基于电力电子器件的10kV有载调压变压器及其调控方法
阅读说明：本技术 基于电力电子器件的10kV有载调压变压器及其调控方法 (10kV on-load voltage regulating transformer based on power electronic device and regulation and control method thereof ) 是由 杨树德 曾梓康 蔡长虹 高雄鹰 周鑫 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了变压器领域内的一种基于电力电子器件的10kV有载调压变压器,调压单元对应连接在原边每相调压绕组上,调压单元的结构相同,均包含四个电力电子开关,每个电力电子开关由两只反并联晶闸管构成,每只所述电力电子开关的一端与变压器的调压绕组相连,另外一端则直接并接在一起；调压单元还包括第五开关、过渡电阻、压敏电阻、常闭开关,第五开关与过渡电阻并联后短接在第一开关、第四开关间电极点与第二开关、第三开关间电极点之间；压敏电阻与常闭开关并联后短接在第一绕组的另一端与第二绕组的另一端之间,本发明解决了常见电压等级晶闸管在10kV有载调压变压器应用中的过压保护问题以及有载调压过程中调压绕组间可能出现的短路问题。(The invention discloses a 10kV on-load voltage-regulating transformer based on power electronic devices in the field of transformers, wherein voltage regulating units are correspondingly connected to each phase of voltage regulating winding on a primary side, the voltage regulating units have the same structure and respectively comprise four power electronic switches, each power electronic switch comprises two anti-parallel thyristors, one end of each power electronic switch is connected with the voltage regulating winding of the transformer, and the other ends of the power electronic switches are directly connected in parallel; the voltage regulating unit also comprises a fifth switch, a transition resistor, a piezoresistor and a normally closed switch, wherein the fifth switch is connected with the transition resistor in parallel and then is in short circuit between the electrode point between the first switch and the fourth switch and the electrode point between the second switch and the third switch; the voltage dependent resistor is connected with the normally closed switch in parallel and then is in short circuit between the other end of the first winding and the other end of the second winding, and the invention solves the overvoltage protection problem of the common voltage class thyristor in the application of a 10kV on-load voltage regulating transformer and the possible short circuit problem between voltage regulating windings in the on-load voltage regulating process.)
