本發(fā)明涉及一種電壓無(wú)級(jí)補(bǔ)償型可控配電變壓器，屬于變壓器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，配電網(wǎng)智能化進(jìn)程不斷加快，用戶對(duì)配電變壓器供電電壓質(zhì)量的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的基于多個(gè)分接頭切換的有載調(diào)壓技術(shù)不僅調(diào)壓精度差、響應(yīng)速度慢，而且會(huì)降低系統(tǒng)無(wú)功裕量、導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。為此，基于全控型電力電子器件的靜止無(wú)功發(fā)生器受到了人們的普遍關(guān)注，該裝置直接并聯(lián)在負(fù)荷供電母線上，通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功電流來(lái)實(shí)現(xiàn)供電電壓的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。但單純利用靜止無(wú)功發(fā)生器往往需要補(bǔ)償很大的無(wú)功電流才能實(shí)現(xiàn)負(fù)載母線電壓的大范圍平滑調(diào)節(jié)，因此其裝置整體制造成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種電壓無(wú)級(jí)補(bǔ)償型可控配電變壓器，將有級(jí)調(diào)壓與無(wú)功調(diào)壓有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)輸出電壓大范圍連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

該電壓無(wú)級(jí)補(bǔ)償型可控配電變壓器由一臺(tái)三相三繞組變壓器、三組開(kāi)關(guān)陣列、一個(gè)三相電壓型變流器構(gòu)成。所述三相三繞組變壓器每相包括網(wǎng)側(cè)繞組、負(fù)載繞組、調(diào)壓繞組。所述開(kāi)關(guān)陣列包括移相開(kāi)關(guān)組及反接開(kāi)關(guān)組，所述移相開(kāi)關(guān)組由兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)構(gòu)成，反接開(kāi)關(guān)組由四個(gè)功率開(kāi)關(guān)構(gòu)成橋型結(jié)構(gòu)，每相的調(diào)壓繞組與本相內(nèi)正反接開(kāi)關(guān)組的各橋臂中點(diǎn)相連，每相的移相開(kāi)關(guān)組的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)同時(shí)連接于本相內(nèi)正反接開(kāi)關(guān)組的非接地頂點(diǎn)，每相的網(wǎng)側(cè)繞組末端與兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)相連，其中一個(gè)為本相移相開(kāi)關(guān)組的其中一個(gè)功率開(kāi)關(guān)，另一個(gè)為相鄰相移相開(kāi)關(guān)組的其中一個(gè)功率開(kāi)關(guān)；兩個(gè)開(kāi)關(guān)組功能獨(dú)立，分別完成正、反接切換與移相切換。所述三相電壓型變流器并聯(lián)于負(fù)載繞組首端，其直流側(cè)電容中點(diǎn)與負(fù)載繞組的中性點(diǎn)連接。

所述開(kāi)關(guān)陣列中的每個(gè)功率開(kāi)關(guān)由一對(duì)反并聯(lián)晶閘管、限流電阻及固態(tài)繼電器構(gòu)成，各功率開(kāi)關(guān)之間的一次切換需經(jīng)過(guò)限流電阻接入、晶閘管關(guān)斷、晶閘管導(dǎo)通、限流電阻關(guān)斷這4個(gè)步驟來(lái)完成，以實(shí)現(xiàn)供電不中斷切換，并抑制繞組環(huán)流。

所述調(diào)壓繞組與網(wǎng)側(cè)繞組的連接方式可在正接、反接、120°移相正接、120°移相反接、旁路五種連接方式之間切換，五種連接方式對(duì)應(yīng)5個(gè)電壓檔位。

所述功率開(kāi)關(guān)切換完成后，變流器的調(diào)制度可在0至1之間變化以發(fā)出容性或感性無(wú)功電流、從而在變壓器漏感上產(chǎn)生正向或反向電壓微調(diào)量，以補(bǔ)償負(fù)載電壓的細(xì)微偏差。

