动态电压双向无极调节变压器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种动态电压双向无极调节变压器，包括微控制器、动态电压双向调节器DV、主变压器T1、串联补偿变压器T2，电网输入电压和主变压器T1初级电压信号转换后输入到微控制器，微控制器输出控制信号到动态电压双向调节器DV，动态电压双向调节器DV输出接串联补偿变压器T2初级，串联补偿变压器T2次级与电网电压相串联接主变压器T1初级。只对主变压器输入电压的跌落值进行调整和补偿，而无需承担其全部电压，致使其性价比高；通过串联补偿变压器与主变压器相连，而不是直接串在主变压器供电系统主回路中，可选用耐压值比较低的IGBT功率器件；动态电压双向调压器的逆变电压可以产生幅值连续可调的电压，可以实现无级电压调节。
【专利说明】动态电压双向无极调节变压器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种配电变压器，特别涉及一种动态电压双向无极调节变压器。
【背景技术】
[0002] 由于电网电压用电容量随时变化，其配电变压器的一次侧电压波动很大，导致配 电变压器二次侧电压不稳定，从而影响用户的用电质量。研究表明，电压跌落问题已成为影 响许多用电设备正常、安全运行的电能质量问题之一。在现代工业生产中，电压跌落将引起 厂家的产品质量下降，甚至导致全厂生产过程中断，从而造成巨大的经济损失。因此，如何 抑制电压跌落对电力用户的干扰、提高配电系统的动态电能质量，已成为摆在电力研究人 员面前十分迫切的问题。
[0003] 传统的有载调压方法是采用机械式有载分接开关调压来实现电网电压的稳定。随 着社会的发展和用电量的迅速增长，电网规模不断扩大、网络结构越来越复杂，这种机械分 接开关有载调压方法己经不能完全满足现代电网的安全和经济运行的要求，而且暴露出明 显的弊端，其中，有三个固有的缺陷难以消除：①在分接头切换过程中产生电弧，导致机械 触头烧损和变压器绝缘油介质极化；②分接开关的动作速度慢，调压响应时间长，容易错 档、错位，不能进行动态调压，而且故障率高，维护量大；③机械开关动作时间具有分散性， 使调压时刻无法准确控制，而且在调压过程中可能出现过渡过程，甚至出现错档、错位现 象，对电网的安全运行带来不利的影响。
[0004] 随着电力电子技术的飞速发展，基于高压大功率开关器件的动态电能质量调节技 术的出现为解决电压跌落问题提供了新的手段。目前研究的比较多的是无触点晶闸管有载 调压装置，这种装置相对于传统的机械式有载调压装置，性能有所提高，但还有以下不足： a. 在不同触点之间进行切换时，由于晶闸管不是立即关断，所以触点之间存在环流，控 制不当，很容易烧毁装置； b. 由于晶闸管是半控器件，响应速度受到限制，想再次提高比较困难，通常在10毫秒 以上； c. 由于晶闸管是直接串在主电路中，承受的电压值比较高，器件容量比较大，致使成本 增加； d. 这种装置实现的是有级调压，调压精度受到限制。
【发明内容】
[0005] 本发明是针对传统的有载调压方法和无触点晶闸管有载调压不足问题，提出了一 种动态电压双向无极调节变压器，将动态电压调节器（DVR)引入其中，通过串接于线路的补 偿变压器向系统注入幅值连续可调的电压，自动保持负载电压稳定，实现变压器的有载调 压。本发明不仅具有传统机械式有载调压变压器、无触点晶闸管有载调压装置的优点，还可 以克服其固有的缺点，从而使之性能得到大大的提高。
[0006] 本发明的技术方案为：一种动态电压双向无极调节变压器，包括微控制器、动态电 压双向调节器DV、主变压器T1、串联补偿变压器T2,电网输入电压和主变压器Tl初级电压 信号转换后输入到微控制器，微控制器输出控制信号到动态电压双向调节器DV，动态电压 双向调节器DV输出接串联补偿变压器T2初级，串联补偿变压器T2次级与电网电压相串联 接主变压器Tl初级。
[0007]所述串联补偿变压器T2次级并联旁路开关。
[0008]所述动态电压双向调节器DV依次包括三相PWM整流器、储能电容、单相PWM逆变 器、正弦波滤波器，三相PWM整流器将交流电变成直流电，再经过并联的储能电容储能和平 波后输出到单相PWM逆变器，单相PWM逆变器将直流电转换成幅值大小可连续调节、频率为 工频周期的交流电输出，再经过正弦波滤波器滤波，最后通过串联补偿变压器耦合到供电 电网，微控制器输出控制信号到三相PWM整流器和单相PWM逆变器。
