晶闸管分级电压调节器整体方案设计 本文关键词：晶闸管，调节器，方案设计，分级，电压
晶闸管分级电压调节器整体方案设计 本文简介：晶闸管分级电压调节器整体方案设计目录1应用背景12装置工作原理分析32.1基本原理32.2取能点在负载侧工作原理分析42.3取能点在电源侧工作原理分析62.4小结73技术指标74方案设计94.1一次设计94.2二次设计13版本记录时间创建版本备注2016.3.13黄杰Ver1.0创建2016.4.4
晶闸管分级电压调节器整体方案设计 本文内容：
晶闸管分级电压调节器整体方案设计
目
录
1应用背景1
2装置工作原理分析3
2.1基本原理3
2.2取能点在负载侧工作原理分析4
2.3取能点在电源侧工作原理分析6
2.4小结7
3技术指标7
4方案设计9
4.1一次设计9
4.2二次设计13
版本记录
时间
创建
版本
备注
2016.3.13
黄
杰
Ver1.0
创
建
2016.4.4
龙云波
Ver1.1
增加内容
2016.4.5
黄
杰
Ver1.2
2016.8.2
龙云波
Ver2.0
1
应用背景
近年来，随着县域经济发展和城镇化水平不断提高，尤其是社会主义新农村建设和“家电下乡”等惠农政策的出台，加之农村地区加工业的蓬勃发展，致使农村地区电力供需平衡偏紧，以至于在用电高峰时段，部分地区的用户端电压偏低，给农户的日常生产和生活带来了极大的困扰，造成了严重制约当地农村社会经济发展的低电压问题。而根据国网公司相关部门的统计，在国网公司经营区内农村的低电压用户共有847.6万户，占到农村总用户数的3.75%，由此可见低电压问题已具有一定的普遍性，需要供电部门予以重视，并通过有效的技术手段予以解决。
目前，面都低电压问题所采取的应对措施主要有以下几种：
（1）
增加供电电源
通过在低电压问题集中的地区新建变电站以增加供电电源，可以有效减小供电半径，从根本上解决供电用户的低电压问题。但是，变电站建设资金投入巨大，建设周期较长，且由于低电压问题多发生在供电线路末端，用户较为分散，新建变电站的供电容量难以得到充分利用。因此，该方式虽能从根本上解决低电压问题，但资金投入大，见效慢，经济性差。
（2）
更换供电线路，采用更大线径的线缆；
利用将供电线路更换为截面积更大的导线可有效减小供电线路的阻抗，从而降低供电线路所带来的电压降落，也可从根本上解决供电用户的低电压问题。但是，由于配电系统网络复杂，供电线路众多，故更换线路所需资金投入巨大，建设周期长，经济性较差。
（3）
调节供电变压器分接头
通过对上级供电变压器的分接头进行调节，可以在不增加辅助设备的情况下调节线路电源端的电压，实现对供电线路末端用户低电压问题的治理。但由于变压器分接头可调节范围较窄，对由供电线路过长导致线路压降过大所造成的供电用户低电压问题治理效果欠佳。
（4）
采用无功补偿装置
通过并联补偿装置可在不影响线路正常运行的情况下，通过无功电流的注入，减小供电线路的阻抗，降低线路上的电压降落，进而达到对供电用户低电压问题的治理。若并联补偿装置为采用电力电子全控开关技术的设备，则装置的补偿精度高，响应快。但是，由于补偿效果受线路自身阻抗的制约，且在部分工况下会增大线路输送的无功功率，影响了无功补偿对低电压问题的治理效果；此外，对于采用电力电子全控开关技术的设备，由于开关器件的限制，当设备应用于高压配电系统时，势必将增加设备的成本及技术实施的复杂性。
（5）
利用可控串补来补偿线路压降
利用可控串补可调节线路的等效阻抗，减小线路压降，也能达到提高线路末端用户电压的目的，且由于采用电力电子技术，具有补偿精度高，响应速度快的特点。但是，该方式同样受到电力电子器件的制约，当设备应用于高压配电系统时，势必将增加设备的成本及技术实施的复杂性，因此难以在高电压配电系统中推广。
表1
低电压问题治理措施优缺点比较
治理措施
优
点
缺
点
增加供电电源
根本解决低电压问题
投资大、见效慢、经济性差（电源负载率低）
