本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿方法及其装置。
背景技术：
当前电力系统受自然灾害等因素的影响，常常会发生不可预知的故障。同时大量非线性电力设备的使用给电网带来了巨大的谐波污染，进而进一步恶化电网电压质量，电网电压质量的下降会给很多电力用户带来巨大损失。
在现有技术中，动态电压补偿器可以有效保证负载的供电质量，因而受到了广泛的关注，发展十分迅猛。但是，现有的动态电压补偿器均需要逆变器产生补偿电压，由于逆变器开关频率较高，造成逆变器损耗较大且可靠性较低。
技术实现要素：
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿方法及其装置，通过将多抽头变压器的副边串联接入电源和负载之间，将多抽头变压器的原边并联在电源上，通过快速监测电源电压的变化，根据电源电压的跌落幅值快速选择变压器原边的分接头，并利用半导体功率器件快速接通所选择的分接头，从而使串联的变压器副边为负载提供一定幅值的电压，快速补偿电源电压的变化，实现当电网电压变小时，负载侧电压仍然能够保持在国家电压质量规定范围内的目的。
本发明提供了一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿方法，包括：
步骤s1：将多抽头变压器的副边串联接入电源和负载之间，将所述多抽头变压器的原边并联在电源上；
步骤s2：实时监测电源电压，并根据预设规则生成标准电压参考值；
步骤s3：实时计算实时电源电压与所述标准电压参考值的偏移幅度，并判断所述偏移幅度是否超出预设的规定范围；
步骤s4：当所述偏移幅度超出预设的规定范围时，根据负载所需电压与所述实时电源电压的差值选取对应的所述多抽头变压器的原边分接头，并利用半导体功率器件接通所选原边分接头，从而实现电压补偿。
本发明将多抽头变压器的副边串联到电源与负载之间，将多抽头变压器的原边并联到电源上，通过快速监测电源电压的变化，当实时电源电压与所述标准电压参考值的偏移幅度没有超出预设的规定范围时，不进行补偿操作；当实时电源电压与所述标准电压参考值的偏移幅度超出预设的规定范围时，根据电源电压的跌落幅值快速选择多抽头变压器的原边分接头，并利用半导体功率器件快速接通所选择的分接头，从而使串联在电路中的多抽头变压器副边能够为负载提供一定幅值的电压，快速补偿电源电压的变化，进而实现在电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内的目的。现有的动态电压补偿器在补偿期间igbt开关开断频率非常高，而本发明通过选择不同原边分接头的方法来替代igbt开关的频繁开断，大大降低了开关损耗。同时，相对于现有的动态电压补偿器，由于本发明在补偿期间开关次数少，因而设备的使用寿命更长和可靠性更高。本方案采用半导体功率器件连接分接头，是因为半导体器件比有触点开关的开断速度快很多，可以实现本方案的快速反应。在本发明方案中，该预设的规定范围可以根据实际情况灵活调整，优选的范围是所述额定电压对应的电压偏移幅度国家标准值的±5％以内。
进一步的，所述标准电压参考值为参考正弦信号；
所述参考正弦信号通过如下步骤获取：
步骤s201：根据预设的继电器函数产生矩形波；
步骤s202：将所述矩形波取反后再通过四阶巴特沃斯滤波器进行滤波，最后获得参考正弦信号；
其中，所述预设的继电器函数为：
u(t)为继电器函数得到的矩形波，a为电源额定电压对应的输出幅值，vs(t)为实时电源电压；
所述四阶巴特沃斯滤波器的截止频率为电源频率。
在本发明方案中，采用参考正弦信号作为标准电压参考值，该参考正弦信号通过预设的继电器函数和四阶巴特沃斯滤波器得到。采用该方法得到的参考正弦信号与电源电压同频同相而幅值不受电源电压幅值影响，其谐波含量小且容易用模拟电路实现。
进一步的，在步骤s4中所述根据所述实时电源电压选取对应的所述多抽头变压器的原边分接头的步骤具体为：
步骤s401：通过公式
步骤s402：根据计算得到的多抽头变压器的线圈匝数比选取对应的原边分接头；
其中，vs(t)为所述实时电源电压，vl(t)为负载所需电压，
在本发明方案中，通过选择连接多抽头变压器的不同分接头，可以使多抽头变压器的副边为负载提供不同幅值的电压，从而使电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内。而通过连接不同的分接头，实质上调节的就是多抽头变压器的匝数比，因此，通过上述公式计算出合适的匝数比，然后选择与匝数比对应的分接头，即可实现本发明的调节功能。
