CN114285341B - 一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统和方法。该电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统与装置包括：由调容变压器和反并联晶闸管开关组组成的电力电子式有载无弧调容变压器，容量调节控制器，容量判断单元和电压电流传感器。通过电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统，装置与方法的应用，既能缩短调容暂态过程的时间，维持负载电压暂态过程中的电能质量，能保证敏感性负载的供电，又能实现调容暂态过程的无电弧，无过电压过电流，延长调容变压器的使用寿命，还能实现机械式调容变压器相同的调容效果，达到节能的目的，减少配电网的运行成本。

Description

一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统和 方法

技术领域

本发明属于变压器领域，具体涉一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统和方法。

背景技术

在科技和经济飞速发展的推动下，现代社会对能源的需求随着时间的推移不断增加。能源危机、碳排放超标、环境污染等问题日趋严重。配电网作为直接与用户侧相连的电力系统末端，具有负荷分布广、季节性强、平均负荷率低等特点，在欠发达地区更为明显。

在负荷季节性变化大、峰谷差明显的地区，出于安全考虑，配电变压器必须按最大负荷容量进行设计和使用。这导致配电变压器的年均负荷率较低，配电变压器的损耗在整个中低压电网的损耗中占很大比例。因此，研发节能型配电变压器，减少配电网能量损耗和碳排放的呼声越来越高。

调容变压器作为一种具有潜力的节能电气设备，不仅可以在轻载时经济运行，而且在用电高峰期也能保证足够的容量，从而达到降低变压器损耗的效果。现阶段工业上使用的有载调容变压器主要采用机械开关作为调容开关。但是这样的实现存在的问题有：第一分接触点在开关过程中会产生电弧，烧蚀导电触点，污染绝缘油，影响绝缘特性，缩短使用寿命。第二由于机械惯性等因素，容量调整过程的响应速度较慢，滞后容量调整指令5个工频周期甚至更长时间，不能用于电能质量要求较高的场所。第三机械传动结构复杂，故障率高，维修工作量大。

因此，以电力电子器件作为调容开关的电力电子式调容变压器可以克服机械调容开关的固有缺点，能够实现有载无弧的调容过程，具有在配电网中广泛应用的潜力。鉴于晶闸管具有成本低、耐电流大、耐电压高等优点，电力电子式有载无弧调容变压器一般选用反并联晶闸管作为调容开关。

然而由于晶闸管的半可控器件特性，一方面，如果同时向三相容量调节开关发出控制指令，变压器内部就会出现内部短路和过流现象。另一方面，如果采用无励磁容量调节方式，会增加响应过程的时间，可能造成负载电压缺相，影响供电质量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统和方法，以解决现有技术中电力电子式有载无弧调容变压器调容过程中的暂态过电压和过电流问题，以及调容过程中用户侧电压不连续，电能质量低的问题

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统，包括电力电子式有载无弧调容变压器、容量判断单元和容量调节控制器；

电力电子式有载无弧调容变压器包括连接的三相两绕组变压器和开关组，所述开关组由若干个开关组成；所述三相两绕组变压器和容量判断单元连接，容量判断单元和容量调节控制器连接，容量调节控制器和开关组连接；所述开关位于三相两绕组变压器的一次侧中和二次侧中；

所述三相两绕组变压器一次侧绕组A相上设置有开关S_a1、B相上设置有开关S_b1、C相上设置有开关S_c1；开关S_a1和A相绕组的连接点设置有分支，分支上设置有开关S_a2，开关S_b1和B相绕组的连接点设置有分支，分支上设置有开关S_b2，开关S_c1和C相绕组的连接点设置有分支，分支上设置有开关S_c2；开关S_a2的另一端、开关S_b2的另一端和开关S_c2的另一端连接于一点；

所述三相两绕组变压器二次侧绕组的每一相包括并联的三绕组，分别为绕组W₂₁、绕组W₂₂和绕组W₂₃；每一相中绕组W₂₁的第二端和绕组W₂₂的第一端连接，绕组W₂₁的第二端通过一个开关和绕组W₂₃的第一端连接，绕组W₂₃的第二端和绕组W₂₂的第二端通过一个开关连接，绕组W₂₂的第二端通过一个开关和绕组W₂₃的第一端连接；

