（电气工程专业论文）晶闸管分级电压调节装置的原理研究.pdf

摘要 摘要 电能质量包括电压质量、频率质量和供电可靠性三个方面，其中电压质量是最基本 的电能质量指标。1 0 k v 配电网是为用户供电的主要电网，目前仅仅依靠控制无功和调 节变压器分接头调压，难以满足长线路末端用户对电压质量的要求，而且普通变压器的 机械式分接头在运行中不宜进行频繁调节。 为满足用户对电压质量的要求，保证电网电压合格率在允许范围内，并提高配电网 的自动化运行水平，国外已经研制成功了用于配电网的晶闸管分级电压调节装置 ( t h y r i s t o r g r a d e d v o l t a g e r e g u l a t o r ，简称t g v r ) ，目前国内类似产品的研究工作刚 刚开始。 本文借鉴国外经验，结合电力公司实际，研究了可用于1 0 k v 配电网的晶闸管分级 电压调节装置的工作原理，并进行了装置的总体设计和方案选择、控制电路的设计、装 置的仿真研究等工作。 在装置的总体设计和方案选择阶段，研究了装置通过串联变压器调节电压的原理， 提出装置的主电路的几个方案，比较并选择了一个最佳方案。 在装置的控制电路的设计阶段，进行了晶闸管分级电压调节装置的控制电路的初步 设计，包括控制电路的功能框架设计、总体设计思想、硬件设计方案、软件设计方案等。 控制电路方案是基于单片机的，该电路通过不断对反馈电压的分析和处理，连续产生触 发角满足要求的脉冲系列来触发相应的晶闸管开关。 在装置的仿真研究阶段，首先分别建模和仿真装置的各部分：晶闸管、晶闸管开关、 串联变压器、控制器( 控制电路) 等，然后为整个装置建模和仿真。仿真工具是m a t l a b ， 主要是m a t l a b 中的s i m u l i n k 和s i m p o w e r s y s t e m s 模块集。仿真证明了该装置具有 良好的调压效果。 本文的研究，从理论上和仿真上为晶闸管分级电压调节装置的可行性提供了有力的 支持，为该装置的实际开发做好了理论准备和技术准备。 关键词配电网：晶闸管；电压调节；电能质量 华南理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e r q u a l i t yi n c l u d e st h r e ea s p e c t s ：v o l t a g eq u a l i t y ，f r e q u e n c yq u a l i t ya n d p o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y ，a m o n gw h i c hv o l t a g eq u a l i t yi st h em o s tc o m m o no n e a s m a i np o w e rn e t w o r k ss u p p l y i n gu s e r sw i t hp o w e r ，1o k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sc a n h a r d l ym e e tt h er e q u i r e m e n to fv o l t a g eq u a l i t yr a i s e db yu s e r s a tt h ee n do fl o n gl i n e b ym e a n s o fc h a n g i n gt a p so ft r a n s f o r m e r a n dm e c h a n i c a lt a p so fc o m m o n t r a n s f o r m e ra r en o ts u i t a b l ef o rf r e q u e n ta d j u s t m e n t t om e e tu s e r s lr e q u i r e m e n to nv o l t a g eq u a l i t ya n da s s u r et h a tv o l t a g ee l i g i b i l i t y r a t ei sw i t h i nt h es p e c i f i e dr a n g ea n dr a i s ea u t o m a t i o nl e v e lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ， t h y r i s t o rg r a d e dv o l t a g er e g u l a t o r ( t g v r ) a p p l i e dt od i s t r i b u t i o nn e t w o r kh a s b e e n d e v e l o p e di ns o m ef o r e i g nc o u n t r i e s 。