无触点无级有载调压装置控制系统设计无触点无级有载调压装置控制系统设计2010-05-19 13：591引言有载调压变压器具有降低电网环流、防止非预期无功功率交换、降低并列运行线路的损耗、改善电网功率潮流及提高供电可靠性等优点，因此有载调压变压器在电力系统中广泛使用传统的有载调压方法是采用机械有载分接开关，该装置制造简单、成本低，目前，在国内外电力系统中普遍采用随着社会的发展和用电量的迅速增长，电网规模不断扩大，电网结构越来越复杂，这种机械有载分接开关己经不能完全满足现代电网的安全和经济运行的要求，而且暴露出难以消除的缺陷：(1)在分接头切换过程中产生电弧，导致机械触头烧损和变压器油老化2)分接开关的动作速度慢，调压响应时间长，容易错挡、错位，不能进行动态调压，而且故障率高、维护量大3)机械开关动作时间具有分散性，使调压时刻无法准确控制，而且在调压过程中可能出现过渡过程，对电网的安全运行有不利的影响美国学者Houch.R.L.等人于1978年在《电力装置与系统》上发表了研究成果，并介绍无触点开关装置在美国内拉斯加州西部电网电压调整中的应用德国西门子公司1979年也在同一杂志上发表了无电弧有载调压装置(无触点的电力电子器件与有触头开关配合使用)的论文，开创了使用晶闸管辅助开关设计分接头的先河。
该方法的优点是装置基本是机械的，结构简单，同时又大大降低了分接头切换时产生的电弧，但是无法完全消除电弧2O世纪80年代在一些发达国家开始使用的无弧有载调压装置，全部采用晶闸管作开关器件代替主电路中的交流机械分接开关，采用微电脑逻辑控制进行调压晶闸管和微机组成的无触点开关，可以使电路的通/断控制达到毫秒级，因此调节速度快，如果控制方式得当，可消除电弧另外，由于没有机械磨损，延长了变压器的使用寿命无触点开关为变压器有载调压系统结构的发展提出了新的方向20世纪90年代实现了在特定的调压变压器结构下，通过控制电力电子开关器件的通断，从而按级改变变压器匝数，实现分级有载调压因此这种装置无需机械开关的切换，也不会产生电弧，响应速度也得到提高通常把这种调压装置称为无触点分级有载调压分接开关这种装置实现的是有级调压，调压精度受到限制本文中笔者提出了一种基于电力电子与单片机控制技术的无触点无级有载调压装置控制系统该系统引入动态电压调节器(DVR)，它以IGBT作为开关元件，控制电路以80C196单片机为核心器件其输出电压可以连续调节，实现无级平滑调压，调压精度高，动态响应快通过串接于线路的补偿变压器向系统注入幅值、相角和频率可控的电压，实现变压器的有载调压。
这种装置不仅具有晶闸管无触点有载调压装置的优点，还可以克服其固有的缺点，从而使其性能大大地提高2无触点无级有载调压装置主电路及调压原理以单相为例，无触点无级有载调压装置主电路如图1所示无触点无级有载调压装置主电路主要由整流器、储能装置、逆变器、正弦波滤波器、串联补偿变压器T2、旁路开关K以及主变压器T构成整流器的作用是把三相交流电转变成直流电，但当直流母线电压高于设定值时，把能量回馈回电网，因此它兼具稳定直流母线电压和能量回馈的功能；电容C的作用是滤波及储能，即把整流器整流得到的脉动直流电变换成比较平稳的直流电；逆变器的作用是把直流电变成频率为工频、幅值可以连续调节的交流电，用于补偿主变压器输入电压的波动，从而维持不变，进而保持输出电压的稳定；正弦波滤波器、C的作用是将逆变器输出的PWM脉冲波转换成正弦波，从而有效降低串联补偿变压器T的涡流损耗及噪声，进而减少谐波污染T的初级与正弦波滤波器连接，次级直接串联在主回路中，起升压和隔离作用主变压器的功能是进行能量的传递，初级接高压10kV，次级接低压400V当无触点无级调压装置出现故障时，可以接通旁路开关K，使之与电网脱离，在维修的同时不影响配电网工作。
由图1可知：：l+AU(1)按式(1)可得图2所示的矢量叠加示意图调节补偿电压Au的大小或者同输入电压的夹角，就可以调节电压的大小和相位通常情况是调节补偿电压的△大小，其相位要么同输入电压，同相位，或者反相位，从而维持电压、不变例如，当输入电压降落△U时，通过补偿变压器补偿+AU，从而维持主变压器T初级电压不变而当输入电压升高AU时，通过补偿变压器反相补偿一△，依然维持主变压器T初级电压不变由此可知，DVR装置只补偿输入电压升高或跌落部分，而不是全部输入电压，也就是说只对输入电压与电压的差值进行调整和补偿，而无需承担负荷所需的全部电压，因此逆变器承担的最大功率仅为系统功率的20%(假设电压补偿范围为20%)，致使其价格可以得到下降而且功率器件不是直接串在系统主回路中，器件选型较容易因为DVR可以逆变产生幅值连续可调的电压，因此可以实现无级的电压调节又因为DVR是由全控器件IGBT构成，动态响应快，可以在10ms左右进行电压调节3无触点无级有载调压装置控制系统设计与实现控制器系统是整个有载调压变压器的核心部分，它决定着整个有载调压变压器装置的性能好坏、调压质量的高低，其控制的基本原理是：采用微机作为中心控制单元，实时采样被测控的电压和电流信号，经微机计算处理，与设定值相比较，一旦电压偏离预先设定的值(范围)，控制器就产生一个升或降的命令控制相关的调压分接头(晶闸管)导通。