技术领域
本发明涉及变压器技术领域，特别涉及一种有载调压变压器及其调控方法。
背景技术
目前在有载调压变压器应用中多采用机械式或真空开关来调节变压器分接头，但这种方案存在使用寿命短、后期故障率和维护成本高的问题，严重制约了变压器有载调压作用的发挥。与机械和真空开关相比，电力电子开关具有开关速度快、寿命长等优点。因此，为了解决该问题，推动有载调压变压器技术进一步发展，采用电力电子器件代替传统机械和真空开关的方案被广泛关注。
正常工作时，有载调压变压器分接抽头间的电压较低，此时开关管需要承受的电压不高，采用常见电压等级的1200V电力电子器件即可满足正常运行时的耐压要求。然而，在10kV电力电子变压器应用中，如何保证1200V常见电压等级的电力电子器件在变压器上电、启动和停机过程中不被损坏是一个技术难点。
现有技术中公开了一种无过渡电阻有载调压变压器自然无环流调控方法，CN113300642A，其采用电力电子开关替代传统机械和真空开关，但是其存在另一技术难点在于如何保证常见电压等级的1200V电力电子器件应用于10kV系统下不被损坏，并且为了实现自然无环流的效果，该方案需要对变压器的每相电流进行检测，且调控过程依赖于对电压和电流阈值的判断，调控程序较复杂。
现有避免有载调压过程中在调压绕组间可能出现短路现象的另一技术方案是直接移除机械和真空开关方案中的过渡电阻，借助于电力电子开关速度快的优点通过精确的选择调压时刻保证调压过程中在调压绕组间出现的短路时间足够短，该方案有效的前提是假设短时的短路不会给系统带来较大影响，并未真正解决有载调压过程中的短路问题，因此在实际应用中的可靠性有待进一步验证。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于电力电子器件的10kV有载调压变压器，利用常闭型开关和压敏电阻实现了常见电压等级（1200V）晶闸管在10kV有载调压变压器中的应用；同时，该方案利用电力电子开关控制过渡电阻的投入和切除，解决了有载调压过程中调压绕组间可能出现的短路问题。
本发明的目的是这样实现的：一种基于电力电子器件的10kV有载调压变压器，包括：
设置在变压器原边的调压单元，调压单元对应连接在每相调压绕组上，调压单元的结构相同；所述调压绕组包括第一绕组和第二绕组，所述调压单元包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，所述第一绕组的一端作为输入，第一绕组的另一端与第二开关的一端相连，第一开关的一端连接在第一绕组的中部，第二绕组的一端作为输出，第二绕组的另一端与第三开关的一端相连，第四开关一端连接在第二绕组的中部，第一开关的另一端与第四开关的另一端连接在一起，第二开关的另一端、第三开关的另一端连接在一起；
所述调压单元还包括第五开关、过渡电阻、压敏电阻、常闭开关，所述第五开关与过渡电阻并联后短接在第一开关、第四开关间电极点与第二开关、第三开关间电极点之间；所述压敏电阻与常闭开关并联后短接在第一绕组的另一端与第二绕组的另一端之间。
作为本发明的进一步限定，每相所述调压单元可根据需要选择设置的数量。
一种基于电力电子器件的10kV有载调压变压器调控方法，包括以下步骤：
步骤1、将稳态时调压单元中各开关可能的导通状态分为变压器副边电压依次升高的导通状态一、导通状态二、导通状态三；
步骤2、将调控程序分为“启动层”、“顶层”、“中间层”、“底层”和“停机层”；“启动层”主要负责变压器带电后，常闭开关导通转变为各开关导通过程的调控、“顶层”主要根据当前的电压幅值给出是否需要“升压”或者“降压”的指示、“中间层”主要根据“顶层”给出的“升压”或者“降压”指示以及当前状态分配下一状态、“底层”则根据中间层的状态分配结果执行相应的调控步骤、“停机层”则根据是否有停机命令执行相应的停机调控步骤；
步骤3、变压器高压侧合闸后变压器带电，控制系统得电后首先判断是否有启动命令，若无启动命令则等待启动命令的到来，若有启动命令则控制系统触发导通状态一，同时将前状态和下一状态标志位均设置为导通状态一，延时后控制系统发送常闭开关断开命令；