系统在大容量工作状态时，一次侧为三角形接法，二次侧的绕组W₂₂和绕组W₂₃并联后再与绕组W₂₁串联；小容量工作状态时，一次侧为星型接法，二次侧的绕组W₂₁、绕组W₂₂和绕组W₂₃三段串联。

本发明的进一步改进在于：

优选的，一次侧绕组中的所有开关以及二次侧绕组中的所有开关均为反并联晶闸管。

优选的，一次侧绕组中的所有开关以及二次侧绕组中的所有开关均为无弧电力电子开关。

优选的，二次绕组中，绕组W₂₁的匝数与二次侧额定匝数的比例为0.27、绕组W₂₂的匝数与二次侧额定匝数的比例为0.73，绕组W₂₃的匝数与二次侧额定匝数的比例为0.73。

优选的，所述三相两绕组变压器和容量判断单元之间设置有电压电流传感器。

一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1，比较负载当前容量S和最佳调容点S_c的大小；

步骤2，如果S大于Sc，判断三相两绕组变压器是否处于大容量工作状态，如果处于大容量状态，则保持开关组状态不变；如果三相两绕组变压器处于小容量工作状态，通过切断开关组中小容量状态对应开关组，导通大容量状态对应开关组，使得三相两绕组变压器(2)处于大容量工作状态；

如果S小于S_c，判断三相两绕组变压器是否处于小容量工作状态，如果处于小容量状态，则保持开关组状态不变；如果三相两绕组变压器处于大容量工作状态，通过切断开关组中大容量状态对应开关组，导通小容量状态对应开关组，使得三相两绕组变压器处于小容量工作状态。

优选的，步骤2中，如果三相两绕组变压器处于小容量工作状态，切断开关组中小容量状态对应开关组的驱动信号后，等待电流过零点后，三相分别延迟不同的时间t_a,t_b,t_c后，再导通大容量状态对应开关组的驱动信号。

优选的，t_a,t_b,t_c的计算公式为：

优选的，步骤2中，如果当前处于大容量工作状态，先切除大容量状态对应开关组的驱动信号，等待电流过零点后，三相分别延迟不同的时间t_a,t_b,t_c后，再导通小容量状态对应开关组的驱动信号。

优选的，t_a,t_b,t_c的计算公式为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统。该电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统与装置包括：由调容变压器和反并联晶闸管开关组组成的电力电子式有载无弧调容变压器，容量调节控制器，容量判断单元和电压电流传感器。通过电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统，装置与方法的应用，既能缩短调容暂态过程的时间，维持负载电压暂态过程中的电能质量，能保证敏感性负载的供电，又能实现调容暂态过程的无电弧，无过电压过电流，延长调容变压器的使用寿命，还能实现机械式调容变压器相同的调容效果，达到节能的目的，减少配电网的运行成本。

本发明还公开了一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制方法，该方法既能缩短调容暂态过程的时间，维持负载电压暂态过程中的电能质量，能保证敏感性负载的供电，又能实现调容暂态过程的无电弧，无过电压过电流，又能保证用户侧的电压在调容过程中连续，保持良好的供电电能质量，避免敏感性负载的损坏，延长调容变压器的使用寿命，还能实现机械式调容变压器相同的调容效果，达到节能的目的，减少配电网的运行成本。

附图说明

图1为本发明所涉及的电力电子式有载无弧调容变压器控制系统总体结构图。

图2为本发明所涉及的电力电子式有载无弧调容变压器整体结构示意图。

图3为本发明所涉及的电力电子式有载无弧调容变压器一个无弧电力电子开关示意图。

图4为本发明所涉及的电力电子式有载无弧调容变压器控制系统流程图。

其中，1-电力电子式有载无弧调容变压器；2-三相两绕组变压器；3-开关组；4-容量判断单元；5-容量调节控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

暂态优化控制方法为容量调节控制系统通过电压电流传感器采集到负载侧实时的电压和电流，计算出当前的负载容量，与最佳调容点的容量比较后得到变压器目前应该处于大容量工作状态还是小容量工作状态。如果期望的工作状态与当前变压器的工作状态一致，则对于开关组3的控制信号不做改变。如果不同，则首先切断上一个容量状态对应开关组3的驱动信号，控制系统检测到电流过零点后，再根据变压器参数计算出每相应该延迟的时间，每相延迟不同的时间后导通下一个容量状态对应的开关组3，完成工作状态的切换。