[0009]所述微控制器包括DSP控制板、PWM驱动电路、检测电路、保护电路，检测电路包 括电网电压瞬时值检测和电网电压相位检测，检测电路输出到DSP控制板进行控制补偿计 算，得到相应的PWM驱动脉冲，通过PWM驱动电路对PWM脉冲进行放大，输出控制三相PWM 整流器和单相PWM逆变器中功率器件IGBT开通和关断；保护电路检测动态电压双向调节器 DV直流母线电流和电压，用于保护动态电压调节器的功率器件。所述电网电压瞬时值检测 将电网输入电压相电压经过两个串联的反相比例电路，再经过直流偏置电路后，经过二极 管限压保护后输出到DSP控制板AD采集口。所述电网电压相位检测将电网输入电压相电 压经过二极管限幅削波，再经过比较器输出工频周期方波，方波经过光耦隔离，再经过整形 反相输出到DSP控制板。
[0010] 本发明的有益效果在于：本发明动态电压双向无极调节变压器，只对主变压器输 入电压的跌落值进行调整和补偿，而无需承担其全部电压，因此动态电压双向调压器承担 的容量仅为系统功率的20%左右，致使其性价比高；通过串联补偿变压器与主变压器相连， 而不是直接串在主变压器供电系统主回路中，因此器件可以选用耐压值比较低的IGBT功 率器件，所以器件选型容易，性价比高；动态电压双向调压器的逆变电压可以产生幅值连续 可调的电压，因此可以实现无级电压调节；动态电压双向调压器由全控器件IGBT构成，动 态响应快，可以在毫秒级内使电压得到恢复。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为本发明动态电压双向无极调节变压器主电路示意图； 图2为本发明动态电压双向无级调节变压器同相补偿曲线图； 图3为本发明动态电压双向无级调节变压器反相补偿曲线图； 图4为本发明动态电压双向无级调节变压器中电网电压瞬时值检测电路图； 图5为本发明动态电压双向无级调节变压器中相位检测电路图； 图6为本发明动态电压双向无级调节变压器结构示意图。
【具体实施方式】
[0012] 动态电压双向无级调节变压器主要以补偿电压跌落、上升为目的，它通过向主变 压器注入一个电压跌落的缺额部分来稳定负载电压，以抑制主变压器的电压变化对负荷的 影响；在供电电压发生变化时，动态电压双向无级调节变压器将迅速做出响应，可在毫秒级 内产生一个与电网同步的交流电压，该电压通过串联补偿变压器与电网电压相串联，来补 偿跌落电压与正常电压之差，从而把负载电压恢复到正常值。由于该装置只需补偿系统电 压跌落的缺额部分，所以其容量只需系统容量的1/5-1/3,因此其良好的动态性能和成本上 的相对优势将成为目前治理供电电压跌落的有效手段。
[0013] 如图1所示动态电压双向无级调节变压器主电路示意图，主要由动态电压双向调 节器DV、串联补偿变压器T2(内部包含旁路开关K，旁路开关K并联在串联补偿变压器T2次 级两端)、主变压器T1构成，其主电路结构如图1所示(单相)。
[0014] 其电压补偿原理由图1可得： XJr^ = C/| +IsJU (1) 由式（1)可知，当电网输入电压G降落ΛU时，动态电压双向调节器DV通过串联补偿 变压器T2补偿ΛU，从而维持主变压器T1初级电压％不变，进而维持％不变，如图2所示 同相补偿曲线图；而当输入电压G升高ΛU时，通过串联补偿变压器T2反相补偿电压ΛU， 依然维持主变压器T1初级电压％不变，如图3所示反相补偿曲线图。
[0015] 由图2、3可以看出，动态电压双向调节器DV只补偿输入电压U1升高或跌落部 分，而不是全部输入电压，也就是说只对电网输入电压G与主变压器T1初级电压％的差值 进行调整和补偿，而无需承担负荷所需的全部电压，因此动态电压双向调节器DV承担的最 大功率仅为负载功率的20%左右。 动态电压双向调节器DV:其作用是当主变压器输入电压偏低时，动态电压双向调节器DV从输入端的PWM整流器输入功率，并经PWM逆变器逆变出幅值可以连续调节的交流电，此 时，能量是从动态电压双向调节器DV进入主变压器Τ1。当主变压器输入电压偏高时，能量 是主变压器Tl进入动态电压双向调节器DV，并经过智能处理器形成反向幅值可以连续调 节的交流电，从输入端的PWM整流器输出功率到电网。
