CN113258582A

CN113258582A - 基于igbt双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿方法及装置

Info

Publication number: CN113258582A
Application number: CN202110631590.8A
Authority: CN
Inventors: 彭超; 尹子晨; 柴金超; 唐欣; 刘孟莎; 张杨
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2021-08-13

Abstract

本发明公开了一种基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿方法及装置，涉及电力技术领域，重点对环流的产生机理进行了数学分析与推导，并通过反并联IGBT组成双向开关，结合基于输入侧电压的四步换流策略，完美解决了任意两组双向开关进行分接头输出换流时，所出现双向开关同时导通或同时关断问题，消除了环流与断路故障，克服了分接头切换时刻的电流冲击，提高了供电质量与可靠性，相比现有无触点交流调压器具有响应速度快，可靠性高,安全性强等特点。

Description

基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿方法及装置。

背景技术

在现代电力系统中，由于雷击过电压、短路故障、大型感应电动机启动等因素的影响，常常会导致电网电能质量的下降，其中电压跌落是目前最严重的电能质量问题之一，而电网电压质量的下降会给用户侧带来巨大的损失。

在现有的技术中，电力电子器件构成的无触点交流调压装置，由于其较高的性价比和补偿时间不受限制等优势，得到广泛应用，但也存在没有很好地克服分接头输出换流时，所出现环流与断路故障问题，在切换构成中容易形成大电流冲击，可靠性不高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明重点介绍了环流的产生机理；定量分析环流变化，建立数学模型；并提供了一种基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿方法及装置；通过反并联IGBT组成的双向开关，采用基于输入电压的四步换流策略，从而实现在分接头切换期间，安全可靠换流。

在不同分接头进行切换时，通常是开通需要导通的晶闸管，后关断原先导通的晶闸管(负载为感性时，电压先电流过零)，来保证供电电能质量，但由于晶闸管不是理想的电力电子器件，存在开通和关断时间，并且只能电流过零关断，因此在切换过程中，就存在两个晶闸管同时导通的现象，形成环流。

通过建立环流等效电路图，对环流的产生机理及大小进行深入分析，并建立一种基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿方法及装置，换流方法是首先已知输入侧电压的大小，在图6中，以输出电流i₀进行从双向开关S_u换流至S_v为例，详细分析基于输入电压的四步换流的工作原理。

有益效果

本发明公开了一种基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿方法及装置，完美解决了任意两组双向开关进行分接头输出换流时，所出现双向开关同时导通或同时关断问题，消除了环流与断路故障，克服了分接头切换时刻的电流冲击，提高了供电质量与可靠性。相比现有无触点交流调压器具有响应速度快，可靠性高,安全性强等特点。

附图说明

图1传统无触点交流调压器的结构示意图；

图2环流示意图；

图3绕组环流等效电路图；

图4暂态电流示意图；

图5基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿装置原理示意图；

图6基于输入电压的双向开关四步换流策略；

图7本发明实施基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿装置分接头换流时仿真结果示意图；

具体实施方式

为了方便理解本发明内容，下面结合具体实施方法进行阐述。如图1传统无触点交流稳压器的结构示意图所示，该系统主要包括:1-双边多抽头变压器副边T1、2-双边多抽头变压器原边T2、3-分接头选择模块SCR1-SCR4，其中自动控制单元与分接头选择模块相连、4-电源、5-负载。在不同分接头进行切换时，通常是开通需要导通的晶闸管，后关断原先导通的晶闸管(负载为感性时，电压先电流过零)，来保证供电电能质量。但由于晶闸管不是理想的电力电子器件，存在开通和关断时间，并且只能电流过零关断，因此在切换过程中，就存在两个晶闸管同时导通的现象。

如图2环流示意图所示，例如在高挡位(原副边匝数变比大)SCR1导通补偿时，切换到低档位(原副边匝数变比小)SCR3导通时，在切换的暂态时刻将产生环流，此时环流i的流动方向为SCR1-变压器原边绕组-SCR3-SCR1。

它可通过图3绕组环流等效电路图计算。图中Z_WL是变压器原边各相邻抽头间调节绕组漏阻抗。u是变压器原边短路电压，i是变压器原边短路电流。

图3中各相邻抽头间调节绕组漏阻抗Z_Wi(i＝1,2,3,4)相等且满足：

Z_Wi＝L_Wi+R_Wi (1)

L_Wi＝0.0054H，R_Wi＝0.94Ω，X_Wi＝1.69Ω. (2)

