CN112735790A - 一种电力电子式有载调压配电变压器及其调压方法 - Google Patents
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Abstract
一种电力电子式有载调压配电变压器及其调压方法，其具有三相绕组，每相绕组包括：低压绕组L0、高压绕组H1、高压绕组H2、n个调压绕组和电力电子式有载分接开关。其中，高压绕组H1、n个调压绕组、高压绕组H2的绕制方向相同，依次串联组成高压绕组，低压绕组L0与高压绕组耦合；电力电子式有载分接开关包括：与调压绕组连接的开关模块、辅助开关、限流电阻和控制器。其中，开关模块中开关单元采用桥臂结构，调压绕组的调压匝数采用二进制编码原则。本变压器具有电力电子器件数量少、结构简单、材料成本低、体积小、无弧、低功耗、切换过程不断电、可靠性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电子式有载调压配电变压器及其调压方法，属于配电变压器的有载调压技术领域。
背景技术
有载调压配电变压器可在负载条件下调整高低压侧的变比，把电压波动限定在合格范围内，保障供电的连续性，改善供电质量，降低电能损耗。当前，配电变压器的有载调压方式中，传统机械式有载分接开关仍然占主要地位，具有装置制造简单、成本低等特点，但存在由机械触头带来的难以解决的固有问题，包括：①分接触头在切换过程中产生电弧；②调压响应速度慢、效率低，滞后100毫秒甚至几秒钟；③机械传动结构复杂，故障率高，维护量大。
电力电子式有载调压配电变压器是利用微处理器控制晶闸管、IGBT等电力电子器件，替代机械式有载分接开关的机械传动机构和分接触头，实现分接位置的快速切换。
图1是目前公知的一种电力电子式有载调压配电变压器电路结构的示意图，其中每个调压绕组(T1、T2、……、Tn)的调压匝数相同，开关模块的数量与调压绕组数量相同，它利用电力电子器件无弧和可快速控制等特性，解决传统机械式有载分接开关的固有问题，具有调压响应速度快(几十毫秒)、故障率低等优点，但是存在电力电子器件的用量较大、结构复杂、成本较高等缺点。此外，在电力电子式有载调压配电变压器的结构设计、控制系统与控制方法设计以及整机上电启动等方面，如何考虑电力电子器件的耐压水平、运行的安全性和可靠性等还存在问题。
发明内容
为解决现有配电变压器有载调压技术中存在的问题，本发明提供了一种电力电子式有载调压配电变压器及其调压方法，具有电力电子器件用量少、结构简单、低功耗、切换过程不断电、可靠性高的特点。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电力电子式有载调压配电变压器装置，其具有三相绕组，每相绕组包括：低压绕组L0、高压绕组H1、高压绕组H2、n个调压绕组(T1、T2、……、Tn)和电力电子式有载分接开关，如图2所示。
高压绕组H1、n个调压绕组(T1、T2、……、Tn)、高压绕组H2的绕制方向相同，依次串联组成高压绕组，低压绕组L0与高压绕组耦合。每个调压绕组的两端分别引出1个分接出头，相邻调压绕组的连接位置共用一个分接出头。
所述三相低压绕组采用星形连接方式，中性点引出并接地。
所述三相高压绕组采用三角形或星形连接方式，无中性点或中性点不引出。
所述调压绕组采用线性调压方式，每个调压绕组(T1、T2、……、Tn)仅有正向接入导通电路和不接入导通电路两种状态，不允许反向接入导通电路。
所述电力电子式有载分接开关包括：与调压绕组(T1、T2、……、Tn)连接的开关模块(M1、M2、……、Mn)、辅助开关(K1、K2)、限流电阻(R1、R2)和控制器，如图2所示。辅助开关K1和限流电阻R1、辅助开关K2和限流电阻R2分别组成2个过渡电路，一路过渡电路连接在高压绕组H1与第一个调压绕组之间，另一路过渡电路连接在最后一个调压绕组与高压绕组H2之间。