更换供电线路线缆
根本解决低电压问题
投资大、见效慢、经济性差（线路日常传输功率低）
调节变压器分接头
基本不用新增设备
人工调节相应速度慢，电压调节范围有限
采用无功补偿装置
并联补偿，不影响线路正常运行，补偿响应快
补偿效果受线路阻抗影响，增加线路输送的无功功率，受器件技术限制
利用可控串补
响应速度快，补偿精度高
受电力电子器件限制，难以用于高电压配电系统，且设备成本较高
晶闸管分级电压调节器
响应速度快，不受电力电子器件耐压限制，成本低，经济性好
分级补偿，补偿精度略差
晶闸管分级电压调节器通过多抽头的取能变压器将补偿装置的工作电压降至低压侧，通过晶闸管来控制取能变压器分接头的投切，在保证补偿精度的前提下实现了对负载电压的分级补偿，解决了电力电子器件耐受电压的限制问题，保证了装置的动态响应性能，降低了装置的制造成本。此外，装置通过串联变压器直接输出电压实现对负载电压的补偿，其补偿方式更为直接，效果也与并联无功补偿相比更加明显。上述优势使该设备与其它低电压治理方式相比，具有更加广阔的应用前景。
2
装置工作原理分析
1
2
2.1
基本原理
晶闸管分级电压调节器串联在系统供电线路和负荷之间，补偿配电网线路由于线路较长或分布式能源接入引起的电压降落，提高电力系统可靠性和负荷供电质量。晶闸管分级电压调节器主要由并联取能变压器T1、串联接入变压器T2、晶闸管阀SCR2、旁路开关QF和控制系统组成。
图1晶闸管分级电压调节器主电路示意图
当供电线路电压Usys发生电压降落时，并联取能变压器T1从电网取能，通过晶闸管控制变压器抽头输出同相的补偿电压Ucom，经过串联接入变压器T2叠加到欠压相上，使负荷侧电压Uload保持稳定，确保负荷安全运行。为简化分析，在下面的工作原理分析中做如下假设和简化：
1）并联取能变压器T1和串联变压器T2均为理想变压器，其不会在串联线路中产生电压降落，也不会在电压变换中产生功率损耗，即并联取能变压器原边从系统吸收的取能功率等于串联变压器通过线路向系统注入的补偿功率。
2）所补偿的负载为恒阻抗负载，即在整个分析过程中可将其简化为阻值恒定不变的阻抗元件。
此外，从图1的晶闸管分级电压调节器主电路可以看出，取能变压器原边的取能点可以在负载侧，也可以在电源侧，这也使整个装置的工作状态略有不同，现对这两种状态分别进行分析。
2.2
取能点在负载侧工作原理分析
当并联取能变压器原边的取能点在负载侧时，晶闸管分级电压调节器补偿时的工作简化电路如图2所示。
图2
晶闸管分级电压调节器工作原理简图（负载侧取能）
根据图2所示的电路图，可以得到系统电压Us、线路压降UL、晶闸管分级电压调节器补偿Ucom和负载电压Uload之间的关系为
（1）
设并联取能变压器和串联变压器的变比分别为k1和k2，则有
（2）
（3）
由式（2）和（3）可得
（4）
同理可得
（5）
根据系统电流Is、负载电流Iload以及并联取能变压器的输入电流Icom三者关系，可得
（6）
即
（7）
将式（7）代入式（1），可得
（8）
令，并将式（5）代入式（8），可得
（9）
从式（9）可以看出，当系统电压降低，电压幅值降低至系统额定电压Un的K（0≤K＜1）倍时，要保证负载电压Uload的幅值不变，晶闸管分级电压调节器通过控制晶闸管的投退来调节取能变压器副边抽头，即改变并联取能变压器的变比k1，从而通过串联变压器电压补偿，保证负载电压维持在系统额定电压Un附近。
2.3
取能点在电源侧工作原理分析
图3
晶闸管分级电压调节器工作原理简图（电源侧取能）
当变量取能变压器的取能点安装在电源侧时，其分析与在负载侧取能类似，根据图3的工作原理简图，可得
（10）
（11）
根据式（10）和（11），得
（12）
故有
（13）
同样可得
（14）
由于在图3的电路中，式（1）仍成立，将式（13）和式（14）代入，得
（15）
