无触点有载调压（精选3篇）
无触点有载调压 篇1
摘要：为解决传统电力系统中配电变压器有载调压分接开关故障率高的问题, 本文对基于电力电子器件的配电变压器无触点有载调压开关展开了研究, 具体对开关系统的设计问题展开了探讨, 以期为关注这一话题的人们提供参考。
关键词：电力电子器件,配电变压器,无触点有载调压开关
随着经济水平的提高, 配电网的电能质量也引起了人们重视。在过去, 配电变压器的有载调压使用的是机械式分接开关, 容易出现故障, 所以无法较好解决电网末端电压波动问题。针对这一情况, 基于电力电子器件的无触点有载调压开关得以被提出, 可用于降低配电变压器有载调压故障率。因此, 相关人员还应加强该种开关系统研究, 以便为配电网安全运行提供更多保障。
1 无触点有载调压开关系统的设计需求
在电力系统中, 用于执行开关功能的机械构件与电动机构的结合存在较多问题, 具有响应动作慢和故障率高的特点。在配电变压器调压过程中, 触头有较大可能因电弧作用出现烧蚀等问题, 不仅会导致油体污染, 还会制约变压器功能发挥, 继而导致电力系统供电可靠性降低。使用基于电力电子器件的无触点有载调压开关, 可发挥其可频繁动作、反应迅速和动作时无电弧产生的优点, 能使配电系统电压保持稳定。比如针对10k V配电网, 容量500k VA配电变压器的高压侧额定电流约为29A。这一侧连接有较多有载分接头, 彼此间承受相电压约为289V。以电力电子器件为分接头实现有载调压, 功率开关额定电流及电压则能够满足配电变压器额定运行要求。此外, 通过合理设计系统电路和触发控制流程, 则能够确保负载电流不在分接变换过程中被切断, 同时绕组部位也不会出现短路, 因此能够满足配电网运行需求。
2 无触点有载调压开关系统的设计研究
2.1 设计方案
在一次侧不断电条件下, 利用变压器分接开关改变一次绕组匝数, 从而通过改变变压器变比实现电压调整的过程就被称之为无触点有载调压。围绕这一核心理念, 可以分别从变压器一次侧绕组A、B、C三相引出三组分接头, 并将分接头与电力电子开关模块连接, 然后将其连接在中性点处。在此基础上, 就可以通过控制开关模块开断调整配电侧电压, 从而通过无触点有载调压满足配电网运行需求。而系统使用的分接开关为电力电子开关器件, 需要利用额外支路进行开关切换控制, 并发挥限制环流的作用。
2.2 电路设计
2.2.1 缓冲电路设计
在系统设计过程中, 为确保开关模块安全运行, 需要限制电路中电流和电压的上升率。为此, 需要在开关模块两端进行RC阻容并联, 以完成缓冲电路设计。因为, 电路中总有负载电感或漏感存在, RC则能通过发挥阻尼作用防止R、L、C电路在过渡中因震荡而产生过电压, 所以能避免电容器两端出现开关器件损坏问题。因此, 利用两端电压不能突变特性, 能达成限制电压上升率的目的。此外, 在开关模块换向过程中, 将产生过电压。通过合理进行缓冲电路参数选择, 则能够确保开关模块可靠工作, 从而确保变压器可靠运行。在实际确定缓冲电路的电容和电阻时, 需要根据变压器容量和功率开关型号确定。根据以往经验, 在开关器件额定电流不超过50A, 可选0.2μF电容和40Ω碳膜电阻。
2.2.2 保护电路设计
在实现无触点有载调压时, 作为分接开关的开关模块将得到切换, 并产生环流。通过增加开关支路, 则能限制环流。在设计基于晶闸管的调压开关时, 可以使用光电耦合出发模块实现晶闸管过零触发。但是, 一旦负载为感性, 电路中就会出现电流滞后电压的问题。在电压过零后, 作为分接开关的晶闸管支路将在关断时出现两端电压较高的问题。在到达一定值时, 支路晶闸管可能出现无法触发问题。此时, 变压器一侧回路将被断开, 分接开关则会出现过压击穿问题, 从而导致变压器的可靠性受到影响。考虑到设计成本问题, 可以使用双向晶闸管作为支路开关完成限流电路设计, 以利用中间继电器和触发电阻完成触发动作, 以免触发模块出现无法被触发问题。
2.2.3 分接模块设计