s i m i l a rs t u d yh a sj u s ts t a r t e di nt h ec o u n t r y c o m b i n i n gf o r e i g ne x p e r i e n c ea n dr e a l i t yo fd o m e s t i cp o w e rc o m p a n i e s ，t h i s p a p e rs t u d i e st h y r i s t o rg r a d e dv o l t a g er e g u l a t o ra p p l i e dt o1o k vd i s t n b u t i o nn e t w o r k m a i nc o n t e n to ft h es t u d yi n c l u d e so v e r a l ld e s i g na n dm a i nc i r c u i ts e l e c t i o n ，c o n t r o l l e r d e s i g n ，s i m u l a t i o no ft h er e g u l a t o r i no v e r a l ld e s i g na n ds e l e c t i o no fm a i nc i r c u i t ，t h ep a p e rs t u d i e st h e o r yo f r e g u l a t i n gv o l t a g ew i t ha s e r i a lt r a n s f o r m e r , p r e s e n t ss e v e r a la l t e r n a t i v ed e s i g no f m a i nc i r c u i ta n dd e t e r m i n e st h eb e s to n e 。 i nd e s i g n i n go fc o n t r o l l e ro ft h er e g u l a t o r ，d e s i g n i n gt a s k so fc o n t r o l l e r , w h i c h i n c l u d e sf u n c t i o n a lf r a m ec o n s t r u c t i o n ，o v e r a l ld e s i g nm e t h o d ，h a r d w a r ec o m p o s i t i o n ， s o f l w a r ef l o wc h a r t se t c a r ec a r r i e do u t t h ec o n t r o l l e ri sb a s e do nam c ua n dc a n u n i n t e r r u p t e d l ya n a l y z ei n p u tv o l t a g es i g n a la n dg e n e r a t ep u l s es e r i e sw i t hp r o p e r a n g l et oi g n i t es p e c i f i e dt h y r i s t o r s i ns i m u l a t i o no ft h er e g u l a t o r , a p a r t so ft h er e g u l a t o rs u c ha st h y r i s t o r , t h y r i s t o r s w i t c h s e r i a lt r a n s f o r m e r , c o n t r o l l e r , a r em o d e l e da n ds i m u l a t e di na d v a n c e ，f o l l o w e d t h e ma r et h ew h o r er e g u l a t o ri t s e l f s i m u l a t i n gt o o lu s e di nt h ep a p e ri sm a t l a b ，t w o f r e q u e n t l yu s em o d e ll i b r a r i e sa r es i m u l i n ka n ds l m p o w e r s y s t e m s s i m u l a t i o np r o v e s t h a tt h er e g u l a t o rc o m p e n s a t e sv o l t a g em e r yw e l l t h r o u g hs t u d yi nt h i sp a p e r ，f e a s i b i l i t yo ft g v r i ss t r o n g l ya n dt h e o r e t i c a l l y s u p p o r t e d t h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o n sa r el a i df o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t o ft h er e a lt g v r k e y w o r d ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；t h y r i s t o r ；v o l t a g er e g u l a t i n g ；p o w e rq u a l i t y i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：哥智季眵 跏鹕：叩研 日期：删年f 明扣日 日期2 j 甜乒辞il 月多，日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早瑁t 匕 近年来电力系统自动化水平一直在不断提高，这得益于相关学科领域技术 的长足进步，主要有：计算机技术得到了迅猛发展，并且实现了在电力系统中 的广泛应用；通信技术r 新月异，因特网迅速遍布全球，许多通信方式已经成 为电力系统不可或缺的部分；电力电子技术的发展也是电力系统自动化水平提 高的一个相当重要的因素；等等。不断出现的新技术，使得电力自动化设备越 柬越具有智能化。 晶体管的发明是电子工业的一次革命，而可以在高电压、大电流环境下使 用的晶闸管的出现则意味着电力电子学的开端。