从式（15）可以看出，当系统电压降低，电压幅值降低至系统额定电压Un的K（0≤K＜1）倍时，和装置取能点在负载侧一样，也可以通过控制晶闸管来调节k1的取值，进而达到补偿负载电压保持在在系统额定电压Un附近。但是，式（15）和式（9）相比较，当取能点在电源侧时，取能变压器变比k1和系统电压Us之间为二次方关系，从而增加了补偿控制算法的难度。
2.4
小结
综合上述分析，将并联取能变压器的取能点设计在负载侧，虽然在同等运行情况下增加了串联变压器的容量，但由于其补偿算法更容易实现，且装置的运行也更加稳定。在无特殊设计要求的前提下，应优先采用取能点在负载侧的方案来开展设备主电路设计。
3
技术指标
晶闸管分级电压调节器的设计条件以及到达到的主要功能如表2所示。
表2
晶闸管分级电压调节器设计条件
补偿容量
94.5kVA（315kVA*0.3）
10kV
输入
额定输入电压
10kV
额定电压补偿范围
-60%～-90%Un
额定输入电流
6A
额定输入频率
50Hz±5Hz
输出
单相额定输出电压
0～30%Ui(三档调节)
输出频率
同系统频率
控制运行
过载能力
1.3倍过载电流长期，1.5倍过载电流10s，2In输出速断保护。
单相、三相对地电压跌落校正能力
0.3pu，长期
三相输入电压分级补偿范围
±0.1pu
诊断
开机自检，运行中实时检测诊断
保护功能
主要包括：输入侧和输出侧过/欠压，输入侧和输出侧过流、过载、短路，防雷、变压器超温保护、SCR
驱动保护、单元过温保护、通信故障等保护
效率
＞0.97
显示功能
触摸屏，液晶屏数字显示输入电压、电流、功率、功率因数，输出电压、电流、功率、功率因数、频率、故障信息等
通讯
RS485/工业以太网
使用条件
运行温度
-20℃～+50℃
海拔
0～1500米（超过1500米时需降容使用）
相对湿度
0-90%（非凝结状态，含凝露控制器）
抗震强度
8级
运行环境
无导电或可致爆炸的尘埃，无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸汽
冷却方式
强制风冷
噪音
＜85dB，1米处测试
防护等级
IP4X
安装方式
户内固定式
EMC
CISPR
11
A级
通过GB/T
17626.2－1998标准、静电放电抗干扰度3级试验
通过GB/T
17626.4-1998
标准、电快速瞬变脉冲群抗扰度3试验
通过GB/T
17626.5－1998标准、冲击（浪涌）抗扰度3级试验
晶闸管分级电压调节器要实现的主要功能描述如下：
1)
断路器、接触器等开关分合闸操作；
2)
系统电压跌落/升高监测，系统电压分级补偿，最高补偿±0.3pu（长期）；
3)
系统电压、负载电压、系统电流，装置取能电流监测显示；
4)
过压保护、过流保护、变压器过温保护、雷击浪涌保护、SCR模块故障保护；
5)
接触器、断路器、熔断器状态量监测和故障保护；
6)
装置或系统故障后，旁路运行；
4
方案设计
4.1
一次设计
4.1.1
一次原理图
17
图4
晶闸管分级电压调节器主回路接线示意图
2.1.3
参数设计
（1）取能变压器（T2）的设计
根据装置的工作条件，本装置针对10kV线路末端容量为315kVA台变所带负荷，可补偿额定电压30%之内的低电压问题，即需要装置向负荷提供94.5kVA的功率。因此，装置工作在最大补偿情况下，将负载电压补偿至额定值时，流经变压器原边绕组的电流IT2w1为
A
考虑装置需在1.3倍过载电流下长期工作，取能变压器原边绕组的额定电流应为8A，额定电压5774V。
考虑到晶闸管及低压侧开关耐压，串联隔离变压器副边设计电压为380V，并在副边绕组输出电压三分之一和三分之二处各引出一个抽头，即副边三个绕组的额定输出电压分别为380V、260V和130V。
取能变压器的额定功率ST1为
VA
（2）串联隔离变压器（T1）设计
根据装置的功能设定，装置应能补偿30%的系统额定电压，即串联变压器原边的单相输出电压至少为
V