如图1所示，本发明所设计的一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统，装置与方法。该系统包括由调容变压器和反并联晶闸管开关组3组成的电力电子式有载无弧调容变压器1、容量判断单元4、容量调节控制器5和电压电流传感器模块组成。电压电流传感器设置在调容变压器和容量判断单元4之间，电压电流传感器将调容变压器的电压电流信号测量出来，然后传送到容量判断单元4中；电压电流传感器将测量得到的电力电子式有载无弧调容变压器1的负载侧电压U_2abc和电流I_2abc输入到容量判断单元4中，之后容量判断单元4根据负载侧电压U_2abc和电流I_2abc计算出调容变压器当前容量S，并将该容量传递至容量调节控制器5。容量判断单元4接收容量调节控制器5发送的当前容量状态信号的同时，根据控制器中程序的逻辑判断的结果，决定是否向容量调节控制器5发送切换容量信号。容量调节控制器5向调容变压器发送控制开关组3的信号来控制不同的反并联晶闸管开关组3的开通与关断。

电力电子式有载无弧调容变压器1包括一个三相两绕组变压器2和两个由15个反并联晶闸管组成的开关组3，三相两绕组变压器2为调容变压器，其中每一个反并联晶闸管为一个无弧电力电子开关，分别对应变压器的两种容量状态，如图2所示。具体的，三相两绕组变压器2由一次侧绕组W₁，二次侧绕组W₂和铁芯三部分组成。其中变压器二次侧的每相绕组都由三段匝数不同的绕组构成，三段绕组的匝数与二次侧额定匝数的比例分别是0.27,0.73,0.73。

当大容量状态对应开关组闭合时，三相两绕组变压器2的一次侧绕组为三角形接法，二次侧的三段绕组为第二段绕组与第三段绕组并联后再与第一段绕组串联，此时变压器的容量为额定容量。当小容量状态对应开关组闭合时，变压器的一次侧绕组为星型接法，二次侧的三段绕组为第一段绕组，第二段绕组与第三段绕组串联，此时变压器的容量为额定容量的三分之一，空载损耗也降低到额定空载损耗的三分之一。

具体的，一次侧绕组由三相绕组和六个无弧电力电子开关S_a1,S_b1,S_c1,S_a2,S_b2,S_c2组成，三相绕组的三个接入点A,B,C用来接入10kV三相中压电网。A相绕组的第一端和10kV三相中压电网连接，第二端和B相的第一端连接线上设置有开关S_a1，A相的第二端和开关S_a1的连接线上设置有分支，该分支和开关S_a1的第一端连接；B相的第一端和的第二端连接，B相的第一端同时连接至10kV三相中压电网，B相的第二端和C相的第一端通过开关S_b1连接，B相的第二端和开关S_b1连接线上设置有分支和开关S_a1的第一端连接；C相的第一端连接和开关S_a1的第二端连，C相的第一端同时连接至10kV三相中压电网，C相的第二端和A相的第一端通过开关S_c1连接，开关S_c1和C相的第二端连接线上设置有分支，该分支和开关S_c2连接。开关S_a2、开关S_b2和开关S_c2的第二端连接与一点。

二次侧绕组由9段绕组和9个无弧电力电子开关Sa₃,Sb₃,Sc₃,Sa₄,Sa₅,Sb₄,Sb₅,Sc₄,Sc₅组成。三相并联；以a相为例，每相有三段绕组W₂₁，W₂₂和W₂₃，三段绕组的匝数分别为二次侧额定匝数的0.27,0.73,0.73倍。绕组W₂₁、绕组W₂₂和绕组W₂₃的连接方式为：绕组W₂₁的第二端和绕组W₂₂的第一端连接，绕组W₂₁的第二端和绕组W₂₂的第一端连接处设置有分支，该分支通过开关Sa₄和绕组W₂₃的第一端连接，绕组W₂₂的第二端和绕组W₂₃的第二端通过开关Sa₅共同连接至二次侧电压输出a点，绕组W₂₂的第二端和绕组W₂₃的第二端通过开关Sa₅连接。b相和c相的设置方式和a相相同，不再赘述。