所述功率開(kāi)關(guān)調(diào)壓與變流器無(wú)功調(diào)壓協(xié)調(diào)配合可圍繞5個(gè)電壓檔位形成五個(gè)連續(xù)的電壓調(diào)節(jié)區(qū)間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本發(fā)明所述配電變壓器每相只需增加一個(gè)小容量調(diào)壓繞組，通過(guò)反接開(kāi)關(guān)組與移相開(kāi)關(guān)組的開(kāi)斷操作便可得到多種繞組連接方式，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)壓，相比傳統(tǒng)有載調(diào)壓方式，大大減少了抽頭個(gè)數(shù)，變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，繞組容量利用更為充分。本發(fā)明將有級(jí)調(diào)壓與基于全控型電力電子裝置的無(wú)功電流連續(xù)調(diào)壓相結(jié)合，充分發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢(shì)，不僅提高了配電變壓器電壓調(diào)節(jié)的控制精度，實(shí)現(xiàn)了大范圍連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，而且能大大降低單純采用靜止無(wú)功發(fā)生器時(shí)所使用的全控型器件的開(kāi)斷容量。

附圖說(shuō)明

圖1為電壓無(wú)級(jí)補(bǔ)償型可控配電變壓器電路示意圖。

圖2為功率開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為調(diào)壓繞組正/反接切換過(guò)程示意圖，其中(a)～(e)為依箭頭中數(shù)字所示順序進(jìn)行切換時(shí)對(duì)應(yīng)階段狀態(tài)；

圖4a、圖4b、圖4c、圖4d、圖4e為調(diào)壓繞組的移相切換過(guò)程階段狀態(tài)圖。

圖5為不同電壓檔位下一次繞組與調(diào)壓繞組連接方式示意圖，其中(a)為旁路，(b)為正/反接，(c)為120°移相正/反接。

圖6為電壓連續(xù)平滑調(diào)節(jié)仿真波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以下所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明所述電壓無(wú)級(jí)補(bǔ)償型可控配電變壓器包括a相一次繞組1a、b相一次繞組1b、c相一次繞組1c、a相二次繞組2a、b相二次繞組2b、c相二次繞組2c，a相調(diào)壓繞組3a、b相調(diào)壓繞組3b、c相調(diào)壓繞組3c。各相一次繞組首/末端子依次為A/X、B/Y、C/Z，各相二次繞組首/末端子依次為a₂/x₂、b₂/y₂、c₂/z₂，各相調(diào)壓繞組首/末端子依次為a₃/x₃、b₃/y₃、c₃/z₃，規(guī)定三個(gè)繞組的首端為同名端，各相一次繞組首端連接電網(wǎng)。其特點(diǎn)是還包括a相正/反接開(kāi)關(guān)組4a、b相正/反接開(kāi)關(guān)組4b、c相正/反接開(kāi)關(guān)組4c，以及a相移相開(kāi)關(guān)組5a、b相移相開(kāi)關(guān)組5b、c相移相開(kāi)關(guān)組5c和三相電壓型變流器12。