由于本装置利用系统电压来补偿用户供电电压过低问题，若串联变压器按照额定电压变比来设计，当系统电压过低时，串联变压器原边输出的补偿电压将要低于设计的输出电压，进而导致无法将负载的供电电压补偿至正常范围之内。因此，需适当提高串联变压器原边的变比，使其在系统电压低于30%时，装置也能将用户的供电电压补偿至正常范围之呢。
经过计算，认为串联隔离变压器的变比设置为2000/380V较为合适。其在不同工况下的补偿效果如表3所示。
表3
晶闸管分级电压调节器不同电压下补偿效果计算结果统计表
电压降低幅度
系统相电压（V）
隔离变压器副边电压（V）
隔离变压器输出电压（V）
补偿后用户供电电压（V）
补偿后用户供电电压（p.u）
10%额定电压
5197
117
616
5813
1.00
20%额定电压
4620
208
1095
5715
0.99
30%额定电压
4042
266
1400
5442
0.94
由于负载电流需流过串联隔离变压器的原边，则流经串联隔离变压器原边的电流大小为
A
考虑装置1.3倍过流情况下需能长期工作，故原边负载设计电流取24A。
此外，由于在装置在进行补偿时，取能变压器支路的电流也将流经串联隔离变压器，故取能变压器的电流为负载电流与取能变压器支路电流之和。当系统电压降低至额定电压的70%以下，并通过补偿装置将负载电压补偿至额定电压时，流经串联隔离变压器的电流达到最大值。基于上述原因，装置串联隔离变压器的电流应为原边负载设计电流与取能变压器原边绕组的额定电流之和，即32A。
由此可以确定装置中3个单相隔离变压器的额定电压变比2000V/380V，额定容量为
VA
（3）晶闸管参数设计
由于串联隔离变压器的额定变比为2000V/380V，额定电流为32A，则晶闸管工作的峰值电流为
A
工作电压为
V
故考虑设计裕度，设计变压器抽头投切晶闸管（SCR2）的额定电流350A。
当负载电压在正常工作范围内时，装置应通过旁路开关在串联变压器副边将装置旁路出系统，此时流经旁路开关的电流与变压器抽头投切晶闸管（SCR2）相同。但是，由于旁路开关需在线路故障时，通过旁路串联变压器保护装置本体不受故障电流影响。通过对线路分析，认为在串联变压器出口处负载侧发生三相对地短路时，所产生的短路电流对装置冲击最大。若装置工作在补偿状态下时，发生三相对地短路，则变压器抽头投切晶闸管（SCR2）也应能具备与旁路开关相同的故障电流和电压承受能力。
按照目前负载条件下，10%线路压降的线路阻抗考虑，此时的短路电流大约为182A左右（5774V/31.7Ω），峰值电流大约258A，折到串联变压器副边电流为1356A。按其需要承受10ms短路电流考虑，其需要耐受的电流平方时间积为
kA2s
按照发生线路故障的极端情况，串联隔离变压器原边承受整个系统相电压考虑，此时旁路晶闸管（SCR1）所承受的故障电压为
V
考虑到晶闸管分级电压调节器主要用于补偿由于供电线路过长所引起的低电压问题，其安装位置系统电压大致有7%～10%的电压降落，假设串联变压器自身阻抗在线路产生1%～3%的电压降落，则当串联变压器负载侧出口发生三相对地短路时，串联变压器原边所承受的电压不到系统电压的二分之一，即小于780V。
综合考虑，设计变压器抽头投切晶闸管（SCR2）采用晶闸管的额定电压为1400V，额定电流350A，且均需要满足电流平方时间积大于18.4
kA2s的要求。
4.2
二次设计控制器户外使用（箱式变或柱上安装），防尘、防潮、高低温，控制器取能方式？
4.2.1
输入输出量统计
（1）
模拟量输入（6个）
信号名称
信号说明
备注
Usa
A相电网电压
PT1
10kV/100V需确认
Usb
B相电网电压
Usc
C相电网电压
isa
A串联变压器副变电流
CT1需后期确认
?A/5A
isb
B串联变压器副变电流
isc
C串联变压器副变电流
（2）
开关量输入信号
信号名称
信号说明
备注
启动/停止信号
接点的输入电压和电流输入电压及电流
串联变压器副边旁路开关位置信号
