基于电力电子开关的有载调压变压器研究

新余钢铁集团有限公司 曾程博

1 引言

有载调压变压器具有改善供电系统供电质量和提高供电可靠性的优点，在全国配电网中得到了广泛应用。在以往的有载调压变压器调压功能是通过电动机调节机械开关的位置来实现的，在开关切换过程中会产生电弧，会缩短使用寿命，增加变压器故障发生概率及维护成本。此外，这种调压方式还具有调压速度慢，电压波动大等缺点，严重制约了应用推广［1-2］。

随着电力电子技术的不断深入研究，各种新型电力电子元件层出不穷，利用新型电子元件控制简单、响应速度快、故障概率低等优点，设计了基于电力电子式的有载分接开关，使其能够在不断电的状态下实现自动调压，是有载调压变压器研究的必然方向，是供电稳定性的有效手段，可以显著提高变压器可靠性[3]。但是目前有载调压变压器的研究而言，存在着分接开关切换过程中回路有环流及可能出现短路的问题出现，且对电力电子器件两端的电压进行限制，易使其被击穿。此外，还存在电路结构不合理、分接开关数量多，控制复杂等情况发生。

为解决上述问题，本文提出一种基于SCR的有载调压变压器主拓扑电路及控制策略。在分接开关中引入过渡单元，能够限制回路中的环流及避免切换过程出现短路问题，同时RC 阻容单元能够限制SCR 两端的电压，确保其不被击穿。此外，采用的逐级调压策略能够显著简化调控流程。

2 有载调压单元拓扑及工作原理

有载调压变压器主要由高低压侧三相绕组、分接开关反并联晶闸管单元、RC 阻容吸收单元、反并联晶闸管和电阻并联组成过渡单元、单片机监测系统和触发单元等部分组成。有载调压变压器主拓扑电路如图1所示。

图1 有载调压变压器主拓扑电路

在图1 中，配电变压器采用较为经典的Yn/yn 联结方式，W0为高压侧基本绕组，W2和W3为高压侧分接绕组。 反并联SCR，Ki5（i=A，B，C）和电阻R并联组成的过渡单元，其作用为在调压过程中防止出现短路现象及限制环流；每个SCR 两端并联有RC 阻容，目的是抑制电路中产生的过电压[4]，以避免SCR 被击穿。

为方便阐述调压电路工作原理，以配电变压器三相中的A 相为例(下同)。图1 中，反并联晶闸管KA1至KA5的导通与关断状态决定着不同的调压范围，其中每两个分接开关可能的导通状态是实现配电变压器有载调压的基础，调压过程各分接开关的导通状态如下表1所示。

表1 调压过程各分接开关的导通状态

因晶闸管KA5 的作用是在系统电压处于稳态时旁路电阻R，故其状态没有列举在表中。假设表1 中KA1和KA3导通时低压侧的电压为额定电压，则KA2和KA3导通说明监测的电压大于额定电压，需要下调电压；而KA1和KA4导通则说明监测的电压小于额定电压，需要上调电压。另外，通过表1 可知，在有载调压时仅发生KA1、KA2和KA3、KA4之间状态的改变，而未发生KA2、KA3和KA1、KA4之间状态的改变。故为防止调压时电路出现短路，在分接开关KA1、KA2和KA3、KA4中加入过渡电阻，以保障电路安全。

3 系统调压策略及分接开关切换过程

3.1 系统调压策略

研究人员通过分析可知，调压的实现依赖相关分接开关的导通，不同分接开关导通状态对应着不同的调压操作。当系统每相电路中包含的分接开关越多，或一个调压等级中分接开关越多，则对应的调压操作越繁琐、复杂。为了降低系统有载调压的复杂度，本文采用一种逐级调压策略，每一次调压只改变(上调或下调)一个电压等级。首先，在系统启动后，低压侧额定电压对应的分接开关KA1和KA3触发导通；其次，监测系统采集低压侧的电压值，并和额定电压进行比较计算出差值，根据差值发出电压调节信号；随后，单片机根据输送来的调压信号进行状态分配，有载分接调压开关状态分配流程如图2所示；最后由SCR 驱动单元触发相应分接开关进行状态切换。值得注意的是，由于A、B、C 三相互不影响，故在A 相调压过程中，完全不用顾及B、C 相。同样地，这两项亦可以按照上述调压策略进行调压控制。