步骤4、“顶层”程序根据当前的电压幅值给出是否需要“升压”或者“降压”指示，在当前电压低于设定值时给出“升压”指示，在当前电压高于设定值时给出“降压”指示，当前电压在设定值以内时则不给出“升压”或者“降压”指示；
步骤5、若无“升压”或者“降压”指示，则程序跳转至“是否有停机命令”判断程序，若有“升压”或者“降压”指示，则中间层根据“升压”或者“降压”指示以及当前的状态分配下一状态；
步骤6、“底层”根据中间层的状态分配结果执行相应的调控步骤；若当前状态和下一状态标志位相同，无需执行调控步骤，该部分子程序结束；若当前状态和下一状态标志位不同，则根据状态变更需求执行相应的调控过程；
步骤7、“底层”子程序结束后进入到“停机层”子程序。
作为本发明的进一步限定，步骤1中所述导通状态一为第二开关和第三开关导通；所述导通状态二为第一开关和第三开关导通；所述导通状态三为第一开关和第四开关导通。
作为本发明的进一步限定，步骤4中的设定值为额定值的2.5%。
作为本发明的进一步限定，步骤5具体包括：
若是“升压”指示并且当前状态为导通状态二，则将下一状态标志位设置为导通状态三，该部分子程序结束，若是“升压”指示并且当前状态为导通状态一，则将下一状态标志位设置为导通状态二，该部分子程序结束，若是“升压”指示并且当前状态即非导通状态一，也非导通状态二，则说明当前状态为导通状态三，则不对下一状态标志位做修改，该部分子程序结束；若是“降压”指示并且当前状态为导通状态二，则将下一状态标志位设置为导通状态一，该部分子程序结束；
若是“降压”指示并且当前状态为导通状态三，则将下一状态标志位设置为导通状态二，该部分子程序结束，若是“降压”指示并且当前状态即非导通状态二，也非导通状态三，则说明当前状态为导通状态一，则不对下一状态标志位做修改，该部分子程序结束。
作为本发明的进一步限定，步骤6具体包括：
若当前状态为导通状态一并且下一状态为导通状态二，则首先开启第一开关触发脉冲同时关闭第二开关触发脉冲，再延时后开启第五开关触发脉冲，此时状态切换至导通状态二，最后将当前状态设置为导通状态二，该部分子程序结束；
若当前状态为导通状态二并且下一状态为导通状态三，则首先关闭第五开关触发脉冲并延时，然后再开启第四开关触发脉冲同时关闭第三开关触发脉冲，最后等待设定时间段，保证该时间段内第三开关电流过零后关断，此时状态切换至导通状态三，最后将当前状态设置为导通状态三，该部分子程序结束；
若当前状态为导通状态三并且下一状态为导通状态二，则首先开启第三开关触发脉冲同时关闭第四开关触发脉冲，再延时后开启第五开关触发脉冲，此时状态切换至导通状态二，最后将当前状态设置为导通状态二，该部分子程序结束；
若当前状态为导通状态二并且下一状态为导通状态一，则首先关闭第五开关触发脉冲并延时，然后再开启第二开关触发脉冲同时关闭第一开关触发脉冲，最后等待设定时间段，保证该时间段内第一开关电流过零后关断，此时状态切换至导通状态一，最后将当前状态设置为导通状态一，该部分子程序结束。
作为本发明的进一步限定，步骤7具体包括：
首先判断是否有停机命令；
若无停机命令则跳转至“顶层”程序，继续判断是否需要升压或降压，若有停机命令并且当前状态和下一状态是否均为导通状态二，则将下一状态标志设置为导通状态一；
若有停机命令并且当前状态和下一状态是否均为导通状态三，则将下一状态标志设置为导通状态二；
若上述两种情况均不满足则不对下一状态标志位做修改；然后判断当前状态和下一状态标志位是否均为导通状态一，若不成立，则根据状态变更需求执行相应的调控流程，执行完毕后跳转至当前状态和下一状态是否均为导通状态二判断程序入口，该部分程序的作用是在停机前不断将系统调整至停机所需的状态导通状态一，若成立，说明当前系统位于导通状态一状态，符合停机对状态的要求，则控制系统发送常闭开关闭合指令，延时，保证常闭开关闭合后再关闭第二开关和第三开关触发脉冲，完成停机流程。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1）借助于压敏电阻和常闭开关，通过恰当的设置装置启动和停止调控逻辑，保证变压器上电、启动和停机过程中常见电压等级（1200V）的晶闸管应用于10kV有载调压变压器中不被损坏；
2）在调压过程中通过电力电子开关控制过渡电阻的投入和切除，避免了有载调压过程中调压绕组间可能出现的短路现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明所提供的基于电力电子器件的10kV有载调压变压器主电路结构图。