所述开关模块Mn包括：与调压绕组Tn上部出头F1n连接的开关单元E1n、与调压绕组Tn下部出头F1(n+1)连接的开关单元E1(n+1)、开关单元E2n，如图3所示。其余开关模块与Mn结构相同。
图3中，开关模块采用桥-臂结构，其中E1n、E1(n+1)为臂路开关单元，E2n为桥路开关单元。相邻两个开关模块Mn和Mn-1共用一个臂路开关单元E1n，所有开关模块(M1、M2、……、Mn)中共包含n+1个臂路开关单元和n个桥路开关单元。
所述开关单元(E11、……、E1n、E1(n+1)、E21、……、E2n)结构均相同，包含：并联的晶闸管SCR1、SCR2和保护电阻Rf，其中晶闸管SCR1、SCR2反向并联，如图4所示。
国家标准中规定配电变压器的分接范围包含±5％、±2*2.5％、±4*2.5％三种。本发明依照国家标准的要求，包含3种不同分接范围的设计方案。
分接范围±5％时，调压档位数量为3，调压绕组数量n＝2，2个调压绕组的匝数相同，均为单级调压幅度(5％)对应的调压匝数。此时开关模块数量为2，开关单元数量为5；
分接范围±2×2.5％时，调压档位数量为5，调压绕组数量n＝3，3个调压绕组的匝数比为1:2:1，其调压匝数分别为单级调压幅度(2.5％)对应调压匝数的倍数(1、2、1)。此时开关模块数量为3，开关单元数量为7；
分接范围±4×2.5％时，调压档位数量为9，调压绕组数量n＝4，4个调压绕组的匝数比为1:2:4:1，其调压匝数分别为单级调压幅度(2.5％)对应调压匝数的倍数(1、2、4、1)。此时开关模块数量为4，开关单元数量为9。
本发明中调压绕组(T1、T2、……、Tn)的调压匝数按照二进制编码原则，具体如下：
已知调压绕组数量为n，假设m0代表单个调压幅度对应的调压匝数，mi(i＝1,2,…,n)代表每个调压绕组的匝数，则：
即：调压绕组匝数从1×m0开始，按照2的倍数关系递增，直至倒数第二个调压绕组，最后一个调压绕组匝数为1×m0。
所有调压绕组的匝数总和为：mΣ＝2n-1×m0
对应有载分接开关的档位数量为：mΔ＝mΣ+1＝2n-1+1
即：n＝2时，调压档位数量为3；n＝3时，调压档位数量为5，n＝4时，调压档位数量为9，满足国家标准中的技术要求。
对应每个调压绕组，本发明规定：
(1)当调压绕组Ti(i＝1,2,……，n)正向接入导通电路时，桥路开关单元E2i断开，臂路开关E1i、E1(i+1)闭合。
(2)当调压绕组Ti(i＝1,2,……，n)不接入导通电路时，桥路开关单元E2i闭合，臂路开关E1i、E1(i+1)断开。
因相邻的调压绕组共用一个臂路开关，对应臂路开关单元遵循以下规定：
(1)当相邻2个调压绕组均接入导通电路时，共用臂路开关断开。
(2)当相邻2个调压绕组均不接入导通电路时，共用臂路开关断开。
(3)当相邻2个调压绕组仅一个接入导通电路时，共用臂路开关闭合。
此外，本发明装置对应的各分接档位，只允许调压绕组Ti(i＝1,2,……，n)中一个连续的调压绕组组合接入导通电路，不允许调压绕组出现跨越连接，即：当某个或相邻几个调压绕组未接入导通电路时，其两侧的调压绕组不得同时接入导通电路，避免发生匝间环流的情况。换言之，臂路开关单元(E11、……、E1n、E1(n+1))中仅能有0或2个接入导通电路。
对应各分接档位，调压匝数相同时，本发明还规定：优先选择调压绕组数量较少的组合；其次按照从前到后的顺序进行选择。
所述低压绕组配置电压测量装置，并为控制器提供电源。所述电压测量装置直接测量三相低压绕组的电压值，无需采用电压互感器，并向控制器发送电压值。所述电压值包括：每相低压绕组的对地电压值及三相低压绕组之间的线电压值。