图2 有载分接调压开关状态分配流程

3.2 有载调压分接开关切换过程

在调压过程中，分接开关的切换是成功实现调压的关键。对于本文设计的调压拓扑电路，分接开关有4 种不同的切换形式，其中升压过程有2 种：一种是分接开关KA2、KA3切换至KA1、KA3；另一种是分接开关KA1、KA3切换至KA1、KA4。降压过程也有2 种：一种是分接开关KA1、KA4切换至KA1、KA3；另一种是分接开关KA1、KA3切换至KA2、KA3。分接开关4 种不同的切换逻辑分别如下。

一是分接开关KA2、KA3切换至KA1、KA3。首先启动KA1触发脉冲使其导通，同时关闭KA2触发脉冲，KA1通过过渡电阻R 和KA3连通，过渡支路阻止电路间的短路；随后等待20ms，以使分接开关KA2电流过零后完全关断；最后启动KA5触发脉冲使其导通，旁路过渡电阻R，至此分接开关状态切换至KA1、KA3。

二是分接开关KA1、KA3切换至KA1、KA4。首先关闭KA5触发脉冲使其关断，再等待20ms，确保电流过零，同时过渡电阻R 接入，分接开关KA1经R 和分接开关KA3连通；随后启动KA4触发脉冲使其导通，同时关闭KA3触发脉冲使其关断；最后等待20ms，以使分接开关KA3电流过零；至此分接开关状态切换至KA1、KA4。

三是分接开关KA1、KA4切换至KA1、KA3。首先启动KA3触发脉冲使其导通，并关闭KA4触发脉冲，KA3通过过渡电阻R 和KA1连通，过渡支路阻止电路间的短路；随后等待20ms，以使分接开关KA4电流过零后完全关断；最后启动KA5触发脉冲使其导通，旁路过渡电阻R，换至分接开关状态至此切KA1、KA3。

四是分接开关KA1、KA3切换至KA2、KA3。首先关闭KA5触发脉冲使其关断，再等待20ms，确保其电流过零，同时过渡电阻R 接入，分接开关KA1经R 和分接开关KA3连通，随后启动KA2触发脉冲使其导通，同时关闭KA3触发脉冲使其关断；最后等待20ms，以使分接开关KA3电流过零；至此分接开关状态切换至KA2、KA3。

4 试验验证

根据图1 有载调压变压器主拓扑电路，设计试验样机(380V)，以验证基于SCR 开发的有载调压单元的有效性。试验样机分接开关应由15只反并联SCR 组成，SCR 均采用脉冲阵列进行触发，触发频率为9.6kHz。为使设计样机在后期10kV 高压下也能够得到应用，在主电路与控制电路之间，采用光线作为触发信号传输媒介以传输SCR 触发信号[5]。

由于试验是在低压下进行，故将试验样机的调压范围进行扩大，以模拟出更加真实的后期10kV 高压场景。

载调压变压器4 种调压电压波形如图3所示，图3 中是分接开关4 种状态切换结果，其中子图（a） 是分接开关KA2、KA3切换至KA1、KA3的升压波形；子图（b） 是分接开关KA1、KA3切换至KA1、KA4的升压波形；子图（c）是分接开关KA1、KA4切换至KA1、KA3的降压波形；子图（d） 是分接开关KA1、KA3切换至KA2、KA3的降压波形。从这4 幅子图中可以知，无论是升压还是降压，整个过程波形都是连续的，且中间过渡速度较快，未有明显的暂态分量。

图3 有载调压变压器4种调压电压波形

5 结语

本文研究了基于电力电子的有载调压变压器，变压器以反并联SCR 为分接开关，能够根据低压侧电压灵活、快速地进行切换。有载调压电路中通过加入过渡单元，能够在保证分接开关导通的同时，避免出现短路问题，同时还可以限制回路中的环流。阻容RC 吸收单元能够在SCR 关断时，限制两端的电压，防止SCR 被击穿，确保基于SCR 的分接调压开关可靠工作。根据提出的拓扑电路，设计了380V 试验样机，试验结果表明该调压单元电路能够自动实现调压功能，且波形稳定，质量高，过渡速度快。本文设计的有载调压变压器尚未应用于实际高压场景中，可能面临许多亟须解决的问题，下一步可以结合无功补偿问题进行研究。