本发明还提供了一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿装置，包括：多抽头变压器、电压幅值监测单元和分接头连接单元；
所述多抽头变压器的副边串联接入电源和负载之间，所述多抽头变压器的原边并联在电源上；
所述电压幅值监测单元与所述分接头连接单元相连接；
所述分接头连接单与所述多抽头变压器的原边分接头相连接。
本发明方案提供了一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿装置，通过电压幅值监测单元实时监测电源电压的变化，当电源电压变化超出预设幅值时，通过分接头连接单元选择对应正确的多抽头变压器的分接头，并利用半导体功率器件接通对应的分接头，从而使串联在电路中的多抽头变压器副边能够为负载提供一定幅值的电压，快速补偿电源电压的变化，进而实现在电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内的目的。
进一步的，所述电压幅值监测单元包括实时电压监测模块、标准电压生成模块和比较模块；
所述实时电压监测模块用于监测实时电源电压；
所述标准电压生成模块用于根据预设规则生成标准电压参考值；
所述比较模块用于计算实时电源电压与所述标准电压参考值的偏移幅度，并判断所述偏移幅度是否超出预设的规定范围；
所述实时电压监测模块和标准电压生成模块均与比较模块相连接；
其中，所述预设规则为：根据预设的继电器函数产生矩形波，将所述矩形波取反后再通过四阶巴特沃斯滤波器进行滤波，最后获得参考正弦信号；
所述预设的继电器函数为：
u(t)为继电器函数得到的矩形波，a为电源额定电压对应的输出幅值，vs(t)为实时电源电压；
所述四阶巴特沃斯滤波器的截止频率为电源频率。
在本发明方案中，采用参考正弦信号作为标准电压参考值，该参考正弦信号通过预设的继电器函数和四阶巴特沃斯滤波器得到。采用该方法得到的参考正弦信号与电源电压同频同相而幅值不受电源电压幅值影响，其谐波含量小且容易用模拟电路实现。
进一步的，所述分接头连接单元包括分接头选择模块和半导体功率器件；
所述分接头选择模块用于当所述偏移幅度超出预设的规定范围时，根据负载所需电压与所述实时电源电压的差值选取对应的所述多抽头变压器的原边分接头；
所述半导体功率器件用于接通所选原边分接头，从而实现电压补偿；
其中，所述根据负载所需电压与所述实时电源电压的差值选取对应的所述多抽头变压器的原边分接头的规则为：
通过公式
vs(t)为所述实时电源电压，vl(t)为负载所需电压，
在本发明方案中，通过选择连接多抽头变压器的不同分接头，可以使多抽头变压器的副边为负载提供不同幅值的电压，从而使电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内。而通过连接不同的分接头，实质上调节的就是多抽头变压器的匝数比，因此，通过上述公式计算出合适的匝数比，然后选择与匝数比对应的分接头，即可实现本发明的调节功能。在本发明方案中，该预设的规定范围可以根据实际情况灵活调整，优选的范围是所述额定电压对应的电压偏移幅度国家标准值的±5％以内。
有益效果
本发明提供了一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿方法及其装置，通过将多抽头变压器的副边串联到电源与负载之间，将多抽头变压器的原边并联到电源上，通过快速监测电源电压的变化，根据电源电压的跌落幅值快速选择多抽头变压器的原边分接头，并利用半导体功率器件快速接通所选择的分接头，从而使串联在电路中的多抽头变压器副边能够为负载提供一定幅值的电压，快速补偿电源电压的变化，进而实现在电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内的目的。现有的动态电压补偿器在补偿期间igbt开关开断频率非常高，而本发明通过选择不同原边分接头的方法来替代igbt开关的频繁开断，大大降低了开关损耗。同时，相对于现有的动态电压补偿器，由于本发明在补偿期间开关次数少，因而设备的使用寿命更长和可靠性更高。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿方法的步骤示意图；
图2是本发明实施例中基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿方法的工作流程图；
图3是本发明实施例中标准电压参考值获取的原理框图；
图4是本发明方案的原理示意图；
图5是本发明实施例中电压跌落幅度为22％时本发明方案的性能示意图；
图6是本发明实施例中电压跌落幅度从22％恢复到正常时本发明方案的性能示意图；