图2是本发明所提供的基于电力电子器件的10kV有载调压变压器总体调控程序流程。
图3是本发明所提供的基于电力电子器件的10kV有载调压变压器“根据当前状态标志位，调整下一状态标志位”调控子程序流程。
图4是本发明所提供的基于电力电子器件的10kV有载调压变压器“根据状态变更需求执行相应的调控过程”调控子程序流程。
图5是采用本发明所提供的技术方案由S2、S3状态切换至S1、S3状态时的升压仿真结果。
图6是采用本发明所提供的技术方案由S1、S3状态切换至S1、S4状态时的升压仿真结果。
图7是采用本发明所提供的技术方案由S1、S4状态切换至S1、S3状态时的降压仿真结果。
图8是采用本发明所提供的技术方案由S1、S3状态切换至S2、S3状态时的降压仿真结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的一种基于电力电子器件的10kV有载调压变压器，如图1所示，在其拓扑结构中，每相的调压绕组包括第一绕组（上半部分）和第二绕组（下半部分），每相的每个调压单元含有五只电力电子开关S1、S2、S3、S4、S5，每只电力电子开关由两只反并联晶闸管构成，电力电子开关S5与过渡电阻R并联，该开关S5和过渡电阻R主要是避免调压过程中在调压绕组间出现短路现象，实际中可根据调压需求设置每相调压单元的数量；每个调压单元中还包括一只820V，20KA的压敏电阻R v和与其并联的具有常闭功能的开关M，压敏电阻的主要功能在于吸收高压侧合闸后由开关M导通切换至开关S2和S3导通过程中的短时10kV过电压，常闭开关M的主要功能在于避免变压器高压侧合闸时10kV电压施加在电子开关两端导致开关损坏。
本发明所提供的基于电力电子器件的10kV有载调压变压器及其调控方法按照以下步骤具体实施（由于A、B、C三相的调压流程相同，因此下文以A相为例来说明具体的实施步骤）：
步骤1、根据稳态时一个调压单元中各电力电子开关可能的导通情况将调压单元分为三种状态：S2和S3导通、S1和S3导通、S1和S4导通，这三种状态分别对应着变压器副边电压依次升高；
步骤2、参照图2，由于有载调压调控流程复杂，为了简化调控程序，将调控程序分为“启动层”、“顶层”、“中间层”、“底层”和“停机层”；“启动层”主要负责变压器带电后，常闭开关M导通转变为电力电子开关导通过程的调控、“顶层”主要根据当前的电压幅值给出是否需要“升压”或者“降压”的指示、“中间层”主要根据“顶层”给出的“升压”或者“降压”指示以及当前状态分配下一状态、“底层”则根据中间层的状态分配结果执行相应的调控步骤、“停机层”则根据是否有停机命令执行相应的停机调控步骤；
步骤3、变压器高压侧合闸后变压器带电，由于高压侧合闸过程中常闭开关M闭合，因此各开关管承受的最高电压仅与调压绕组间的电压有关，10kV系统下该电压通常最高为500V，保证了常规1200V晶闸管的安全；高压侧合闸，控制系统得电后首先判断是否有启动命令，若无启动命令则等待启动命令的到来，若有启动命令则控制系统给S2和S3发触发脉冲，同时将前状态和下一状态标志位均设置为状态“S2和S3”，延时200ms后控制系统发送常闭开关M断开命令，由于M断开前的瞬间开关S2和S3被短接，因此即使S2和S3有触发脉冲也无法导通，此时需在开关S2和S3两端并联压敏电阻R v来避免M断开瞬间到S2和S3触发脉冲到来，即S2和S3导通的这段时间（由于晶闸管触发脉冲列的频率为10kHz，因此该段时间最长为100微秒）10kV电压施加于额定电压为1200V的电力电子开关导致开关损坏，压敏电阻需选择820V，20KA型，控制系统发送常闭开关M断开命令后需延时500ms，以保证开关M断开后再进入“顶层”程序；
步骤4、“顶层”程序根据当前的电压幅值给出是否需要“升压”或者“降压”指示，在当前电压低于额定值2.5%时给出“升压”指示，在当前电压高于额定值2.5%时给出“降压”指示，当前电压在额定值±2.5%以内时则不给出“升压”或者“降压”指示；