所述控制器根据接收的电压值进行计算，并生成调压逻辑，控制开关模块中臂路和桥路开关单元、辅助开关(K1、K2)的开断、闭合。
所述控制器与电力电子式有载分接开关中所有开关模块的臂路和桥路开关单元(E11、……、E1n、E1(n+1)、E21、……、E2n)和辅助开关(K1、K2)连接，用于控制调压绕组(T1、T2、……、Tn)的投入与退出。
控制器由隔离降压单元、电源单元、电压采样单元、过零检测单元、复位电路、单片机控制单元、晶闸管触发驱动单元、控制信号输出单元等组成，如图6所示。过零点和采样电压由配电变压器的二次侧采集，经过隔离降压变压器降压，输送给单片机控制单元，晶闸管触发驱动单元和控制信号输出单元根据单片机控制单元的调压策略，按预定逻辑和时序向各开关模块(M1、M2、……、Mn)中的开关单元(E11、……、E1n、E1(n+1)、E21、……、E2n)和辅助开关(K1、K2)发送触发信号，完成调压动作。
本发明还公开了一种电子电子式有载调压变压器的调压方法，包括以下步骤：
S01)、根据分接范围和调压档位数量确定调压绕组和开关单元的数量，并确定调压绕组的匝数；
分接范围为±5％时，调压档位数量为3，调压绕组数量n＝2，2个调压绕组的匝数相同，均为5％单级调压幅度对应的调压匝数；此时开关模块数量为2，开关单元数量为5；
分接范围为±2×2.5％时，调压档位数量为5，调压绕组数量n＝3，3个调压绕组的匝数比为1:2:1，其调压匝数分别为2.5％单级调压幅度对应调压匝数的倍数；此时开关模块数量为3，开关单元数量为7；
分接范围为±4×2.5％时，调压档位数量为9，调压绕组数量n＝4，4个调压绕组的匝数比为1:2:4:1，其调压匝数分别为2.5％单级调压幅度对应调压匝数的倍数；此时开关模块数量为4，开关单元数量为9；
S02)、初始状态时，所有开关单元(E11、……、E1n、E1(n+1)、E21、……、E2n)全部处于断开状态，所有辅助开关(K1、K2)全部闭合。
S03)、装置上电启动时，电流从首端A经过高压绕组H1到达P点，再经过辅助开关K1、限流电阻R1、全部调压绕组(T1、T2、……、Tn)、限流电阻R2、辅助开关K2后到达Q点，再经过高压绕组H2到达尾端X。高压侧三相绕组通过三角形或星形联结方式组成导通回路。
S04)、装置上电启动后，控制系统通过低压绕组取电，并监测低压侧电压值，通过计算生成调压逻辑，所述调压逻辑是指通过切换调压档位，使监测的低压侧电压值趋近调压目标值，调压逻辑生成以后，控制辅助开关(K1、K2)断开，控制开关单元(E11、……、E1n、E1(n+1)、E21、……、E2n)的断开、闭合，从而达到目标调压档位，实现目标调压状态。
本发明装置调压过程中，开关单元采用电压过零点时导通、电流过零点时关断的控制策略，避免过高的di/dt损坏晶闸管。当电压采样单元检测到低压侧电压值超出允许范围时，单片机控制单元通过计算，在下一个过零点到来时，调整三相对应的开关单元，控制调压绕组的投切，完成调压动作。
本发明装置中，辅助开关优选具备手动开关调试功能的磁保持继电器，限流电阻优选耐高温、使用寿命长、抗氧化能力强且电阻率高的镍铬合金电阻，开关单元中晶闸管优选型号为SKT551/18E，保护电阻优选标称电压为430V的氧化锌压敏电阻。
与图1所示及其他现有技术相比，本发明提供的方案具有以下有益效果：
(1)本发明中调压绕组的匝数采用“二进制编码原则”，减少了电路结构中调压绕组的数量，降低了制造难度。如表1所示：调压档位数量为3时，调压绕组数量与图1方案相同；调压档位数量为5时，调压绕组数量比图1方案减少25％；调压档位数量为9时，调压绕组数量比图1方案减少50％。
表1
