楊 青

（東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012）

0 引言

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

現在國內的配電網中大多都是無載調壓變壓器，每次調壓要先切斷電流，造成短時間的停電，這樣會給用戶帶來極大的不便。因此，在配電網中普及有載調壓變壓器，需要換掉現有的無載調壓變壓器，這對于智能電網的建設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壓方案，此方案無需更換現有的配電變壓器，只需把輔助變壓器串接到配電變壓器二次側的電網上即可。仿真結果表明了此方案的有效性。

1 調壓原理

輔助變壓器有載調壓是根據電壓矢量的疊加原理進行調壓，如圖1所示。

圖1 電壓矢量疊加原理

由圖1可知：U1=U2+ΔU，調節(jié)電壓ΔU的大小或調節(jié)與輸出電壓U1的夾角即可調節(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 主電路設計

輔助變壓器有載調壓主要由調壓設備和DSP控制板構成。其中調壓設備由三相整流器、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。

當二次側電壓U0降低ΔU時，在二次側電壓過零點時觸發(fā)逆變器，輔助變壓器輸出的電壓與二次側電壓同相，使二次側電壓增加ΔU，保持U2不變；相反，當二次側電壓U0升高ΔU時，在二次側電壓過零點后延時0.01 s觸發(fā)逆變器，輔助變壓器輸出的電壓與二次側電壓反相，使二次側電壓降低ΔU，保持U2不變。

由主電路圖（圖2）可知，輔助變壓器補償的是配電變壓器二次側電壓升高或降低的部分，無需承受電網的全部電壓，因此，器件的選擇比較容易。

3 優(yōu)化特定消諧PWM技術

3.1 基本原理

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

經傅里葉分析得到系數公式如式（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開關角的求解成為該技術應用的一個障礙。為此國內外的學者做了大量探索，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 開關角的在線計算

為了對開關角進行在線計算，將針對不同調制深度b求得的一系列開關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對開關角的在線計算。

3.3 實例

把b=5帶入到方程組中，得出開關角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電壓下降到210 V，然后使用輔助變壓器有載調壓調節(jié)二次側電壓，使二次側電壓回升到正常的220 V的一個過程。調壓前二次側電壓和調壓后二次側電壓分別如圖6所示。

圖6 二次側電壓

圖6可以看出，調壓后，二次側電壓提升到了220 V。對二次側電壓進行傅里葉分析，由圖7可以看出，經過調壓后，二次側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 二次側電壓的傅里葉分析

5 輔助變壓器調壓設備的成本預算與安裝

輔助變壓器有載調壓設備中，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驅動器價格為6元。再加上其他的電子元件，此設備的成本大概在500元左右。

此設備中，逆變器、整流器、驅動電路等控制電路可以集中安放在一塊板上，因此設備的體積較小，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 結語

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

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