輔助變壓器在有載調(diào)壓中的應(yīng)用

楊 青

（東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，用戶對用電質(zhì)量的要求普遍提高，為了解決設(shè)備電壓不穩(wěn)等問題，常采用有載調(diào)壓變壓器來實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。有載調(diào)壓主要有以下幾個方式：一種是機械觸頭與電力電子開關(guān)相結(jié)合的混合式有載調(diào)壓[1]，一種是完全取消機械式觸頭的大功率晶閘管實現(xiàn)有載調(diào)壓[2]。機械觸頭與晶閘管混合式調(diào)壓，以晶閘管為輔，正常運行時使用機械開關(guān)，只有在切換時才使用晶閘管開關(guān)。該方案的優(yōu)點是在切換過程中不會切斷電流，并且避免了電弧的產(chǎn)生，延長了機械開關(guān)的壽命。但是由于此方案的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障。完全取消機械式觸頭的調(diào)壓方案，以大功率晶閘管反并聯(lián)作為有載開關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)，使晶閘管在電壓過零時觸發(fā)、電流過零時關(guān)斷，切換動作迅速，無電弧產(chǎn)生。但是調(diào)壓回路中任何晶閘管的提前導(dǎo)通和延時關(guān)斷都可能造成分接開關(guān)間的短路和產(chǎn)生大的環(huán)流[3]。以上兩種調(diào)壓方案調(diào)壓范圍都受到分接頭的限制，并且輸出的電壓都具有級差。

現(xiàn)在國內(nèi)的配電網(wǎng)中大多都是無載調(diào)壓變壓器，每次調(diào)壓要先切斷電流，造成短時間的停電，這樣會給用戶帶來極大的不便。因此，在配電網(wǎng)中普及有載調(diào)壓變壓器，需要換掉現(xiàn)有的無載調(diào)壓變壓器，這對于智能電網(wǎng)的建設(shè)也是一項很大的成本輸出。針對以上論述，提出了輔助變壓器有載調(diào)壓方案，此方案無需更換現(xiàn)有的配電變壓器，只需把輔助變壓器串接到配電變壓器二次側(cè)的電網(wǎng)上即可。仿真結(jié)果表明了此方案的有效性。

1 調(diào)壓原理

輔助變壓器有載調(diào)壓是根據(jù)電壓矢量的疊加原理進行調(diào)壓，如圖1所示。

圖1 電壓矢量疊加原理

由圖1可知：U1=U2+ΔU，調(diào)節(jié)電壓ΔU的大小或調(diào)節(jié)與輸出電壓U1的夾角即可調(diào)節(jié)U1的大小及相角。通常情況下是改變ΔU的大小，讓其相位保持與U1同相或反相，從而維持U1保持不變。

2 主電路設(shè)計

輔助變壓器有載調(diào)壓主要由調(diào)壓設(shè)備和DSP控制板構(gòu)成。其中調(diào)壓設(shè)備由三相整流器、電容儲能器、單相逆變器、LC濾波器和輔助變壓器依次連接而成，其A相電路如圖2所示（B、C相與A相相同）。

圖2 輔助變壓器有載調(diào)壓的主電路

三相整流器的作用是把三相交流電變成直流電；L1C1的作用是使整流器整流出來的脈動直流電變成比較平穩(wěn)的直流電；逆變器的作用是把直流電變成頻率為工頻的交流電；正弦波濾波器L2C2的作用是將逆變器輸出的PWM脈沖波轉(zhuǎn)換成正弦波，從而減小諧波污染；最后將輔助變壓器串接到變壓器的二次側(cè)。

當(dāng)二次側(cè)電壓U0降低ΔU時，在二次側(cè)電壓過零點時觸發(fā)逆變器，輔助變壓器輸出的電壓與二次側(cè)電壓同相，使二次側(cè)電壓增加ΔU，保持U2不變；相反，當(dāng)二次側(cè)電壓U0升高ΔU時，在二次側(cè)電壓過零點后延時0.01 s觸發(fā)逆變器，輔助變壓器輸出的電壓與二次側(cè)電壓反相，使二次側(cè)電壓降低ΔU，保持U2不變。

由主電路圖（圖2）可知，輔助變壓器補償?shù)氖桥潆娮儔浩鞫蝹?cè)電壓升高或降低的部分，無需承受電網(wǎng)的全部電壓，因此，器件的選擇比較容易。

3 優(yōu)化特定消諧PWM技術(shù)

3.1 基本原理

1973年，美國著名電力電子學(xué)專家Richard G.Hoft提出了特定消諧PWM技術(shù)，此技術(shù)可以有效地消除低次諧波。和其他調(diào)制技術(shù)相比，特定消諧技術(shù)有許多優(yōu)勢，如開關(guān)頻率低、輸出電壓及電流的質(zhì)量較高等。單極性SHE-PWM輸出電壓波形見圖3。

經(jīng)傅里葉分析得到系數(shù)公式如式（1）。

圖3 SHE-PWM輸出電壓波形

由式（1） 形成的逆變器單極性輸出單相消諧模型見式（2）。

式（2）是一個典型的非線性方程組，且為超越方程，因此，SHE-PWM開關(guān)角的求解成為該技術(shù)應(yīng)用的一個障礙。為此國內(nèi)外的學(xué)者做了大量探索，至今沒有得到一種有效的求解方法。通常情況下利用牛頓迭代法解此方程，但是牛頓迭代法收斂域窄、對初始值的要求比較高。為了解決牛頓迭代法收斂域窄的情況，有人提出了牛頓同倫算法[4]，此算法有比牛頓迭代法更寬的收斂域和更快的收斂速度。同時亦有人提出了吳文俊消元法（簡稱“吳方法”[5]），先將特定消諧模型轉(zhuǎn)換為多項式方程，再利用“吳方法”求解該多項式的解。