(2)本发明中开关模块采用“桥-臂”结构，减少了开关单元的数量，降低了材料成本。以调压绕组数量n为例，图1方案中开关单元数量为3n，本发明中开关单元仅需2n+1个。如表1所示：调压档位数量为3时，开关单元数量比图1方案减少16.7％；调压档位数量为5时，开关单元数量比图1方案减少41.7％；调压档位数量为9时，开关单元数量比图1方案减少62.5％。
(3)通过优化调压控制方法，减少导通电路中开关单元数量，在单个开关单元功耗相同的前提下，降低本发明装置的总损耗。
(4)本发明中控制原则明确、逻辑清晰，便于控制，实现快速切换；开关单元数量的减少也降低了控制难度。
(5)本发明中设置了启动保护方案，解决了传统方式无法正常启动的问题，利用过渡电路避免匝间短路问题的发生，启动时全部调压绕组接入导通电路，变比最大，变压器低压侧输出电压小，保证设备运行安全。
(6)本发明装置耐压试验时，线路中多个电力电子器件串联，可有效分压，提高了装置整体的耐压水平，避免单个器件耐压能力不足造成的问题。
(7)本发明中调压绕组仅有“正向接入”和“不接入”导通电路两种状态，不允许反向接入导通电路，避免了正反调压方式的过零点控制问题；调压逻辑中规定不允许调压绕组出现跨越连接，避免了级间短路问题的发生。
附图说明：
图1为目前公知的一种电力电子式有载调压配电变压器的电路结构示意图；
图2为本发明提供的电力电子式有载调压配电变压器的电路结构示意图；
图3为本发明中开关模块的电路结构示意图；
图4为本发明中开关单元的电路结构示意图；
图5为本发明中控制器的结构示意图；
图6为本发明实施例中分接档位数量为9的电路结构示意图；
图7为本发明实施例中上电启动状态的电路结构示意图；
图8为本发明实施例中调压过渡状态的电路结构示意图；
图9为本发明实施例中目标调压状态的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的限定。
实施例1
本实施例公开一种电力电子式有载调压配电变压器，以分级档位数量9为例进行说明：
分级档位数量为9时，本发明装置有三相绕组，每一相绕组包括：低压绕组L0、高压绕组H1、高压绕组H2、调压绕组(T1、T2、T3、T4)和电力电子式有载分接开关，如图6所示。
高压绕组H1、调压绕组(T1、T2、T3、T4)、高压绕组H2依次串联，组成高压绕组，低压绕组L0与高压绕组耦合。每个调压绕组的两端各引出1个出头，相邻调压绕组的连接位置共用一个出头。
电力电子式有载分接开关包括：与调压绕组(T1、T2、T3、T4)连接的开关模块(M1、M2、M3、M4)、辅助开关(K1、K2)、限流电阻(R1、R2)和控制器。
所有开关模块(M1、M2、M3、M4)中共包含5个臂路开关单元和4个桥路开关单元。
调压绕组(T1、T2、T3、T4)的匝数比为1:2:4:1，其调压匝数分别为单级调压幅度(2.5％)对应调压匝数的倍数(1、2、4、1)。
初始状态时，所有开关单元(E11、E12、E13、E14、E15、E21、E22、E23、E24)全部处于断开状态，所有辅助开关(K1、K2)全部闭合。
装置上电启动时，电流从首端A经过高压绕组H1到达P点，再经过辅助开关K1、限流电阻R1、全部调压绕组(T1、T2、T3、T4)、限流电阻R2、辅助开关K2后到达Q点，再经过高压绕组H2到达尾端X。高压侧三相绕组通过三角形或星形联结方式组成导通回路。
装置上电启动后，控制系统可取电，监测低压侧电压，通过计算生成调压逻辑，控制开关单元(E11、E12、E13、E14、E15、E21、E22、E23、E24)实现目标调压状态。
分级档位数量为9时，各分接档位对应调压绕组接入的情况如表2所示：
表2
表2中“●”表示调压绕组接入导通电路；“○”表示调压绕组不接入导通电路；各分接档位没有调压绕组跨接导通。
分接档位的数量为9时，各分接档位对应开关单元的闭合或断开状态如表3所示：
表3