所述a相正/反接開(kāi)關(guān)組4a由功率開(kāi)關(guān)6a、功率開(kāi)關(guān)7a、功率開(kāi)關(guān)8a和功率開(kāi)關(guān)9a構(gòu)成，a相移相開(kāi)關(guān)組5a由功率開(kāi)關(guān)10a和功率開(kāi)關(guān)11a構(gòu)成。它們的具體連接方式為：功率開(kāi)關(guān)6a的一端、功率開(kāi)關(guān)8a的一端及a相調(diào)壓繞組3a的首端a₃共同連接于節(jié)點(diǎn)J_1a，功率開(kāi)關(guān)6a的另一端、功率開(kāi)關(guān)9a的一端、功率開(kāi)關(guān)10a的一端及功率開(kāi)關(guān)11a的一端共同連接于節(jié)點(diǎn)J_2a，功率開(kāi)關(guān)7a的一端、功率開(kāi)關(guān)9a的另一端及a相調(diào)壓繞組3a的末端x₃在節(jié)點(diǎn)J_3a相連，功率開(kāi)關(guān)7a的另一端及功率開(kāi)關(guān)8a的另一端在節(jié)點(diǎn)J_4a相連。b相正/反接開(kāi)關(guān)組4b由功率開(kāi)關(guān)6b、功率開(kāi)關(guān)7b、功率開(kāi)關(guān)8b和功率開(kāi)關(guān)9b構(gòu)成，b相移相開(kāi)關(guān)組5b由功率開(kāi)關(guān)10b和功率開(kāi)關(guān)11b構(gòu)成。功率開(kāi)關(guān)6b的一端、功率開(kāi)關(guān)8b的一端及b相調(diào)壓繞組3b的首端b₃共同連接于節(jié)點(diǎn)J_1b，功率開(kāi)關(guān)6b的另一端、功率開(kāi)關(guān)9b的一端、功率開(kāi)關(guān)10b的一端及功率開(kāi)關(guān)11b的一端在節(jié)點(diǎn)J_2b相連，功率開(kāi)關(guān)7b的一端、功率開(kāi)關(guān)9b的另一端及b相調(diào)壓繞組3b的末端y₃在節(jié)點(diǎn)J_3b相連，功率開(kāi)關(guān)7b的另一端及功率開(kāi)關(guān)8b的另一端在節(jié)點(diǎn)J_4b相連。c相正/反接開(kāi)關(guān)組4c由功率開(kāi)關(guān)6c、功率開(kāi)關(guān)7c、功率開(kāi)關(guān)8c和功率開(kāi)關(guān)9c構(gòu)成，c相移相開(kāi)關(guān)組5c由功率開(kāi)關(guān)10c和功率開(kāi)關(guān)11c構(gòu)成。功率開(kāi)關(guān)6c的一端、功率開(kāi)關(guān)8c的一端及c相調(diào)壓繞組3c的首端c₃在節(jié)點(diǎn)J_1c相連，功率開(kāi)關(guān)6c的另一端、功率開(kāi)關(guān)9c的一端、功率開(kāi)關(guān)10c的一端及功率開(kāi)關(guān)11c的一端在節(jié)點(diǎn)J_2c相連，功率開(kāi)關(guān)7c的一端、功率開(kāi)關(guān)9c的另一端及c相調(diào)壓繞組3c的末端z₃在節(jié)點(diǎn)J_3c相連，功率開(kāi)關(guān)7c的另一端及功率開(kāi)關(guān)8c的另一端在節(jié)點(diǎn)J_4c相連。

節(jié)點(diǎn)J_4a、節(jié)點(diǎn)J_4b、節(jié)點(diǎn)J_4c連接于節(jié)點(diǎn)J₇之后接入大地。功率開(kāi)關(guān)10a的另一端、功率開(kāi)關(guān)11c的另一端與a相一次繞組1a的末端X相連，功率開(kāi)關(guān)10b的另一端、功率開(kāi)關(guān)11a的另一端與b相一次繞組1b的末端Y相連，功率開(kāi)關(guān)10c、功率開(kāi)關(guān)11b與c相一次繞組1c的末端Z相連。

a、b、c相二次繞組的末端x₂、y₂、z₂接在一起并將中性點(diǎn)J₆引出以實(shí)現(xiàn)三相四線制供電。三相電壓型變流器12的三相輸出端并聯(lián)于a、b、c相二次繞組的首端a₂、b₂、c₂，三相電壓型變流器12的直流側(cè)母線電容13由兩個(gè)容值相等的電容串聯(lián)而成，電容中點(diǎn)J₅引出之后與中點(diǎn)J₆相連。

如圖2所示，本發(fā)明中功率開(kāi)關(guān)的具體拓?fù)湟怨β书_(kāi)關(guān)6a為例進(jìn)行說(shuō)明。功率開(kāi)關(guān)6a由反并聯(lián)晶閘管61a、限流電阻62a和固態(tài)繼電器63a構(gòu)成，其中限流電阻62a與固態(tài)繼電器63a串聯(lián)之后與反并聯(lián)晶閘管61a并聯(lián)，本發(fā)明中各功率開(kāi)關(guān)的元件組成一致，標(biāo)記方法統(tǒng)一，比如功率開(kāi)關(guān)10a由反并聯(lián)晶閘管101a、限流電阻102a和固態(tài)繼電器103a構(gòu)成，功率開(kāi)關(guān)10b由反并聯(lián)晶閘管101b、限流電阻102b和固態(tài)繼電器103b構(gòu)成，功率開(kāi)關(guān)10c由反并聯(lián)晶閘管101c、限流電阻102c和固態(tài)繼電器103c構(gòu)成，功率開(kāi)關(guān)7a由反并聯(lián)晶閘管71a、限流電阻72a和固態(tài)繼電器73a構(gòu)成。