随着电力电子技术的发展, 绝缘栅双击晶体管、门极可关断晶闸管和双极结型晶体管等电力电子器件都拥有了较为成熟的技术, 可实现电路开断。而绝缘栅双极晶体管是常用电压驱动全控器件, 具有耐冲击电流、反向阻断电压低、开关损耗小等优点。在设计双向功率开关模块时, 可使用该类型晶体管为核心电力电子器件, 并配合使用二极管实现交流电路开断控制。在晶体管导通时, 开关模块将会闭合, 电流则能通过。在晶体管关断时, 开关模块则会断开, 电流则无法通过。在具体选择器件时, 需留有一定裕度。针对10k V配电变压器, 开关模块承受电压为分接绕组间最大电压, 约为577V。在实际选择器件时, 应选择耐压值在1154-1732V之间的器件, 既耐压值为最大电压值的2到3倍, 以确保设备运行可靠性。而额定电流则为配电变压器一次侧额定电流的6到8倍, 具体可选择可承受600A峰值电流的开关器件。在调压的过程中, 还要遵循固定调压流程进行调压, 才能确保设备的安全运行。
3 结论
通过分析配电变压器无触点有载调压开关设计需求, 本文对基于电力电子器件的无触点有载调压开关系统设计问题展开了研究, 具体对系统缓冲电路、保护电路和开关模块的设计问题展开了探讨。而本文提出的设计方案可实现配电变压器高压侧线路的控制, 可以使配电网的耐压问题得到解决, 因此能够确保配电网的安全运行。
参考文献
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无触点有载调压 篇2
为了解决设备电压不稳的问题,常采用传统的机械式有载分接开关调节电压来维持电网电压的稳定。但这种方法调压响应速度慢、调压过程中有电弧产生等弊端[1,2],不能满足现代电网安全和经济运行的要求。
随着电力电子技术的迅速发展,新型的高电压、大功率电力电子器件进入工业化领域[3],参考文献[4]提出了一种利用电力电子辅助机械型有载开关来进行调压的有载调压方式。此方式虽然能解决传统的机械式有载分接开关的一些弊端,但存在调压响应速度过慢,机械故障率过高等方面的问题。参考文献[5]提出了一种晶闸管控制串联调压变压器无弧有载调压方案,也就是一种全电力电子式的有载调压方案。能够很好地解决调压过程中电弧和调压响应速度的问题,并且不存在机械磨损的情况。
但是,上述文献只是阐述了不同分接开关对有载调压的影响,并没有考虑到在有载调压过程中冲击电流的影响。本文结合上述文献在前人的基础上借鉴晶闸管作为分接开关,进行了一系列的有载调压实验,通过对比分接开关在有载调压的过渡过程中在电流过零点前、电流过零点时和电流过零后三种情况下导通的电流波形图,分析并得出了通过电流过零点时导通晶闸管分接开关来消除冲击电流的最优方案。
1 电路原理图及调压原理
有载调压是通过改变变压器线圈的匝数即改变原副边的变比来达到调节电压的目的。全电力电子式有载调压原理图如图1所示,K1~Kn为反并联晶闸管。
通过K1~Kn晶闸管开关改变原边线圈匝数的方式来达到有载调压的目的。
电源电压不稳时,电压检测信号就会传至单片机,通过单片机来判断具体晶闸管开关的导通和关断。以K1和Kn动作为例,假设变压器正常工作时K1闭合,其余晶闸管开关断开,当系统检测到副边电压u2高于额定电压时,单片机发出控制信号,使得关断K1的同时导通K2,这样变压器原副边变比大于额定变比,使得副边电压u2减小为额定电压。此有载调压过程为接入调压绕组。当系统检测到工作电压u2低于额定电压时,单片机发出控制信号,使得断开K2的同时导通K1,u2增大为额定电压。此有载调压过程为切除调压绕组[4,5]。
2 冲击电流的产生
有载调压时变压器的等效电路如图2所示。
由于变压器通常工作在磁化曲线的接近饱和或饱和段,其调压动态特性为非线性特性,在实际工程分析中,可以忽略一些次要的因素,找出主要规律[3]。本文在忽略励磁电流的基础上找出了理想状态下冲击电流的情况。
设原边的电压为u=Umsin(ωt+θ),i1为原边的电流,R11、L11为调压绕组的电阻和电感。以接入调压绕组为例,根据基尔霍夫定律对图2列暂态方程:
式(1)为一个常系数线性微分方程。令R1+R11+R2'+RL'=R、L1+L11+L2'+LL'=L,解微分方程有:
其中:,α=arctan(ωL/R),设接入调压绕组(即t=0)时,电流i1(0-)=Im'sin(θ-β)不为0。
其中:,β=arctan(ωL'/R'),R'=R1+R2'+RL',L'=L1+L2'+LL',那么有:
由于R11、L11很小,有:R≈R',L≈L'。
那么有:Im≈Im',α≈β。
通过上式可以看出在有载调压过程中,正常情况下冲击电流很小。
但是实际上由于晶闸管开关是电流过零时关断的半控型器件,当单片机同时发出控制开关关断和导通的信号时,有可能会造成需要闭合的开关已导通但是需要断开的开关并没有及时地关断,这时就会在两个开关之间形成一个闭合回路,产生一个冲击环流Δi,由图1得到:
求解此微分方程有:
其中:
由于R11、L11很小,即使一个很小的ΔU都有一个比较大的ΔI,使得ΔI>>Im,即使是不考虑瞬态分量的大小,也可以得到Δi>>i1。那么就有可能损坏晶闸管开关和线路,使得变压器不能正常工作。
3 实验及结果分析
3.1 实验平台的主要参数
本实验的主要参数如下:
调压变压器:额定容量15 kVA,原边输入220、242 V,副边输出380 V。晶闸管:最高电压2 000 V,通态最高电流90 A。感性负载:48.049Ω、23.97 m H,额定电流5 A。
3.2 实验数据
本文利用一个容量为15 k VA的三相多抽头变压器的一相接感性负载,以接入调压绕组为例,在K1电流过零点断开的前提下,分别在电流过零点前、电流过零点时和电流过零后三种情况下分别导通K2,得到了不同情况下的电流波形如图3、4、5所示。
3.3 实验结果分析
由上述实验结果可以看出当K2在电流过零点前接到单片机的导通信号时,有载调压过程中两分接开关之间有很大的环流产生,是正常状态下的6~7倍,如图3所示。当K2正好在电流过零点接到单片机的导通信号时,有载调压过程中电流波形平滑,无冲击,如图4所示。当K2在电流过零点后接到单片机的导通信号时,有载调压过程中电流波形无冲击电流产生,但是调压过程中会出现断流的情况,如图5所示。这时需要考虑断流对负载侧电压的影响,当断开较长时间后负载两端电压波形如图6所示。
4 结语
通过理论和实验结果分析,可以得到在无触点有载调压的过渡过程中,有载分接开关电流过零点时和电流过零后两种情况下导通时均能消除冲击电流的不利影响,但是电流过零后导通要求间隔时间比较短,不利于有效控制。因此本文建议在无触点有载调压的过渡过程中采用电流过零时导通晶闸管有载分接开关来消除冲击电流的影响,此为最优方案。
参考文献
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[4]Hao Jiang,Roger Shuttleworth,Bashar A,et al.Fast Response GTO Assisted Novel Tap Changer[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2001,16(1).
无触点有载调压 篇3
农村用电负荷存在季节性强、日负荷峰谷差大、年利用小时数低、全年轻载甚至空载时间长等问题,使变压器负载率不在合理范围内。重载时,负载率高,铜损太大; 轻载时,铁损太大。如果在重载时增加绕组导线截面,轻载时增加变压器匝数,则可以起到降低变压器损耗的作用。调容变压器是其容量根据负债的变化,通过改变绕组的连接方式改变其容量的变压器: 当负荷很小时,将变压器原来并接的绕组改为串联,以降低铁损; 当负债较大时,将原来串接的绕组改为并联,以降低铜损。所以,变容变压器对降低负荷波动较大且频繁的农村电网的损耗具有显著的效果[1,2,3,4,5]。
目前,国外的相关文献与报道中并未查到类似产品的研究与应用。我国现有的有载调容变压器采用机械式调容开关,结构复杂,切换时产生电弧,大大缩短了开关寿命,不利于频繁调节[6,7]。针对这一问题,沈阳农业大学的朴在林教授提出利用电力电子开关代替机械式开关的无弧有载自动调容方案[8]。但考虑到晶闸管导通时产生的能耗较大,本文选择采用电力电子开关与机械式开关相结合的复合开关作为有载自动调容开关。调容时,利用双向晶闸管进行切换,实现切换过程中无机械振动、不起弧、抑制涌流;正常工作时利用机械开关长期导通,实现长期导通时无损耗、低发热量,从而延长机械开关与晶闸管的使用寿命[9]。