进一步的，对于，三相两绕组变压器2有大容量和小容量两个对应的开关组，大容量开关组包括开关Sa₁,Sb₁,Sc₁,Sa₄,Sa₅,Sb₄,Sb₅,Sc₄，小容量开关组包括开关Sa₂,Sb₂,Sc₂,Sa₃,Sb₃,Sc₃。大容量工作状态下，大容量开关组闭合，小容量开关组断开，一次侧为三角型接法，二次侧的W₂₂和W₂₃并联后再与W₂₁串联。小容量工作状态下，小容量开关组闭合，大容量开关组断开，一次侧为星型接法，二次侧的W₂₁,W₂₂和W₂₃三段绕组串联。

无弧电力电子开关的结构示意图如图3所示，每一个无弧电力电子开关由两个反并联连接的晶闸管组成，即其中第一个晶闸管的首端接到第二个晶闸管的末端，第二晶闸管的首端接到第一个晶闸管的末端。

图4所示为本发明所设计的电力电子式有载无弧调容变压器控制系统流程图，是图1中容量调节控制器5主程序的编写思路。在收到容量判断单元4计算出的负载当前容量S后，判断S与最佳调容点S_c的大小关系。

如果S大于S_c，再通过当前导通的开关组是大容量对应的开关组还是小容量对应的开关组，判断当前变压器是否处于大容量工作状态，如果大容量对应的开关组导通，系统处于大容量状态，则保持开关组状态不变，反之如果当前处于小容量工作状态，则先切除小容量状态对应的开关组的驱动信号，等待电流过零点后，三相分别延迟不同的时间t_a,t_b,t_c后，再导通大容量状态对应的开关组的驱动信号。其中t_a,t_b,t_c是根据变压器的等效参数计算而来的，如公式(1)所示：

公式(1)中，R₁，R'₂和R'_L为统一折算到原边的一次侧绕组的铁损电阻，二次侧绕组的铁损电阻和负载的等效电阻。R_m和L_m是励磁电阻和励磁电感。X₁，X'₂和X'_L为统一折算到原边的一次侧绕组的感抗，二次侧绕组的感抗和负载的等效感抗。ω为电网角频率。t_a，t_b和t_c分别为从小容量调节到大容量过程中a相，b相和c相的延迟时间。

类似的，如果S小于S_c，再判通过当前导通的开关组是大容量对应的开关组还是小容量对应的开关组，断当前变压器是否处于小容量工作状态，如果小容量对应的开关组导通，系统处于小容量状态，则保持开关组状态不变，反之如果当前处于大容量工作状态，则先切除大容量状态对应的开关组的驱动信号，等待电流过零点后，三相分别延迟不同的时间t_a,t_b,t_c后，再导通小容量状态对应的开关组的驱动信号。其中t_a,t_b,t_c是根据变压器的等效参数计算而来的，如公式(2)所示：

公式(2)中，R₁，R'₂和R'_L为统一折算到原边的一次侧绕组的铁损电阻，二次侧绕组的铁损电阻和负载的等效电阻。R_m和L_m是励磁电阻和励磁电感。X₁，X'₂和X'_L为统一折算到原边的一次侧绕组的感抗，二次侧绕组的感抗和负载的等效感抗。ω为电网角频率。t_a，t_b和t_c分别为从大容量调节到小容量过程中a相，b相和c相的延迟时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，比较负载当前容量S和最佳调容点S_c的大小；

步骤2，如果S大于Sc，判断三相两绕组变压器(2)是否处于大容量工作状态，如果处于大容量状态，则保持开关组(3)状态不变；如果三相两绕组变压器(2)处于小容量工作状态，通过切断开关组(3)中小容量状态对应开关组，导通大容量状态对应开关组，使得三相两绕组变压器(2)处于大容量工作状态；

如果三相两绕组变压器(2)处于小容量工作状态，切断开关组(3)中小容量状态对应开关组的驱动信号后，等待电流过零点后，三相分别延迟不同的时间t_a,t_b,t_c后，再导通大容量状态对应开关组的驱动信号；

