过信号处理后得到电压和电流的实际值；

(6)CPU根据变压器二次侧电压与所设定的电压范围上下限的比较来调整调压系统的限压范围，通过驱动电路控制晶闸管SCR的通断来调节系统电压的档位。

2.根据权利要求1所述的基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法，其特征在于：还包括步骤(7)：当系统电压不在稳定范围之内并且档位无法调节时，调压系统会及时通知工作人员。

3.根据权利要求1所述的基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法，其特征在于：设置互斥晶闸管SCR的触发脉冲的发送时间间隔为1ms，则调压系统在单个工频周期内可连续切换14次。

4.根据权利要求1所述的基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法，其特征在于：每个分段绕组TWi(i＝1,2……N)内的第二段绕组匝数相同；分段绕组TWi(i＝1,2……，N-1)内的第一段绕组匝数相同。

5.根据权利要求1所述的基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法，其特征在于：步骤(6)中设置采样频率时每个工频周期内采集24个数据。

6.根据权利要求1所述的基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法，其特征在于：当系统电压大于预设电压上限值时，系统由高档位向低档位调节；当系统电压小于预设电压下限值时，系统由低档位向高档位调节。

7.根据权利要求1所述的基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法，其特征在于：所述CPU采用STM32F103ZET6单片机。

8.根据权利要求1所述的基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法，其特征在于：在晶闸管SCR的两端并联连接RC电路。

9.根据权利要求1所述的基于晶闸管SCR的分段式快速调压方法，其特征在于：单次档位调节限制在相邻分接头之间的变换。

10.一种基于晶闸管SCR的分段式快速调压系统，其特征是包括不少于3端的N个分段绕组组成的N个档位电路、按键显示模块、监测采集电路、CPU、驱动电路和晶闸管SCR模块以及启动电路；

所述N个分段绕组组成的N个档位电路的设置：通过将变压器绕组以分段的布置方式，得到N个分段绕组，在每个分段绕组TWi的中间确定中间节点Qi,中间节点Qi将第i个分段绕组TWi分为第一段绕组和第二段绕组，其中i＝1,2……N；

将第i个分段绕组TWi的第一段绕组的端点用导线连接第i+1个分段绕组中间节点Qi+1，最后一段分段绕组TWN的第一段绕组的端点连接A相电压输入端；

将第i个分段绕组TWi的第二段绕组的端点通过晶闸管SCR连接到公共接线端K；

将每个分段绕组的两段绕组之间加入用于隔离两段绕组的间断隔层；

所述监测采集电路包括采集变压器二次侧输出的电流和电压信息的电流互感器和电压互感器、ADC电路、放大电路和滤波电路；所述电流互感器和电压互感器的输出端连接ADC电路的输入端，所述ADC电路的输出端连接放大器的输入端；

所述CPU采用STM32F103ZET6单片机；

在所述晶闸管SCR模块的两端连接RC吸收电路；

所述启动电路由启动电阻Rq与主触点为常闭节点中间继电器KA组成，电阻Rq与中间继电器KA的触点串联后的支路连接在中间节点Q3和公共接线端K之间。

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