表3中“●”表示电子开关单元闭合；“○”表示电子开关单元断开。
以装置由上电启动状态调整到额定分接状态(分接档位5)为例，说明开关单元的动作原理：
初始状态为：所有开关单元(E11、E12、E13、E14、E15、E21、E22、E23、E24)全部处于断开状态，所有辅助开关(K1、K2)全部闭合。如图7所示。
给开关单元(E13、E14、E21、E22、、E24)发过零点触发脉冲，使得开关单元(E13、E14、E21、E22、、E24)导通，此时导通电路如图8所示。为了防止辅助开关(K1、K2)在开关单元(E13、E14、E21、E22、、E24)触发前断开使得绕组电流中断，控制系统将触发脉冲的前沿在电流过零点之前发出，以保证变压器不会出现电流中断现象。
断开辅助开关(K1、K2)，2条过渡电路退出运行。此时，导通电路如图9所示，变压器运行在目标调压状态(分接档位5)，调压过程结束。
本发明以满足现行国家标准中规定的配电变压器3种分接范围(±5％、±2*2.5％、±4*2.5％)为实例进行设计，并不用于限制本发明，凡在本发明的设计理念和原则之内所做的任何修改、同等替换、改进，均包含在申请待批的本发明权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种电力电子式有载调压配电变压器，具有三相绕组，每相绕组包括低压绕组L0、高压绕组H1、高压绕组H2、n个调压绕组，高压绕组H1、n个调压绕组、高压绕组H2的绕制方向相同，依次串联组成高压绕组，低压绕组L0与高压绕组耦合，其特征在于：每个调压绕组的两端分别引出1个分接出头，相邻调压绕组的连接位置共用一个分接出头；还包括电力电子式有载分接开关，电力电子式有载分接开关包括n个开关模块、辅助开关、限流电阻和控制器，n个开关模块分别与n个调压绕组相连，开关模块Mn包括与调压绕组Tn上部出头F1n连接的开关单元E1n、与调压绕组Tn下部出头F1(n+1)连接的开关单元E1(n+1)、连接在开关单元E1n、E1(n+1)之间的开关单元E2n，开关模块采用桥-臂结构，开关单位E1n、E1(n+1)为臂路开关单元，开关单元E2n为桥路开关单元，相邻两个开关模块Mn和Mn-1共用一个臂路开关单元E1n，所有开关模块中共包含n+1个臂路开关单元和n个桥路开关单元；辅助开关与限流电阻串联成过渡电路，一路过渡电路连接在高压绕组H1与第一个调压绕组之间，另一路过渡电路连接在最后一个调压绕组与高压绕组H2之间；n为正整数。
2.根据权利要求1所述的电力电子式有载调压配电变压器，其特征在于：桥路开关单元和臂路开关单元结构相同，均包括并联的晶闸管SCR1、SCR2和保护电阻Rf，并且晶闸管SCR1、SCR2反向并联。
3.根据权利要求1所述的电力电子式有载调压配电变压器，其特征在于：本配电变压器适用±5％、±2*2.5％、±4*2.5％三种不同分接范围；
分接范围为±5％时，调压档位数量为3，调压绕组数量n＝2，2个调压绕组的匝数相同，均为5％单级调压幅度对应的调压匝数；此时开关模块数量为2，开关单元数量为5；
分接范围为±2×2.5％时，调压档位数量为5，调压绕组数量n＝3，3个调压绕组的匝数比为1:2:1，其调压匝数分别为2.5％单级调压幅度对应调压匝数的倍数；此时开关模块数量为3，开关单元数量为7；
分接范围为±4×2.5％时，调压档位数量为9，调压绕组数量n＝4，4个调压绕组的匝数比为1:2:4:1，其调压匝数分别为2.5％单级调压幅度对应调压匝数的倍数；此时开关模块数量为4，开关单元数量为9。
4.根据权利要求3所述的电力电子式有载调压配电变压器，其特征在于：调压绕组的调压匝数遵循二进制编码原则，具体为：设调压绕组数量为n，m0代表单个调压幅度对应的调压匝数，mi(i＝1,2,…,n)代表每个调压绕组的匝数，则：