1 有载自动调容变压器调容方案
1. 1 有载自动调容变压器调容方式
有载自动调容变压器根据高、低压侧绕组联结方式的不同,可以分为两种调容方式: 一种是高、低压侧绕组均为串并联变换; 一种是高压侧绕组星—角变换,低压侧绕组串并联变换。由于后者节能效果明显,应用较为广泛,本文选用星—角变换( D - Y) 的调容方式。其具体调容原理在文献[10]中已详细介绍,本文不在赘述。
1. 2 有载自动调容开关
为了克服机械式开关切换时产生电弧不利于频繁调节与电力电子开关导通时能耗大的缺点,本文选用以机械式开关与电力电子开关相结合的复合开关作为有载自动调容开关,其开关拓扑结构如图1 所示。图1 中: FA1、FB1、FC1 为高压侧大容量调容开关,FA2、FB2、FC2 为高压侧小容量调容开关,Fa11、Fa12、Fb11、Fb12、Fc11、Fc12 为低压侧大容量调容开关,Fa2、Fb2、、Fc2 为低压侧小容量调容开关。大容量时,大容量调容开关闭合,小容量调容开关断开; 小容量时,与之相反。
图1 中的调容开关为反并联晶闸管与继电器并联的复合开关,R为过渡电阻。开关动作时先接入过渡电阻,调容过程中利用晶闸管的通断来控制变压器绕组的连接方式,从而改变变压器的容量。调容结束后,正常工作时利用继电器导通。
2 有载自动调容技术的关键问题
2. 1 晶闸管与继电器的耐压问题
以S11 - M - ZT 100( 35) k VA /10k V配电变压器为例,变压器高压侧的开关需承受的电压最高达到10k V,目前市面上并没有耐压如此高的晶闸管与继电器。为解决这一问题,考虑到可以将多个晶闸管与继电器分别串联起来使用,达到分压的目的。但此时需要在设计触发回路时考虑到触发时刻与同步触发的问题; 同时,还要考虑到合闸瞬间产生的冲击电流与长期工作时流过的电流。因此,选择合适的晶闸管与继电器是一项至关重要的工作。
2. 2 调容过程中电流、电压波动问题。
当改变绕组联结方式时,由于绕组电流的变化必然引起绕组电压的变化,该电压将影响到开关元件耐压值的选择。另外,调容开关动作时,可能产生较大的瞬时过电压与过电流,可利用仿真软件进行模拟实验,确定电压、电流的大小,找到办法抑制过电压与过电流,为开关元件的选择提供依据。
3 有载自动调容方案的仿真分析
3. 1 仿真原理模型
依据调容变压器的调容原理,以S11 - M - ZT100( 35) k VA /10k V调容配电变压器为例,利用MatLab搭建Simulink仿真模型,如图2 所示。分析有载自动调容过程中各个调容开关动作时的瞬时过电压与瞬时过电流。
3. 1. 1 变压器模型
Mat Lab / SIMULINK元件库中没有调容变压器模型,鉴于王金丽在“调容变压器仿真分析”[11]中与朴在林在“配电变压器无弧有载自动调容仿真分析”[8]中均采用3 个单相的四绕组变压器构成三相的调容变压器,因此本实验中采用simpowersystem中的3 个多绕组单相变压器模型联结成三相,通过设置参数令其原边1 个绕组、副边3 个绕组( 1 个27% 匝绕组和2个73% 匝绕组) ,从而实现S11 - M - ZT 100 ( 35 )k VA /10k V调容配电变压器。每个多绕组变压器的参数设置都一样,SN = 100k VA,U1 /U2 = 5774 /220V,高、低压侧4 段绕组电阻标幺值依次为0. 075、0. 041、0. 041、0. 028,各部分漏电感标幺值分别为0. 02、0.11、0. 11、0. 08,励磁阻抗标幺值分别为50、50。
3. 1. 2 开关模型
采用simpowersystem中的理想开关作为调容开关,内部电阻为0. 001Ω,初始状态设为0 或1,缓冲电阻高压侧取100Ω,低压侧取5Ω,缓冲电容均取为1μF。变压器高压侧通过6 个开关,低压侧通过9 个开关的切换,实现高压侧星—角变换和低压侧串并联变换。