3.2 開關(guān)角的在線計算

為了對開關(guān)角進行在線計算，將針對不同調(diào)制深度b求得的一系列開關(guān)角利用軟件進行多項式擬合，得到方程組，利用方程組可以實現(xiàn)對開關(guān)角的在線計算。

3.3 實例

把b=5帶入到方程組中，得出開關(guān)角α=[12.002 7 13.3985 24.0771 26.795536.236040.189848.556 2 53.561 561.076 7 66.892 8 73.813 580.155 786.741 8]。對單相H橋逆變器進行觸發(fā)，逆變器的輸出電壓波形如圖4所示。

圖4 逆變器輸出的電壓波形圖

圖5為輸出電壓的傅里葉分析。由圖5可以看出，逆變器的輸出電壓中，26次以下諧波完全被消除，只有在30次附近有一定量的諧波。通過此實例說明了用方程組計算的開關(guān)角是有效的[6-9]。

圖5 輸出電壓的傅里葉分析

4 仿真

此方案的仿真是利用Matlab/Simulink仿真軟件進行的。將圖2表示的主電路利用Simulink搭建成仿真模型，使模型中變壓器二次側(cè)電壓下降到210 V，然后使用輔助變壓器有載調(diào)壓調(diào)節(jié)二次側(cè)電壓，使二次側(cè)電壓回升到正常的220 V的一個過程。調(diào)壓前二次側(cè)電壓和調(diào)壓后二次側(cè)電壓分別如圖6所示。

圖6 二次側(cè)電壓

圖6可以看出，調(diào)壓后，二次側(cè)電壓提升到了220 V。對二次側(cè)電壓進行傅里葉分析，由圖7可以看出，經(jīng)過調(diào)壓后，二次側(cè)電壓只含有較少量的高次諧波，其總諧波畸變率THD=0.06%。

圖7 二次側(cè)電壓的傅里葉分析

5 輔助變壓器調(diào)壓設(shè)備的成本預(yù)算與安裝

輔助變壓器有載調(diào)壓設(shè)備中，TMS320LF2407型DSP，其最小系統(tǒng)板的價格為168元；逆變器中SPW47N60C3的MOSFET價格為47.5元；SQL-5010型號的三相整流橋價格為7元；IR-2110 MOSFET驅(qū)動器價格為6元。再加上其他的電子元件，此設(shè)備的成本大概在500元左右。

此設(shè)備中，逆變器、整流器、驅(qū)動電路等控制電路可以集中安放在一塊板上，因此設(shè)備的體積較小，放到變壓器的油箱中即可。這樣可以保證在冬天不會因為溫度低而影響其工作，同時，又省去了散熱裝置[10-13]。

6 結(jié)語

通過輔助變壓器可以對變壓器二次側(cè)電壓進行有效的調(diào)節(jié)，并可以進行實時控制，有效地解決了通過有載分接開關(guān)調(diào)壓時產(chǎn)生的電壓級差。針對我國配電網(wǎng)中大部分都是無勵磁調(diào)壓的情況，在無需更換變壓器的前提下，實現(xiàn)配電網(wǎng)的有載調(diào)壓。因此，輔助變壓器有載調(diào)壓設(shè)備對于智能電網(wǎng)的建設(shè)將會起到一定的作用。

［1］ 倪晶.固態(tài)繼電器在配電變壓器有載調(diào)壓中的應(yīng)用研究［D］.沈陽：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

［2］ 張品秀.基于晶閘管的有載自動調(diào)壓分接開關(guān)的研究［D］.沈陽：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

［3］ 潘高強.逆變器PWM諧波分析及諧波抑制方法的研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2010．

［4］ 鄭春芳，張波.吳方法在電力電子逆變器消諧技術(shù)中的應(yīng)用［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25（15）:40-45．

［5］ 李建國，劉文華.基于特定消諧PWM電流型逆變器的脈沖發(fā)生器［J］.電力電子技術(shù)，2005，39（2）:18-20．

［6］ 江友華，顧勝堅，方勇.基于電力電子技術(shù)的新型有載調(diào)壓變壓器［J］.電力電子技術(shù).2007，41（7）:67-69.

［7］ 孫澄宇.特定消諧逆變器的研究［D］.吉林：東北電力大學(xué)，2008.

［8］ 楊曉光，趙玉林.IGBT作為變壓器有載分接開關(guān)的研究［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，39（4）:35-37．

［9］ 陳堅.電力電子學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［10］ 趙剛，施圍.無弧有載分接開關(guān)的研究［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（4）:49-51．

［11］ 賀映光，任小洪，方剛，等.單相PWM逆變器輸出濾波器優(yōu)化設(shè)計［J］.電氣傳動，2010，40（11）:33-35．

［12］ Cook G.H，Williams K.T.Fourth International Conferenceon Power Electronicsand Variable-Driver［M］.London，UK.1990:17-19.

［13］ Mailah N.F，Bashi S.M，Meng W.H.Microcontroller Based Semiconductor Tap Changer for Power Transformer［J］.IEEE Bologna Power Tech Conference,2003（22）：487-492．