电源电压u_s为电网电压220V,一二次侧匝数比为(n₁+n₂+n₃+n₄):n₀＝8:1,且n₁＝n₂＝n₃＝n₄。如图3所示，变压器原边短路电压为

u＝77.75sin(wt) (3)

图3中，回路电压方程为

式中的解为

i＝i′+i″ (5)

式中：i'为回路电流的稳态分量。

式中：i”为回路电流暂态分量。

式中：ε为环流回路的时间常数。

式中的A与变换接头前功率因数角

和电流值有关。在正常情况下，电流远远小于环流电流，故环流形成前取i＝0。

代入式中，0＝40.18·(-0.87)+A

A＝34.9 (9)

因此i＝40.18sin(wt-60.9°)+34.9e^-175.43t (10)

图4给出了正常工作情况电流变化曲线；SCR1闭合而SCR3未断开时，该闭合回路的电流变化曲线。i₁为环流理论值，i₂为环流仿真值，i₃为正常工作电流。由图4可知，在t＝0s，两组双向开关进行分接头输出换流时，环流瞬时值理论计算与仿真结果基本一致，在t＝0.01s附近，环流达到峰值，环流瞬时值达到正常值的60倍，并在t＝0.15s时，上一导通的SCR1晶闸管关断，环流暂态过程结束。

由推导的数学模型可知，环流的形成是由于在切换过程中，存在两个晶闸管同时导通，环流的大小与变压器绕组漏抗、电阻以及短路绕组上电压大小有关。

如图5所示，本发明提供了一种基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿装置。装置包括：双向开关S₁、S₂、S₃，由两个IGBT反并联组成；多抽头变压器副边T1，串联接入电源与负载之间，同名端与负载相连，异名端连于电源；多抽头变压器原边T2，设有3个抽头，并联在电源上，同名端与电源相连，异名端连于负载侧；控制单元，与各个双向开关相连，用于控制双向开关导通与关断。为了保证装置的可靠性与安全性，双向开关之间的换流采用基于输入电压方向的双向开关四步换流策略的方法来实现器件之间的安全换流。

如图6，该换流方法是首先已知输入侧电压的大小，以输出电流i₀进行从双向开关S_u换流至S_v为例，详细分析基于输入电压的四步换流的工作原理。换流时假设u>v(即由高档位调至低档位)且两个双向开关S_u1、S_u2都已经导通，而S_v1、S_v2处于关断状态。

1)输出电流i₀方向无法确定，故不能关断S_u1或S_u2，此时u>v，利用驱动脉冲使S_v2导通，而不会造成电压源短路。

2)由于S_u1和S_v2处于导通状态，此时可关断S_u2。

3)利用驱动脉冲使S_v1导通。

4)关断S_u1。

当U＜V时，可采用同样的分析方法进行换流动作分析。

图7给出了S1切换至S3两组双向开关进行分接头输出换流时，本发明方案性能状况，可以看出，在t＝0.3s，从双向开关S₁换流至S₃的暂态过程中,环流抑制效果明显，分接头输出电流良好。

Claims

1.定量分析环流变化，建立数学模型，其特征在于，包括：

详述环流产生机理，建立传统无触点交流稳压器的绕组环流等效电路图，并推导出环流数学模型，其中该系统主要包括:1-双边多抽头变压器副边T1、2-双边多抽头变压器原边T2、3-分接头选择模块SCR1-SCR4、其中自动控制单元与分接头选择模块相连、4-绕组等效漏抗、5-绕组等效电阻、6-负载、环流的形成是由于在切换过程中，存在两个晶闸管同时导通，环流的大小与变压器绕组漏抗、绕组电阻以及短路绕组上电压大小有关。

2.提供了一种基于IGBT双向开关换流控制的配电网欠压自动补偿方法及装置；通过反并联IGBT组成的双向开关，采用基于输入电压的四步换流策略，从而实现在分接头切换期间，安全可靠换流，装置包括：双向开关S₁、S₂、S₃，由两个IGBT反并联组成；多抽头变压器副边T1，串联接入电源与负载之间，同名端与负载相连，异名端连于电源；多抽头变压器原边T2，设有3个抽头，并联在电源上，同名端与电源相连，异名端连于负载侧；控制单元，与各个双向开关相连，用于控制双向开关导通与关断；为了保证装置的可靠性与安全性，双向开关之间的换流采用基于输入电压方向的双向开关四步换流策略的方法来实现器件之间的安全换流。