控制器系统主要由信号调理及采样保持电路，单片机控制系统、电压过零检测电路和触发电路等部分组成控制系统如图3所示3，1单片机系统本装置以80C196单片机为核心器件80C196为l6位高性能单片机，特别适用于复杂的、实时性要求较高的自动控制系统、数据采集系统、信号处理系统和高级智能仪器等80C196带有A/D转换端口，简化了系统的硬件设计80C196的输出控制线经过光耦器件隔离后，对晶闸管的触发电路进行控制，从而实现控制晶闸管通，断的目的由于需要控制的晶闸管数目比较多，对这些晶闸管的控制则采用了"一控多"及"选控"的方式即多个晶闸管共用一个触发电路，在需要对某一晶闸管控制时，通过选控电路把触发脉冲加到该晶闸管的控制端数据处理用半波傅里叶变换，在前半个周期内采样6个点，每个点采样3次，取中间值为采样值，在后半个周期计算一次A/D转换的时间仅需要十几微秒，采集速度可以满足要求根据香农采样定理，采样频率600Hz半个周期(半个周期6个点)大于信号最高频率的2倍(100Hz)因此，采样精度能满足要求3.2信号调理及采样保持电路从电力线路上获得的信号数值、输入范围与单片机系统不匹配，故需要调整和变换。
调理电路如图4所示输入信号经分压后，与+2.5V电位相加，把双极性的交流信号变为单极性单片机可识别的0V~5V信号由于本系统采用半波傅里叶变换进行信号处理，对信号的频率要求高，因此采用自适应频率采集即假设信号相邻两个周期的频率变化可忽略，采集前一个周期的时间作为计算后一周期采样时刻的依据进行多路信号采集时，为保证多路信号的同时性，需要有采样保持电路当单片机发"保持"指令时，多路信号同时进入保持状态供单片机轮流采集3.3信号检测与触发电路信号检测主要包括电网电压、电流瞬时值、逆变器直流母线电压和电网相位的检测电网检测的瞬时值作为电压环的反馈，其电压给定可由数字信号处理器通过查表完成，并经过电压环PI调节器的调节，将输出值作为电压调制，再经过SPWM算法产生对应的PWM触发脉冲，经驱动电路放大后控制逆变器的导通和关断，进而改变逆变电压，以使二次侧电压得到快速恢复；直流母线电压检测主要是防止反相补偿时，泵升电压过高而损坏IGBT器件；相位检测电路主要是锁定电网电压的相位，以使逆变器产生的电压与电网电压相位同步这样，经过串联补偿变压器得到的电压就能和电网输入电压相位一致或反相在该系统中，电压检测传感器可采用LEM公司的电压传感器，型号为LV25一P，该传感器具有出色的精度、良好的线性度、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比强、反应时间快和频带宽等优点。
触发电路采用光电耦合传输触发信号、脉冲变压器隔离技术4试验考虑到10kV配电系统试验的投资和安全可靠性因素，所述试验装置选择在低压220V样机上进行试验试验条件：主变压器T，为单相220V/220V，容量为10kVA，补偿变压器T2为单相220V/50V，容量2kVA，功率器件选用PM50RLA120型IPM模块，控制芯片采用80C196单片机，开关频率为5kHz，正弦波滤波器参数为Lf=6mH，Cr=51xF试验结果表明：该装置能很好地完成对输入电压升高或跌落部分的补偿，DVR逆变能够产生幅值连续可调的电压，实现无级的电压调节5结论提出的无触点无级有载调压装置是电力电子技术与变压器技术相结合的产物，为变压器分接头切换用无触点开关替代有触点开关的研究和发展，提供了一定的可供借鉴的方法对于直接解决lOkV配电网的电压稳定有着一定的意义，它可以视系统情况在配电网(或某些电压等级的输电网)一处甚至多处安装，不仅满足了沿线不同用户对电压质量的要求，而且促进了供电新技术的进一步发展本系统采用了LEM公司的电压传感器，能够快速准确地检测电网电压，提高系统的动态响应性能此外，与其他一些调压设备相比，还具有以下优点：(1)无机械触点，不产生电弧，从而延长了其使用寿命，并使维修量大大减少。
2)仅对输入电压波动值进行调整和补偿，而无需承担负荷所需的全部电压，因此逆变器承担的最大功率仅为系统功率的20%左右3)功率器件不是直接串在系统主回路中，可以选用耐压值比较低的器件，因此器件选型较容易4)逆变器可以产生幅值连续可调的电压，因此可以实现无级电压调节，调压精度高5)因为逆变器是由全控器件IGBT构成，所以系统动态响应快6)80C196单片机自带A/D转换端口，简化了系统的硬件设计。