圖3以a相調(diào)壓繞組3a為例給出了a相調(diào)壓繞組3a與a相一次繞組1a的連接方式在正/反接之間切換時(shí)各開(kāi)關(guān)的動(dòng)作過(guò)程。圖3中，粗實(shí)線表示該路徑電流流通，細(xì)虛線則表示該路徑?jīng)]有電流流通。假設(shè)初始時(shí)a相一次繞組1a與a相調(diào)壓繞組3a處于正接狀態(tài)，此時(shí)反并聯(lián)晶閘管61a、71a保持觸發(fā)導(dǎo)通，電流經(jīng)反并聯(lián)晶閘管61a、a相調(diào)壓繞組3a、反并聯(lián)晶閘管71a流通，如圖3(a)所示。當(dāng)切換開(kāi)始之后，首先，固態(tài)繼電器93a、83a閉合，于是限流電阻92a、82a與a相調(diào)壓繞組3a并聯(lián)，從而在反并聯(lián)晶閘管61a、限流電阻92a、固態(tài)繼電器93a、a相調(diào)壓繞組3a以及反并聯(lián)晶閘管71a、固態(tài)繼電器83a、限流電阻82a、a相調(diào)壓繞組3a這兩個(gè)回路中形成兩路環(huán)流，如圖3(b)所示，此時(shí)限流電阻82a、92a主要起限制環(huán)流的作用，a相一次繞組1a與a相調(diào)壓繞組3a仍處于正接狀態(tài)。然后，反并聯(lián)晶閘管61a、71a停止觸發(fā)，過(guò)零關(guān)斷，電流經(jīng)限流電阻92a、固態(tài)繼電器93a、a相調(diào)壓繞組3a、限流電阻82a、固態(tài)繼電器83a流通，如圖3(c)所示，此時(shí)限流電阻82a、92a主要起維持網(wǎng)側(cè)電流導(dǎo)通、防止斷電的作用，a相一次繞組1a與a相調(diào)壓繞組3a切換為反接狀態(tài)。接著，反并聯(lián)晶閘管91a、81a觸發(fā)導(dǎo)通，如圖3(d)所示，由于反并聯(lián)晶閘管導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于限流電阻，因此網(wǎng)側(cè)電流由限流電阻82a、92a、固態(tài)繼電器83a、93a轉(zhuǎn)移至反并聯(lián)晶閘管81a、91a，a相一次繞組1a與a相調(diào)壓繞組3a處于反接狀態(tài)。最后，固態(tài)繼電器83a、93a斷開(kāi)，如圖3(e)所示，a相一次繞組1a與a相調(diào)壓繞組3a穩(wěn)定在反接狀態(tài)，從而完成正接到反接的完整切換。