步骤5、若无“升压”或者“降压”指示，则程序跳转至“是否有停机命令”判断程序，若有“升压”或者“降压”指示，则中间层根据“升压”或者“降压”指示以及当前的状态分配下一状态，参照图3，若是“升压”指示并且当前状态为“S1和S3”，则将下一状态标志位设置为“S1和S4”，该部分子程序结束，若是“升压”指示并且当前状态为“S2和S3”，则将下一状态标志位设置为“S1和S3”，该部分子程序结束，若是“升压”指示并且当前状态即非“S2和S3”，也非“S1和S3”，则说明当前状态为“S1和S4”，此时已达系统升压的上限，则不对下一状态标志位做修改，该部分子程序结束；若是“降压”指示并且当前状态为“S1和S3”，则将下一状态标志位设置为“S2和S3”，该部分子程序结束，若是“降压”指示并且当前状态为“S1和S4”，则将下一状态标志位设置为“S1和S3”，该部分子程序结束，若是“降压”指示并且当前状态即非“S1和S3”，也非“S1和S4”，则说明当前状态为“S2和S3”，此时已达系统降压的下限，则不对下一状态标志位做修改，该部分子程序结束；
步骤6、“底层”根据中间层的状态分配结果执行相应的调控步骤，若当前状态和下一状态标志位相同，则说明此时已达系统调压能力的上限或下限，无需执行调控步骤，该部分子程序结束；若当前状态和下一状态标志位不同，则根据状态变更需求执行相应的调控过程，参见图4，若当前状态为“S2和S3”并且下一状态为“S1和S3”，则首先开启S1触发脉冲同时关闭S2触发脉冲，此时S1经过渡电阻R导通，避免调压绕组间短路，再延时20ms，保证该时间段内S2电流过零关断，然后开启S5触发脉冲，切除过渡电阻R，此时状态切换至“S1和S3”，最后将当前状态设置为“S1和S3”，该部分子程序结束；若当前状态为“S1和S3”并且下一状态为“S1和S4”，则首先关闭S5触发脉冲并延时20ms，保证该时间段内S5电流过零后关断，投入过渡电阻，此时S1经过渡电阻R和S3导通，然后再开启S4触发脉冲同时关闭S3触发脉冲，此时开关S4导通，最后等待20ms，保证该时间段内S3电流过零后关断，此时状态切换至“S1和S4”，最后将当前状态设置为“S1和S4”，该部分子程序结束；若当前状态为“S1和S4”并且下一状态为“S1和S3”，则首先开启S3触发脉冲同时关闭S4触发脉冲，此时S3经过渡电阻R导通，避免调压绕组间短路，再延时20ms，保证该时间段内S4电流过零关断，然后开启S5触发脉冲，切除过渡电阻R，此时状态切换至“S1和S3”，最后将当前状态设置为“S1和S3”，该部分子程序结束；若当前状态为“S1和S3”并且下一状态为“S2和S3”，则首先关闭S5触发脉冲并延时20ms，保证该时间段内S5电流过零后关断，投入过渡电阻，此时S1经过渡电阻R和S3导通，然后再开启S2触发脉冲同时关闭S1触发脉冲，此时开关S2导通，最后等待20ms，保证该时间段内S1电流过零后关断，此时状态切换至“S2和S3”，最后将当前状态设置为“S2和S3”，该部分子程序结束；
步骤7、“底层”子程序结束后进入到“停机层”子程序，首先判断是否有停机命令，若无停机命令则跳转至“顶层”程序，继续判断是否需要升压或降压，若有停机命令并且当前状态和下一状态是否均为“S1和S3”，则将下一状态标志设置为“S2和S3”，若有停机命令并且当前状态和下一状态是否均为“S1和S4”，则将下一状态标志设置为“S1和S3”，若上述两种情况均不满足则不对下一状态标志位做修改；然后判断当前状态和下一状态标志位是否均为“S2和S3”，若不成立，则参照图4所示子程序，根据状态变更需求执行相应的调控流程，执行完毕后跳转至当前状态和下一状态是否均为“S1和S3”判断程序入口，该部分程序的作用是在停机前不断将系统调整至停机所需的状态“S2和S3”，若成立，说明当前系统位于“S2和S3”状态，符合停机对状态的要求，则控制系统发送常闭开关M闭合指令，延时500ms，保证开关M闭合后再关闭S2和S3触发脉冲，完成停机流程，该过程中关闭S2和S3触发脉冲前首先确保M闭合的作用在于保证S2和S3关断后被短接，避免10kV电压施加至1200V晶闸管两端造成开关管损坏。
按照上述具体实施方式，参照图5、图6、图7和图8的仿真结果，在由状态“S2和S3”切换至“S1和S3”，以及由状态“S1和S3”切换至“S1和S4”的升压过程，和由状态“S1和S4”切换至“S1和S3”，以及由状态“S1和S3”切换至“S2和S3”的降压过程中均可保证在调整变压器输出电压过程中波形的连续；
以上内容仅为说明本发明的技术思想，比如图 1中“常闭开关M”仅是本发明所提供的示意图，实际中可以采用常闭型接触器或具有断电自复位功能的磁保持继电器等多种类型的开关，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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