[0016] 串联补偿变压器T2 :串联补偿变压器的初级同动态电压双向调节器DV，副边直接 串联在主回路中，起升压和隔离作用。这样，动态电压双向调节器DV逆变出来的线电压通 常为380伏，而补偿电压常常达到1000多伏（以输入电压U1=IOKV,补偿范围为±10°/叫，则 ΛU=IOOO伏)，所以串联补偿变压器具有升压功能，同时串联变压器还把电网电压IOKV同 低压部分隔离开来。
[0017] 旁路开关K:当动态电压双向调节器DV出现故障时，可以接通旁路开关Κ，使之与 电网脱离，进行维修，而不影响主变压器Tl工作。
[0018] 主变压器T1 :其功能是进行能量的传递，原边接高压侧，通常为10KV，35KV，副边接 负载，通常为400伏。
[0019] 检测回路主要有二次侧电网瞬时值检测和电网相位检测，其中二次侧电网检测的 瞬时值作为动态电压双向调节器DV电压补偿的参考，动态电压双向调节器DV的控制策略 按照四象限PWM整流器进行；相位检测电路主要是锁定电网电压的相位，用于动态电压双 向调节器DV逆变电压与主变压器Tl电压相位同步。
[0020]图4为电网电压瞬时值检测电路，UOl(指主变压器Tl的输入端电压经过电压传 感器转换后的信号检测电压)为U相检测电压，R34、R36、U25B构成一个反相比例电路，由于 R34是R36的三倍，因此U02为Ul的三分之一，R38、R39、U25C依然构成一个反相比例电路， 因此U3和Ul同相位。由于U03是有正也有负的正弦波，而数字信号处理器DSP的AD采样 口只接收0-3. 3伏的电压信号，所以R40和R41构成直流偏置电路，使进入DSP的AD采样 信号只有正信号。为了防止干扰脉冲损坏AD采样口，线路中加了一个D3/D4的保护电路， 使进入到AD采样口信号电平被限制在0-3. 3伏。U04为最终送往AD采样口的电压检测信 号，作为DSP内部电压PI运算的电压反馈值。图4中电容C63、C65、C66为滤波电容，用于 滤除尖脉冲。
[0021] 动态电压双向调节器DV的串联电压补偿技术是面向负荷的一种补偿方式，其核 心是指在供电电压跌落期间，迅速向系统注入幅值连续可调，相位同电网电压相位一致的 可控的三相电压，与供电电压相串联，来抵消供电电压的跌落成分，因此获得电网侧电压相 位是首要任务。图5为相位检测电路，它是采用过零比较法来实现的。
[0022] 图5中UlO为电网输入电压的U相电压检测信号，经过二极管BD25/26的限幅削 波，原先正弦波形状呈现梯形波，送入比较器LM393A (BU14B)的端，其" + "端接GNDl， 这样经过比较器LM393A后，得到方波信号U11，经过上拉电阻BR84和限位二极管BD12,得 到U12,其形状也是方波，周期为工频周期，高电平幅值为15伏，低电平幅值为0伏。当U12 为高电平时，光耦PC3不导通，U13为高电平+5伏，经过U21C整形反相后，U14为低电平，当 U12为低电平0伏时，光耦PC3导通，U13为低电平0伏，经过U21C整形反相后，U14为高电 平。U14直接送往数字信号处理器DSP的捕捉口，下降沿有效，每次下降沿到来时，角度开始 计算，这样数字信号处理器检测到的角度就和电网角度一致，逆变时再按照这个角度逆变 出相应的电压进行串联补偿，保证两者之间相同相位叠加或相减。
[0023] 图6为动态电压双向无级调节变压器结构示意图，它由三大部分构成：智能微控 制器DSP、动态电压双向调节器DV、主变压器T1、串联补偿变压器T2 (包含旁路开关K)。智 能微控制器DSP主要完成信号检测、控制算法、显示及保护等功能；动态电压双向调节器DV 是根据智能微控制器DSP的算法产生相应的补偿电压；串联补偿变压器T2(包含旁路开关 Κ)起到升压隔离作用，还用于故障维修，主变压器Tl主要完成能量的传送，提供负载能量。