电力电子器件主要有硅整流元 件和晶闸管及其派生器件如：双向晶闸管、快速晶闸管、g t o ( 可关断晶闸管) 等，它们正在电力各个领域发挥良好的作用。电力电子电路及装置比较传统的 功能是实现电能的变换，例如d c - d c 变换器( 斩波器) 、a c d c 变换器( 整流 器) 、a c a c 变换器( 变频器) 、d c a c 变换器( 逆变器) 等【1 】。现代电力电子 技术已经在直流输电、无功补偿、各种电源、开关装置、大型异步电动机启动 装置等方面有了广泛和深入的应用，本课题则是研究电力电子器件与其他电力 元件的结合使用，实现了电力系统配电网的电压调节。 电力电子装置自身的控制系统( 或称控制电路、控制器) ，可以采用模拟控 制、数字控制或检测反馈等信息处理与信号控制系统。对同一电子电路，技术 水平不同的控制系统会带来不同的控制质量，所以高质量的控制系统成为了技 术人员的偏好。近几年来工业控制的功能模块和专用芯片不断涌现，使得工业 控制系统变得小型化、专门化。而且具有功耗小、效率高和可靠性高的特点。 微处理器( 单片机) 芯片也在不断更新换代，随着微电子技术的发展与成本的 降低，微处理器构成的控制系统已经成为越来越广泛使用的一种数字控制系统。 本课题的晶闸管分级电压调节装置拟定以单片机为核心的控制系统来实现控 制，而且在后续的工作中将可能具体研制这样的控制系统。 微电子学和电力电子学为晶闸管分级电压调节装置提供了理论基础。为提 高配电网的自动化运行水平，保证电网电压合格率在允许范围内，日本和美国 等国家研制成功用于配电网的晶闸管分级电压调节装置，目前国内类似产品的 研究工作刚刚开始。 华南理工大学工程硕士学位论文 1 2 课题研究的必要性与实际意义 电能质量主要包括电压质量、频率质量和供电可靠性三个方面。 电能质量问题的三个方面中又以电压质量问题最为普遍。对频率质量的要 求全网相同，不因用户而改变，越来越普遍的、联网组成的大电力系统基本上 解决了频率质量问题。电网自动化水平的提高也巩固了供电的可靠性。但是， 地域分布广阔的电力系统经常出现电压质量问题。本文主要研究1 0 k v 配电网的 电压质量问题。 1 0 k v 配电网是为用户供电的主要电网，用户要求电压质量要有保障。但一 些变电站同一母线的1 0 k v 线路长短不一，仅仅依靠控制无功和调节变压器分接 头调压，难以满足这些长线路末端用户对电压质量的要求。另外，普通变压器 的机械式分接头在运行中不能进行频繁调节，也不能自动调节，响应速度也慢。 而对这些分散用户供电系统进行改造，投资较大。目前，国内生产和研制的电 压调节器，多数为单相2 2 0 v 、小容量的交流稳压电源，能解决精密仪器等供电 电源的电压质量问题，但不能用于解决三相高压线路的电压质量问题。 另外，随着分散式发电技术的发展，与系统并联的合作发电、风力发电和 太阳能发电，以及由系统供电的大容量用电设备将不断增加。在这种情况下， 配电网潮流方向和流量可能大幅度、频繁变化，例如电压在分散式发电设备投 入或大容量电动机启动时会产生很大波动。传统的有载调压变压器和机械式开 关分级电压调节装置不可能处理这种情况，难以进行合理的电压控制。 为提高配电网自动化运行水平，保证电网的电压质量，本文提出研制一种 用于1 0 k v 配电网、能够进行双向电压调节、基于晶闸管开关控制技术的新型电 压调节器。它的主要特征是可按要求自动调节配电网电压，而且由于没有机械 动作部分，所以能够频繁地进行调整；可双向调节电网电压，能适应电网的潮 流方向变化；适用于安装在1 0 k v 配电线路上，可称之为自适应电压调节器。本 文主要进行了主电路的电压调节原理的研究及其选型、控制电路的设计、装置 的仿真等工作。 1 3 国内外文献综述 本人在课题研究开发过程中查阅了大量关于电能质量及改善电能质量方法 的文献资料，总结如下： 1 3 1 电能质量的概念 电能是特殊商品。电能是不能以单一能量形式储存的，而是发、供、用电 2 第一章绪论 必须同时完成，并由用电来决定发电和供电，故对用户连续不断供电是电能质 量的重要标志。传统的电能质量包含电压质量、频率质量和供电可靠性三个方 面，后来因人们认识到电网中的谐波和三相不平衡的危害性，故电能质量又增 加了这两个内容。此后，电压波动和闪变也列入了电能质量标准【2 1 。 1 3 2 电能质量问题 电能质量问题的提出由来已久。在电力系统发展的早期，电力负荷的组成 比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成， 因此衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压偏移两种。2 0 世 纪8 0 年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代 工业中得到了广泛应用，同时，为了解决电力系统自身发展存在的问题，直流 输电和f a c t s 技术不断投入实际工程应用，调速电机以及无功功率补偿电容器 也大量投入运营。这些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重， 谐波水平不断上升。另外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型轧钢机、 电力机车等，运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且还会产生电压波动、闪 变、三相不平衡等电能质量问题。但另一方面，随着各种复杂的、精密的、对 电能质量敏感的用电设备不断普及应用，人们对电能质量的要求越来越高，因 而电能质量成为目前研究的热点。 