即调压绕组匝数从1×m0开始，按照2的倍数关系递增，直至倒数第二个调压绕组，最后一个调压绕组匝数为1×m0，
所有调压绕组的匝数总和为：mΣ＝2n-1×m0，
对应有载分接开关的档位数量为：mΔ＝mΣ+1＝2n-1+1。
5.根据权利要求1所述的电力电子式有载调压配电变压器，其特征在于：调压绕组采用线性调压方式，每个调压绕组仅有正向接入和不接入导通电路两种状态，不允许反向接入导通电路。
6.根据权利要求5所述的电力电子式有载调压配电变压器，其特征在于：当调压绕组正向接入导通电路时，桥路开关单元断开，臂路开关单元闭合，当调压绕组不接入导通电路时，桥路开关单元闭合，臂路开关单元断开；因相邻的调压绕组共用一个臂路开挂单元，相邻调压绕组对应的臂路开关单元遵循以下规定：
A、当相邻两个调压绕组均接入导通电路时，共用臂路开关单元断开；
B、当相邻两个调压绕组均不接入导通电路时，共用臂路开关单元断开；
C、当相邻两个调压绕组进有一个接入导通电路时，共用臂路开关单元闭合。
7.根据权利要求1所述的电力电子式有载调压配电变压器，其特征在于：当某个或相邻几个调压绕组未接入导通电路时，其两侧的调压绕组不得同时接入导通电路。
8.根据权利要求1所述的电力电子式有载调压配电变压器，其特征在于：控制器包括隔离降压单元、电源单元、电压采样单元、过零检测单元、复位电路、单片机控制单元、晶闸管触发驱动单元和控制信号输出单元，隔离降压单元的输入端连接配电变压器的二次侧，电源单元、电压采样单元、过零检测单元连接在隔离降压单元输出端与单片机控制单元输入端之间，复位电路与单片机控制单元相连，晶闸管触发驱动单元和控制信号输出单元连接在单片机控制单元的输出端，用于向开关单元、辅助开关发送调压触发信号。
9.一种电力电子式有载调压配电变压器的调压方法，其特征在于：本方法基于权利要求1所述配电变压器，包括以下步骤：
S01)、根据分接范围和调压档位数量确定调压绕组和开关单元的数量，并确定调压绕组的匝数；
分接范围为±5％时，调压档位数量为3，调压绕组数量n＝2，2个调压绕组的匝数相同，均为5％单级调压幅度对应的调压匝数；此时开关模块数量为2，开关单元数量为5；
分接范围为±2×2.5％时，调压档位数量为5，调压绕组数量n＝3，3个调压绕组的匝数比为1:2:1，其调压匝数分别为2.5％单级调压幅度对应调压匝数的倍数；此时开关模块数量为3，开关单元数量为7；
分接范围为±4×2.5％时，调压档位数量为9，调压绕组数量n＝4，4个调压绕组的匝数比为1:2:4:1，其调压匝数分别为2.5％单级调压幅度对应调压匝数的倍数；此时开关模块数量为4，开关单元数量为9；
S02)、初始状态时，所有开关单元全部处于断开状态，所有辅助开关全部闭合；
S03)、装置上电启动时，电流从首端A经过高压绕组H1到达P点，再经过辅助开关K1、限流电阻R1、n个调压绕组、限流电阻R2、辅助开关K2后到达Q点，再经过高压绕组H2到达尾端X，高压侧三相绕组通过三角形或星形联结方式组成导通回路；
S04)、装置上电启动后，控制器通过低压绕组取电，并监测低压侧电压值，通过计算生成调压逻辑，所述调压逻辑是指通过切换调压档位，使监测的低压侧电压值趋近调压目标值，调压逻辑生成以后，控制辅助开关断开，开关单元断开或闭合，从而达到目标调压档位，实现目标调压状态。
10.根据权利要求9所述的电力电子式有载调压配电变压器的调压方法，其特征在于：调压时，开关单元采用电压过零点时导通、电流过零点时关闭的控制策略，当电压采样单元检测到低压侧电压值超出允许范围时，单片机控制单元通过计算，在下一个过零点到来时，调整三相对应的开关单元，控制调压绕组的投切，完成调压动作。
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