如果S小于S_c，判断三相两绕组变压器(2)是否处于小容量工作状态，如果处于小容量状态，则保持开关组(3)状态不变；如果三相两绕组变压器(2)处于大容量工作状态，通过切断开关组(3)中大容量状态对应开关组，导通小容量状态对应开关组，使得三相两绕组变压器(2)处于小容量工作状态；

如果当前处于大容量工作状态，先切除大容量状态对应开关组的驱动信号，等待电流过零点后，三相分别延迟不同的时间t_a,t_b,t_c后，再导通小容量状态对应开关组的驱动信号；

t_a,t_b,t_c的计算公式为：

公式(1)中，R₁，R'₂和R'_L为统一折算到原边的一次侧绕组的铁损电阻，二次侧绕组的铁损电阻和负载的等效电阻；R_m和L_m是励磁电阻和励磁电感；X₁，X'₂和X'_L为统一折算到原边的一次侧绕组的感抗，二次侧绕组的感抗和负载的等效感抗；ω为电网角频率；t_a，t_b和t_c分别为从小容量调节到大容量过程中a相，b相和c相的延迟时间；

_a,t_b,t_c的计算公式为：

公式(2)中，R₁，R'₂和R'_L为统一折算到原边的一次侧绕组的铁损电阻，二次侧绕组的铁损电阻和负载的等效电阻；R_m和L_m是励磁电阻和励磁电感；X₁，X'₂和X'_L为统一折算到原边的一次侧绕组的感抗，二次侧绕组的感抗和负载的等效感抗；ω为电网角频率；t_a，t_b和t_c分别为从大容量调节到小容量过程中a相，b相和c相的延迟时间。

2.一种用于实现权利要求1方法的电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统，其特征在于，包括电力电子式有载无弧调容变压器、容量判断单元(4)和容量调节控制器(5)；

电力电子式有载无弧调容变压器(1)包括连接的三相两绕组变压器(2)和开关组(3)，所述开关组(3)由若干个开关组成；所述三相两绕组变压器(2)和容量判断单元(4)连接，容量判断单元(4)和容量调节控制器(5)连接，容量调节控制器(5)和开关组(3)连接；所述开关位于三相两绕组变压器(2)的一次侧中和二次侧中；

所述三相两绕组变压器(2)一次侧绕组A相上设置有开关S_a1、B相上设置有开关S_b1、C相上设置有开关S_c1；开关S_a1和A相绕组的连接点设置有分支，分支上设置有开关S_a2，开关S_b1和B相绕组的连接点设置有分支，分支上设置有开关S_b2，开关S_c1和C相绕组的连接点设置有分支，分支上设置有开关S_c2；开关S_a2的另一端、开关S_b2的另一端和开关S_c2的另一端连接于一点；

所述三相两绕组变压器(2)二次侧绕组的每一相包括串并联的三绕组，分别为绕组W₂₁、绕组W₂₂和绕组W₂₃；每一相中绕组W₂₁的第二端和绕组W₂₂的第一端连接，绕组W₂₁的第二端通过一个开关和绕组W₂₃的第一端连接，绕组W₂₃的第二端和绕组W₂₂的第二端通过一个开关连接，绕组W₂₂的第二端通过一个开关和绕组W₂₃的第一端连接；

系统在大容量工作状态时，一次侧为三角形接法，二次侧的绕组W₂₂和绕组W₂₃并联后再与绕组W₂₁串联；小容量工作状态时，一次侧为星型接法，二次侧的绕组W₂₁、绕组W₂₂和绕组W₂₃三段串联。

3.根据权利要求2所述的一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统，其特征在于，一次侧绕组中的所有开关以及二次侧绕组中的所有开关均为反并联晶闸管。

4.根据权利要求2所述的一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统，其特征在于，一次侧绕组中的所有开关以及二次侧绕组中的所有开关均为无弧电力电子开关。

5.根据权利要求2所述的一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统，其特征在于，二次绕组中，绕组W₂₁的匝数与二次侧额定匝数的比例为0.27、绕组W₂₂的匝数与二次侧额定匝数的比例为0.73，绕组W₂₃的匝数与二次侧额定匝数的比例为0.73。

6.根据权利要求2所述的一种电力电子式有载无弧调容变压器暂态优化控制系统，其特征在于，所述三相两绕组变压器(2)和容量判断单元(4)之间设置有电压电流传感器。