图7是本发明实施例提供的一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿装置的结构示意图。
具体实施方式
为了方便更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施例进行进一步阐述。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿方法，包括：步骤s1：将多抽头变压器的副边串联接入电源和负载之间，将所述多抽头变压器的原边并联在电源上；
步骤s2：实时监测电源电压，并根据预设规则生成标准电压参考值；
步骤s3：计算实时电源电压与所述标准电压参考值的偏移幅度，并判断所述偏移幅度是否超出预设的规定范围；
步骤s4：当所述偏移幅度超出预设的规定范围时，根据负载所需电压与所述实时电源电压的差值选取对应的所述多抽头变压器的原边分接头，并利用半导体功率器件接通所选原边分接头，从而实现电压补偿。
如图2所示，本发明实施例将多抽头变压器的副边串联到电源与负载之间，将多抽头变压器的原边并联到电源上，通过快速监测电源电压的变化，根据电源电压的跌落幅值快速选择多抽头变压器的原边分接头，并利用半导体功率器件快速接通所选择的分接头，从而使串联在电路中的多抽头变压器副边能够为负载提供一定幅值的电压，快速补偿电源电压的变化，进而实现在电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内的目的。现有的动态电压补偿器在补偿期间igbt开关开断频率非常高，而本发明通过选择不同原边分接头的方法来替代igbt开关的频繁开断，大大降低了开关损耗。同时，相对于现有的动态电压补偿器，由于本发明在补偿期间开关次数少，因而设备的使用寿命更长和可靠性更高。本方案采用半导体功率器件连接分接头，是因为半导体器件比有触点开关的开断速度快很多，可以实现本方案的快速反应。在本发明方案中，该预设的规定范围可以根据实际情况灵活调整，在本实施例中，优选的范围是所述额定电压对应的电压偏移幅度国家标准值的±5％以内。
如图3所示，所述标准电压参考值为参考正弦信号；
所述参考正弦信号通过如下步骤获取：
步骤s201：根据预设的继电器函数产生矩形波；
步骤s202：将所述矩形波取反后再通过四阶巴特沃斯滤波器进行滤波，最后获得参考正弦信号；
其中，所述预设的继电器函数为：
u(t)为继电器函数得到的矩形波，a为电源额定电压对应的输出幅值，vs(t)为实时电源电压；
所述四阶巴特沃斯滤波器的截止频率为电源频率。
在本发明实施例中，采用参考正弦信号作为标准电压参考值，该参考正弦信号通过预设的继电器函数和四阶巴特沃斯滤波器得到。采用该方法得到的参考正弦信号与电源电压同频同相而幅值不受电源电压幅值影响，其谐波含量小且容易用模拟电路实现。
在步骤s4中所述根据所述实时电源电压选取对应的所述多抽头变压器的原边分接头的步骤具体为：
步骤s401：通过公式
步骤s402：根据计算得到的多抽头变压器的线圈匝数比选取对应的原边分接头；
其中，vs(t)为所述实时电源电压，vl(t)为负载所需电压，
在本发明实施例中，通过选择连接多抽头变压器的不同分接头，可以使多抽头变压器的副边为负载提供不同幅值的电压，从而使电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内。而通过连接不同的分接头，实质上调节的就是多抽头变压器的匝数比，因此，通过上述公式计算出合适的匝数比，然后选择与匝数比对应的分接头，即可实现本发明的调节功能，其原理如图4所示。
具体而言，在标称电源电压为100vrms，电源频率为50hz的条件下，建立一个实验模型。图5给出了当电源电压下降22％时，本发明方案的性能状况，通道1为输出负载电压，通道2为电源电压。由图5可以看出，在二分之一个周期的振荡周期内，本发明能快速补偿电源电压的跌落，负载电压偏移保持在国家标准允许的5％范围内。图6给出了电源电压从跌落22％恢复到正常时本发明方案的性能状况，通道1为输出负载电压，通道2为电源电压。由图6可以看出，在二分之一个周期的振荡周期内，本发明能快速减小补偿电压的幅值，负载电压偏移保持在国家标准允许的5％范围内。
综上所述，本发明提供的一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿方法，通过将多抽头变压器的副边串联到电源与负载之间，将多抽头变压器的原边并联到电源上，通过快速监测电源电压的变化，根据电源电压的跌落幅值快速选择多抽头变压器的原边分接头，并利用半导体功率器件快速接通所选择的分接头，从而使串联在电路中的多抽头变压器副边能够为负载提供一定幅值的电压，快速补偿电源电压的变化，进而实现在电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内的目的。现有的动态电压补偿器在补偿期间igbt开关开断频率非常高，而本发明通过选择不同原边分接头的方法来替代igbt开关的频繁开断，大大降低了开关损耗。同时，相对于现有的动态电压补偿器，由于本发明在补偿期间开关次数少，因而设备的使用寿命更长和可靠性更高。
