辅助变压器在有载调压中的应用

杨 青

（东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012）

0 引言

随着社会的发展，用户对用电质量的要求普遍提高，为了解决设备电压不稳等问题，常采用有载调压变压器来实现电网电压的稳定。有载调压主要有以下几个方式：一种是机械触头与电力电子开关相结合的混合式有载调压[1]，一种是完全取消机械式触头的大功率晶闸管实现有载调压[2]。机械触头与晶闸管混合式调压，以晶闸管为辅，正常运行时使用机械开关，只有在切换时才使用晶闸管开关。该方案的优点是在切换过程中不会切断电流，并且避免了电弧的产生，延长了机械开关的寿命。但是由于此方案的结构过于复杂，容易出现故障。完全取消机械式触头的调压方案，以大功率晶闸管反并联作为有载开关的执行机构，使晶闸管在电压过零时触发、电流过零时关断，切换动作迅速，无电弧产生。但是调压回路中任何晶闸管的提前导通和延时关断都可能造成分接开关间的短路和产生大的环流[3]。以上两种调压方案调压范围都受到分接头的限制，并且输出的电压都具有级差。

现在国内的配电网中大多都是无载调压变压器，每次调压要先切断电流，造成短时间的停电，这样会给用户带来极大的不便。因此，在配电网中普及有载调压变压器，需要换掉现有的无载调压变压器，这对于智能电网的建设也是一项很大的成本输出。针对以上论述，提出了辅助变压器有载调压方案，此方案无需更换现有的配电变压器，只需把辅助变压器串接到配电变压器二次侧的电网上即可。仿真结果表明了此方案的有效性。

1 调压原理

辅助变压器有载调压是根据电压矢量的叠加原理进行调压，如图1所示。

图1 电压矢量叠加原理

由图1可知：U1=U2+ΔU，调节电压ΔU的大小或调节与输出电压U1的夹角即可调节U1的大小及相角。通常情况下是改变ΔU的大小，让其相位保持与U1同相或反相，从而维持U1保持不变。

2 主电路设计

辅助变压器有载调压主要由调压设备和DSP控制板构成。其中调压设备由三相整流器、电容储能器、单相逆变器、LC滤波器和辅助变压器依次连接而成，其A相电路如图2所示（B、C相与A相相同）。

图2 辅助变压器有载调压的主电路

三相整流器的作用是把三相交流电变成直流电；L1C1的作用是使整流器整流出来的脉动直流电变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的交流电；正弦波滤波器L2C2的作用是将逆变器输出的PWM脉冲波转换成正弦波，从而减小谐波污染；最后将辅助变压器串接到变压器的二次侧。

当二次侧电压U0降低ΔU时，在二次侧电压过零点时触发逆变器，辅助变压器输出的电压与二次侧电压同相，使二次侧电压增加ΔU，保持U2不变；相反，当二次侧电压U0升高ΔU时，在二次侧电压过零点后延时0.01 s触发逆变器，辅助变压器输出的电压与二次侧电压反相，使二次侧电压降低ΔU，保持U2不变。

由主电路图（图2）可知，辅助变压器补偿的是配电变压器二次侧电压升高或降低的部分，无需承受电网的全部电压，因此，器件的选择比较容易。

3 优化特定消谐PWM技术

3.1 基本原理

1973年，美国著名电力电子学专家Richard G.Hoft提出了特定消谐PWM技术，此技术可以有效地消除低次谐波。和其他调制技术相比，特定消谐技术有许多优势，如开关频率低、输出电压及电流的质量较高等。单极性SHE-PWM输出电压波形见图3。

经傅里叶分析得到系数公式如式（1）。

图3 SHE-PWM输出电压波形

由式（1） 形成的逆变器单极性输出单相消谐模型见式（2）。

式（2）是一个典型的非线性方程组，且为超越方程，因此，SHE-PWM开关角的求解成为该技术应用的一个障碍。为此国内外的学者做了大量探索，至今没有得到一种有效的求解方法。通常情况下利用牛顿迭代法解此方程，但是牛顿迭代法收敛域窄、对初始值的要求比较高。为了解决牛顿迭代法收敛域窄的情况，有人提出了牛顿同伦算法[4]，此算法有比牛顿迭代法更宽的收敛域和更快的收敛速度。同时亦有人提出了吴文俊消元法（简称“吴方法”[5]），先将特定消谐模型转换为多项式方程，再利用“吴方法”求解该多项式的解。

3.2 开关角的在线计算

为了对开关角进行在线计算，将针对不同调制深度b求得的一系列开关角利用软件进行多项式拟合，得到方程组，利用方程组可以实现对开关角的在线计算。

3.3 实例

把b=5带入到方程组中，得出开关角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]。对单相H桥逆变器进行触发，逆变器的输出电压波形如图4所示。

图4 逆变器输出的电压波形图

图5为输出电压的傅里叶分析。由图5可以看出，逆变器的输出电压中，26次以下谐波完全被消除，只有在30次附近有一定量的谐波。通过此实例说明了用方程组计算的开关角是有效的[6-9]。

图5 输出电压的傅里叶分析

4 仿真

此方案的仿真是利用Matlab/Simulink仿真软件进行的。将图2表示的主电路利用Simulink搭建成仿真模型，使模型中变压器二次侧电压下降到210 V，然后使用辅助变压器有载调压调节二次侧电压，使二次侧电压回升到正常的220 V的一个过程。调压前二次侧电压和调压后二次侧电压分别如图6所示。

图6 二次侧电压

图6可以看出，调压后，二次侧电压提升到了220 V。对二次侧电压进行傅里叶分析，由图7可以看出，经过调压后，二次侧电压只含有较少量的高次谐波，其总谐波畸变率THD=0.06%。

图7 二次侧电压的傅里叶分析

5 辅助变压器调压设备的成本预算与安装

辅助变压器有载调压设备中，TMS320LF2407型DSP，其最小系统板的价格为168元；逆变器中SPW47N60C3的MOSFET价格为47.5元；SQL-5010型号的三相整流桥价格为7元；IR-2110 MOSFET驱动器价格为6元。再加上其他的电子元件，此设备的成本大概在500元左右。

此设备中，逆变器、整流器、驱动电路等控制电路可以集中安放在一块板上，因此设备的体积较小，放到变压器的油箱中即可。这样可以保证在冬天不会因为温度低而影响其工作，同时，又省去了散热装置[10-13]。

6 结语

通过辅助变压器可以对变压器二次侧电压进行有效的调节，并可以进行实时控制，有效地解决了通过有载分接开关调压时产生的电压级差。针对我国配电网中大部分都是无励磁调压的情况，在无需更换变压器的前提下，实现配电网的有载调压。因此，辅助变压器有载调压设备对于智能电网的建设将会起到一定的作用。

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