备用1
备用2
备用3
备用4
备用5
备用6
（3）
开关量输出信号
信号名称
信号说明
备注
故障灯
继电器的接点容量继电器的驱动电压，触点的容量，触点耐受电压和电流
运行灯
串联变压器副边旁路开关
备用1
备用2
备用3
备用4
备用5
备用6
（4）
晶闸管驱动信号（9个）功率模块的故障回报？？
信号名称
信号说明
备注
SCR_A1触发
驱动板的输入电压和电流
SCR_A2触发
SCR_A3触发
SCR_B1触发
SCR_B2触发
SCR_B3触发
SCR_C1触发
SCR_C2触发
SCR_C3触发
4.2.2
运行方式
（1）
启动
装置启动前，旁路开关QF处于闭合状态，取能变压器开关QT分闸。
装置启动，线路上电，控制系统正常工作，旁路开关QF闭合，所有晶闸管触发脉冲闭锁，装置进入热备用状态。
QF
SCR1
SCR2
合闸
闭锁
闭锁
（2）
补偿
装置已经入热备用状态，旁路断路器QF分闸，控制系统根据补偿算法，确定变压器抽头投切晶闸管（SCR2）的投入编号，在保持旁路晶闸管（SCR1）触发脉冲闭锁的同时，向相应的变压器抽头投切晶闸管发出触发脉冲，通过晶闸管组SCR2控制变压器抽头输出同相的补偿电压，对用户的供电电压进行补偿。
QF
SCR1
SCR2
分闸
闭锁
根据需要触发
（3）
旁路
装置工作在旁路状态，不再补偿系统电压。可能由于系统或装置故障，控制系统由补偿自行切换至该状态；或者人工切换至该状态。旁路过程如下：SCR2闭锁，SCR1触发，QF1合闸，QS1，QS2分闸，SCR1再闭锁。
QF
SCR1
SCR2
合闸
触发->闭锁
闭锁
（4）
停止
装置首次安装或装置检修（此状态下线路不带电）。
QF1
SCR1
SCR2
分闸
闭锁
闭锁
4.2.3
控制策略
（1）
补偿策略
根据图2.1主接线示意图所示，规定SCR2_1、SCR2_2、SCR2_3分别为控制取能变压器副变分接头输出230V、460V和690V的晶闸管。装置的控制系统通过对系统电压Usys的实时监测和计算，判断系统电压是否过低，需要利用装置进行补偿，并根据系统低电压的程度，向具体的投切晶闸管发出触发脉冲，输出对应的补偿电压，以保证用户的供电电压在正常范围内。
系统电压
SCR2_1
SCR2_2
SCR2_3
QF
1.0Un≤Usys
闭锁
闭锁
闭锁
闭合
0.9Un≤Usys<1.0Un
导通
闭锁
闭锁
断开
0.8Un≤Usys<0.9Un
闭锁
导通
闭锁
断开
0.7Un≤Usys<0.8Un
闭锁
闭锁
导通
断开
Usys<0.7Un
闭锁
闭锁
导通
断开
图5
低电压补偿电压仿真波形（15%补偿）
图6
低电压补偿电压仿真波形（25%补偿）
图7
低电压补偿电压仿真波形（35%补偿）
从仿真波形可以看出，根据当前的控制策略，装置能有效补偿系统供电电压过低对用户造成的影响。且在进行35%电压补偿时，隔离变压器原、副边电流均在装置一次设计所计算得到的电流运行范围之内。从仿真结果看，控制策略在采用恒功率和横阻抗负载时均能实现对系统供电电压过低电压问题的有效补偿。
图8
低电压补偿串联隔离变压器原副边电流仿真波形（35%补偿）
（2）
启动控制策略
装置启动前，旁路开关QF应处于闭合状态。当装置启动时，供电线路上电后使控制系统上电，待控制系统自检完毕后，开始正常工作。
（3）
补偿启动控制策略
当装置正常运行，没有故障发生的前提下，控制系统检测到系统过电压过低，须将控制装置输出补偿电压，则首先应相SCR1发出触发脉冲，断开旁路开关QF，待QF完全关断后，向相应的SCR2晶闸管发出触发脉冲，对SCR1的触发脉冲进行闭锁，使串联隔离变压器输出相应的补偿电压。
（4）
补偿退出控制策略
当系统电压在运行范围内，装置需要退出运行时，先向SCR1发出触发脉冲，并闭锁SCR2相应晶闸管的触发脉冲，待SCR1完全导通后，闭合旁路开关QF，待QF闭合后，闭锁SCR1的触发脉冲。