实施例二
如图7所示，本发明实施例二提供了一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿装置，包括：多抽头变压器100、电压幅值监测单元200和分接头连接单元300；
所述多抽头变压器的副边102串联接入电源001和负载002之间，所述多抽头变压器的原边101并联在电源上；
所述电压幅值监测单元200与所述分接头连接单元300相连接；
所述分接头连接单元300与所述多抽头变压器的原边分接头1011相连接。
本发明实施例提供了一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿装置，通过电压幅值监测单元实时监测电源电压的变化，当电源电压变化超出预设幅值时，通过分接头连接单元选择对应正确的多抽头变压器的分接头，并利用半导体功率器件接通对应的分接头，从而使串联在电路中的多抽头变压器副边能够为负载提供一定幅值的电压，快速补偿电源电压的变化，进而实现在电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内的目的。
所述电压幅值监测单元包括实时电压监测模块、标准电压生成模块和比较模块；
所述实时电压监测模块用于监测实时电源电压；
所述标准电压生成模块用于根据预设规则生成标准电压参考值；
所述比较模块用于计算实时电源电压与所述标准电压参考值的偏移幅度，并判断所述偏移幅度是否超出预设的规定范围；
所述实时电压监测模块和标准电压生成模块均与比较模块相连接；
其中，所述预设规则为：根据预设的继电器函数产生矩形波，将所述矩形波取反后再通过四阶巴特沃斯滤波器进行滤波，最后获得参考正弦信号；
所述预设的继电器函数为：
u(t)为继电器函数得到的矩形波，a为电源额定电压对应的输出幅值，vs(t)为实时电源电压；
所述四阶巴特沃斯滤波器的截止频率为电源频率。
在本发明方案中，采用参考正弦信号作为标准电压参考值，该参考正弦信号通过预设的继电器函数和四阶巴特沃斯滤波器得到。采用该方法得到的参考正弦信号与电源电压同频同相而幅值不受电源电压幅值影响，其谐波含量小且容易用模拟电路实现。
所述分接头连接单元300包括分接头选择模块301和半导体功率器件302；
所述分接头选择模块用于当所述偏移幅度超出预设的规定范围时，根据负载所需电压与所述实时电源电压的差值选取对应的所述多抽头变压器的原边分接头；
所述半导体功率器件302用于接通所选原边分接头，从而实现电压补偿；
其中，所述根据负载所需电压与所述实时电源电压的差值选取对应的所述多抽头变压器的原边分接头的规则为：
通过公式
vs(t)为所述实时电源电压，vl(t)为负载所需电压，
在本发明实施例中，通过选择连接多抽头变压器的不同分接头，可以使多抽头变压器的副边为负载提供不同幅值的电压，从而使电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内。而通过连接不同的分接头，实质上调节的就是多抽头变压器的匝数比，因此，通过上述公式计算出合适的匝数比，然后选择与匝数比对应的分接头，即可实现本发明的调节功能。在本发明方案中，该预设的规定范围可以根据实际情况灵活调整，在本实施例中，优选的范围是所述额定电压对应的电压偏移幅度国家标准值的±5％以内。
综上所述，本发明提供了一种基于多抽头变压器的电压跌落和欠压补偿装置，通过将多抽头变压器的副边串联到电源与负载之间，将多抽头变压器的原边并联到电源上，通过快速监测电源电压的变化，根据电源电压的跌落幅值快速选择多抽头变压器的原边分接头，并利用半导体功率器件快速接通所选择的分接头，从而使串联在电路中的多抽头变压器副边能够为负载提供一定幅值的电压，快速补偿电源电压的变化，进而实现在电网电压变小时能够保障负载侧电压保持在国家电压质量规定范围内的目的。现有的动态电压补偿器在补偿期间igbt开关开断频率非常高，而本发明通过选择不同原边分接头的方法来替代igbt开关的频繁开断，大大降低了开关损耗。同时，相对于现有的动态电压补偿器，由于本发明在补偿期间开关次数少，因而设备的使用寿命更长和可靠性更高。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。