圖4a～圖4e給出了調(diào)壓繞組與一次繞組進(jìn)行移相切換時(shí)各開(kāi)關(guān)的動(dòng)作過(guò)程。圖中，粗實(shí)線、細(xì)虛線的含義與前文保持一致。假設(shè)初始時(shí)一次繞組與調(diào)壓繞組之間沒(méi)有相移，且處于正接狀態(tài)，即a、b、c相一次繞組1a、1b、1c分別與a、b、c相調(diào)壓繞組3a、3b、3c正向串聯(lián)；此時(shí)，反并聯(lián)晶閘管101a、101b、101c均處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流流通路徑如圖4a所示。當(dāng)切換開(kāi)始之后，首先，固態(tài)繼電器113a、113b、113c均閉合，于是限流電阻112a、112b、112c被連成三角形，三個(gè)頂點(diǎn)依次接在a、b、c相調(diào)壓繞組的首端a₃、b₃、c₃，此時(shí)，將在3個(gè)回路中形成3個(gè)環(huán)流，具體電流路徑如圖4(b)所示，限流電阻起限制環(huán)流的作用。然后，反并聯(lián)晶閘管101a、101b、101c均停止觸發(fā)，過(guò)零關(guān)斷，三相電流轉(zhuǎn)移至限流電阻112a、112b、112c以及固態(tài)繼電器113a、113b、113c流通，如圖4(c)所示，一次繞組與調(diào)壓繞組進(jìn)入移相狀態(tài)。接著，反并聯(lián)晶閘管111a、111b、111c均導(dǎo)通，如圖4(d)所示，一次繞組與調(diào)壓繞組保持原來(lái)的移相狀態(tài)。最后，固態(tài)繼電器113a、113b、113c均斷開(kāi)，如圖4(e)所示，一次繞組與調(diào)壓繞組完成移相，由原來(lái)的a相一次繞組1a與a相調(diào)壓繞組3a串聯(lián)、b相一次繞組1b與b相調(diào)壓繞組3b串聯(lián)、c相一次繞組1c與c相調(diào)壓繞組3c串聯(lián)的同相連接方式，變?yōu)閍相一次繞組1a與c相調(diào)壓繞組3c串聯(lián)、b相一次繞組1b與a相調(diào)壓繞組3a串聯(lián)、c相一次繞組1c與b相調(diào)壓繞組3b串聯(lián)的移相連接方式，最終完成完整的移相切換。

以如圖3所示的正/反接切換以及如圖4a～圖4e所示的移相切換為兩種基本流程動(dòng)作、在實(shí)際運(yùn)行時(shí)往往需將上述兩種切換流程配合使用，才能完成負(fù)載電壓的多級(jí)順次切換。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，一次繞組與調(diào)壓繞組之間具有5種比較實(shí)用的連接方式，具體如圖5所示，此時(shí)便確定了有級(jí)調(diào)壓的5個(gè)檔位。圍繞每個(gè)檔位，讓三相電壓型變流器12協(xié)調(diào)配合，發(fā)出連續(xù)的容性或感性無(wú)功電流便可在變壓器漏抗上形成縱向壓降，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)精確調(diào)節(jié)。圖6給出了有級(jí)調(diào)節(jié)與連續(xù)精確調(diào)節(jié)相互配合在電網(wǎng)電壓不變的情況下實(shí)現(xiàn)負(fù)載輸出電壓大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)a相輸出電壓在正半周期的仿真波形，圖中粗線表示有級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)的電壓檔位中心，輸出電壓由低到高依次對(duì)應(yīng)正接、120°移相反接、旁路、120°移相正接、反接；細(xì)線則表示變流器的調(diào)制度變化時(shí)的電壓波形。從圖中可以看出輸出電壓的確能在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，雖然移相調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)使輸出電壓相位發(fā)生微小偏移，但電壓幅值始終能連續(xù)變化。反過(guò)來(lái)則說(shuō)明本發(fā)明通過(guò)有級(jí)調(diào)節(jié)與連續(xù)精確調(diào)節(jié)相配合完全能抵御配電變壓器輸出電壓所遇到的各種電壓擾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的穩(wěn)定控制。

總之，本發(fā)明通過(guò)增設(shè)調(diào)壓繞組、采用多組電力電子功率開(kāi)關(guān)組成開(kāi)關(guān)陣列，使配電變壓器各相的一次繞組(網(wǎng)側(cè)繞組)與各相的調(diào)壓繞組能在多種連接方式之間切換，包括正接、反接、移相正接、移相反接、旁路，從而給出一種新型負(fù)載電壓有級(jí)調(diào)節(jié)方式。同時(shí)，在二次繞組(負(fù)載繞組)并聯(lián)一電壓型變流器，利用變流器發(fā)出連續(xù)變化的無(wú)功電流，在變壓器漏感上形成連續(xù)變化的補(bǔ)償電壓，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)級(jí)間電壓的細(xì)微補(bǔ)償，有級(jí)補(bǔ)償與無(wú)級(jí)細(xì)微補(bǔ)償協(xié)調(diào)配合以實(shí)現(xiàn)配電變壓器負(fù)載電壓的大范圍連續(xù)補(bǔ)償。