3. 1. 3 开关控制模块
采用simpowersystem中的定时器模块来控制15个开关的切换,通过改变定时器模块的参数即可改变调容时刻。
3. 1. 4 电源模块
采用3 个50Hz单相交流电源,构成A、B、C三相电源,幅值均为577 4V,初始相位角分别为0°、- 120°、120°。
3. 1. 5 负载模块
采用simpowersystem中的单相串联RLC负荷,通过开关控制其接入变压器二次侧实现负荷变化的模拟。
3. 2 仿真结果与分析
仿真时间设定为0 ~ 0. 3s。仿真开始,设定变压器在大容量方式下工作,即高压侧开关S1、S3、S5 闭合,S2、S4、S6 断开,低压侧开关S7、S9、S10、S12、S13、S15 闭合,S8、S11、S14 断开。 在0. 09s时,断开开关K1、K2、K3,使负载变为小容量负荷,检测变压器高压侧电压,令调容开关依次动作,进行容量的切换,使变压器从大容量的工作方式变为小容量的工作方式。在0. 19s时,闭合开关K1、K2、K3,使负载再次变为大容量负荷,检测变压器高压侧电压,令调容开关依次动作,进行容量的切换,使变压器从小容量工作方式变为大容量工作方式。仿真时间内,高压侧调容开关的缓冲电阻为100Ω,低压侧调容开关的缓冲电阻5Ω时,流过各个调容开关的电流波形以及开关两端的电压波形如图3 所示。
从图3 的仿真波形可以看出: 高压侧调容开关动作时没有较大的过电压产生,其断开时也没有较大的过电流产生; 但高压侧调容开关闭合时会产生非常大的过电流,且高压侧大容量调容开关的过电流比小容量调容开关的过电流大得多,最大可达到上千安培。低压侧大容量开关动作时没有明显的过电流与过电压产生,低压侧小容量开关动作时虽然没有明显的过电流产生,但其在断开时某两相会产生较大的过电压。
为了减小调容开关动作时产生的过电压与过电流,改变与调容开关并联的缓冲电阻的阻值,反复进行仿真实验。高压侧调容开关闭合时产生的过电流的大小随缓冲电阻阻值变化而变化的情况如表1 所示,低压侧小容量开关断开时其中两相产生的过电流大小随缓冲电阻阻值变化的情况如表2 所示。
从表1 可以看出: 高压侧调容开关闭合时产生的过电流随缓冲电阻阻值的增大而减小。当缓冲电阻阻值大于500Ω 时,过电流已经很小了,并且随着缓冲电阻阻值的增大过电流减小的非常缓慢。本实验中,根据高压侧调容开关正常工作时所需承受的最大电流判断可知缓冲电阻取1 000Ω 左右即可满足需求。在实际工作中,可以根据所选开关能承受的最大电流值确定较为合适的缓冲电阻的大小。
从表2 可以看出: 低压侧其中两相小容量调容开关断开时,两端承受的过电压随缓冲电阻阻值的减小而减小。由于变压器低压侧的电压本身就不是很高,因此调容开关两端所承受的过电压也不是很高; 另外,当缓冲电阻阻值过小时,电路中会有过电流产生,当缓冲电阻阻值为1Ω 时,过电流高达200A左右。因此,一次低压侧开关电路缓冲电阻阻值选择在5Ω 较为合适。
4 结语
提出了采用电力电子开关与机械式有触点开关相结合的复合开关作为调容开关的配电变压器有载自动调容方案。该方案可以根据负载的变化实时自动调容,从而达到节能降损的目的,适用于负荷季节性强的农村电网。其既克服了无载调容需要人工调容、适用范围窄的缺点,又弥补了有载调容时单独使用机械式开关与单独使用电力电子开关的不足,可延长机械开关与电力电子开关的使用寿命。同时,以S11 - M - ZT 100 ( 35 ) k VA /10k V调容配电变压器为例,对有载自动调容变压器进行了仿真分析。仿真结果表明: 有载自动调容变压器在进行容量变换时,高压侧调容开关闭合时会产生非常大的过电流,且高压侧大容量调容开关的过电流要比小容量调容开关的过电流大; 低压侧小容量开关在断开时某两相产生会较大的过电压,通过采用适当阻值的缓冲电阻可以减小甚至消除过电流与过电压。这一结论对有载自动调容变压器的实际生产尤其是有载调容开关的选择与实际生产具有重大的理论指导意义。
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