[0024] 智能微控制器DSP:主要由DSP控制板、PWM驱动电路、检测电路、保护电路、显示、 键盘等电路构成。DSP主要完成四象限PWM整流器控制算法，得到相应的PWM驱动脉冲，控 制整流PWM整流器、PWM逆变器的开通与关断，PWM驱动电路是对PWM脉冲进行放大，使之更 加可靠、有效的开通和关断功率器件IGBT;检测电路主要有电压瞬时值检测和电网电压相 位检测，用于确定动态电压双向调节器DV产生相应的补偿电压，以及柔性并网，从而稳定 负载电压；保护电路主要是动态电压调节器直流母线电流和电压的检测，用于保护动态电 压调节器的功率器件；显示及键盘为外围电路，用于显示和参数设定。
[0025] 动态电压调节器：它主要由三相PWM整流器、储能电容、单相PWM逆变器、正弦波滤 波器等构成。三相PWM整流器把交流电变成直流电，它由IGBT7-IGBT12构成；并联的储 能电容起储能和平波作用；单相PWM逆变器将直流电转换成幅值大小可连续调节，频率为 工频周期的交流电装置，得到的输出电压为PWM脉冲波形，它由IGBTl-IGBT4构成，经过正 弦波滤波环节电感Lf、电容Cf，变成比较光滑的正弦波，通过串联补偿变压器耦合到供电电 网，从而稳定二次侧电网电压。
[0026] 串联补偿变压器T2:串联补偿变压器的初级(原边）接动态电压双向调节器DV输 出，次级(副边)直接串联在主回路(主变压器T1原边)中，起升压和隔离作用。这样，动态电 压双向调节器DV逆变出来的线电压通常为380伏，而补偿电压常常达到1000多伏（以输入 电压U1=IOKV,补偿范围为±KFoU1，则ΛU=IOOO伏)，所以串联补偿变压器具有升压功能，同 时串联变压器还把电网电压IOKV同低压部分隔离开来。
[0027] 旁路开关K:当动态电压双向调节器DV出现故障时，可以接通旁路开关Κ，使串联 补偿变压器T2与电网脱离，便于动态电压双向调节器DV进行维修，而不影响主变压器Tl工 作。
[0028] 主变压器T1 :其功能是进行能量的传递，原边接高压侧，通常为10KV，35KV，副边接 负载，通常为400伏。
【权利要求】
1. 一种动态电压双向无极调节变压器，其特征在于，包括微控制器、动态电压双向调节 器DV、主变压器T1、串联补偿变压器T2，电网输入电压和主变压器T1初级电压信号转换后 输入到微控制器，微控制器输出控制信号到动态电压双向调节器DV，动态电压双向调节器 DV输出接串联补偿变压器T2初级，串联补偿变压器T2次级与电网电压相串联接主变压器 T1初级。
2. 根据权利要求1所述动态电压双向无极调节变压器，其特征在于，所述串联补偿变 压器T2次级并联旁路开关。
3. 根据权利要求1或2所述动态电压双向无极调节变压器，其特征在于，所述动态电压 双向调节器DV依次包括三相PWM整流器、储能电容、单相PWM逆变器、正弦波滤波器，三相 PWM整流器将交流电变成直流电，再经过并联的储能电容储能和平波后输出到单相PWM逆 变器，单相PWM逆变器将直流电转换成幅值大小可连续调节、频率为工频周期的交流电输 出，再经过正弦波滤波器滤波，最后通过串联补偿变压器耦合到供电电网，微控制器输出控 制信号到三相PWM整流器和单相PWM逆变器。
4. 根据权利要求3所述动态电压双向无极调节变压器，其特征在于，所述微控制器包 括DSP控制板、PWM驱动电路、检测电路、保护电路，检测电路包括电网电压瞬时值检测和电 网电压相位检测，检测电路输出到DSP控制板进行控制补偿计算，得到相应的PWM驱动脉 冲，通过PWM驱动电路对PWM脉冲进行放大，输出控制三相PWM整流器和单相PWM逆变器中 功率器件IGBT开通和关断；保护电路检测动态电压双向调节器DV直流母线电流和电压，用 于保护动态电压调节器的功率器件。
5. 根据权利要求4所述动态电压双向无极调节变压器，其特征在于，所述电网电压瞬 时值检测将电网输入电压相电压经过两个串联的反相比例电路，再经过直流偏置电路后， 经过二极管限压保护后输出到DSP控制板AD采集口。
6. 根据权利要求4所述动态电压双向无极调节变压器，其特征在于，所述电网电压相 位检测将电网输入电压相电压经过二极管限幅削波，再经过比较器输出工频周期方波，方 波经过光耦隔离，再经过整形反相输出到DSP控制板。
【文档编号】H02J3/12GK104333006SQ201410620023
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】江友华, 王林, 陈江伟, 王润超, 田书锦 申请人:上海电力学院