1 3 3 电能质量评价指标 电能质量的相关国家标准有供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 9 0 ) 、电压 允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 9 0 ) 、公用电网谐波( g b l 4 5 4 9 9 3 ) 、三相电 压允许不平衡度( g b 厂t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 、电力系统频率允许偏差 ( g b t 1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 ) 等。 目前，世界各国对电能质量的定义不完全相同。概括起来，电能质量主要 包括电压质量、频率质量和供电可靠性三个方面。对频率质量的要求全网相同， 不因用户而改变，本文不做详细介绍。决定电压质量的指标很多，i e e e 第2 2 标准协调委员会和其他国际委员会最新采用1 1 种专用术语来说明电压质量的主 要扰动【3 l ： a 电压中断( 断电，i n t e r r u p t i o n ，o u t a g e ) ：在一定时间内，一相或多相完全 失去电压( 低于o 8 ( 标幺值) ) 称为断电。按持续时间长短，分为瞬时断电o 5 周 期3 s ) 、暂时断电( 3 s 6 0 s ) 和持续断电( 大于6 0 s ) 。 b 。频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n l ：各国对此均已做出明确规定。 c 电压下跌( s a g ) ( 电压跌落，d i p ) ：持续时间为0 5 周期1 r a i n ，幅值为o 1 3 华南理t 大学t 程硕十学位论文 o 9 ( 标幺值) ，系统频率仍为标称值。 d 电压上升( 电压隆起，s w e l l ) ：电压( 或电流) 持续时间为o 5 周期1 m i n ， 幅值为1 1 1 8 ( 标幺值) ，系统频率仍为标称值。 e 瞬时脉冲( i m p u l s e ) ；在两个连续稳态之间的一一种在极短时间内发生的电 压( 或电流) 变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一 极性的阻尼振荡波第1 个尖峰。 f 电压波动( f l u c t u a t i o n ) 与闪变( f l i c k e r ) ：电压波动是在包络线内的电压的有 规则变动，或是幅值通常不超出0 9 - - 1 1 电压范围的一系列电压随机变化。闪 变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。 g 电压切痕( n o t c h ) ：电压切痕是一种持续时间小于0 5 周期的周期性电压扰 动。电压切痕主要由于电力电子装置在相关的两相间发生瞬时短路时电流从一 相转换到另一相而产生的。电压切痕的频率非常高，用常规的谐波分析设备很 难检测出来，这就是过去从未有过此项电压扰动内容，直到最近彳+ 诈式列入的 原因。 h 谐波( h a r m o n i c s ) ：含有基波熬数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。谐 波是由于电力系统和电力负荷设备的非线性特性造成的。 i 间谐波( i n t e r - h a r m o n i c s ) ：含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为 间谐波。小于基波频率的分数次谐波也属于这一类。间谐波会使照明装置引发 视觉闪变。 j 过电压, ( o v e r v o l t a g e ) ：电压( 或电流) 持续时间为大于1 m i n ，幅值为1 1 1 2 ( 标幺值) ，系统频率仍为标称值。 k 欠电压, ( u n d e r v o l t a g e ) ：电压( 或电流) 持续时间为大于1 m i n ，幅值为0 8 0 9 ( 标幺值) ，系统频率仍为标称值。 1 3 4 改善电能质量的方法 改善电能质量的装置和措施很多，以大功率电力电子器件为核心单元的新 型装置可以用来有效地抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、瞬时扰动，而 常规措施则很好地适用于稳态电压调整。电能质量控制装置按功能可分为以下 三大类：无功补偿装置、滤波器和着重于解决暂态电能质量问题的统一电能质 量调节器( u p q c ) 。要想使电能质量控制装置充分发挥其设计功能，采用准确、 高效的分析与控制方法是至关重要的。首先要获得及时、准确的有关“源”信 息，如三相电压、三相电流、中线电流及中线对地电压等，然后对这些源信息 进行实时、快速的分析，得到所需的控制信息，控制装置根据这些控制信息， 采用适当的控制方法产生相应的动作，最终才能得到理想的补偿效果。 4 第一章绪论 传统的一些用于稳态电压调整的装置，如并联电容器、并联电抗器、变压 器分接头等都是机械式的，它们对电能质量问题反应速度慢、控制不精确、调 节能力有限，过去一般采用手动控制的方法，现在有一部分装置采用了自动投 切的方法，其控制策略既有非常简单的开环控制，也有采用模糊控制、智能控 制等现代控制策略的。 常规改善电能质量的设施有调相机、电容器、电抗器、变压器分接丌关、 电压调整器、稳压器、滤波器、多电源自动切换、自动重合闸、不间断电源和 静止无功补偿器等。 下面是一些文献介绍的电能质量的控制方法； 文献 4 1 5 b 介绍的v c l 0 0 b u 型自动调压装置是通过调节变压器分接头来实 现自动调压的。 文献【5 】针对1 0 0 4 k v 配电网的运行特点及其运行中存在的问题，提出了一 种通过迭加电势来消除中性线电流或使中性线电流减小到某值，并控制低压网 中电压水平以满足低压用户的电压要求，同时迭加电流提供非线性负荷所需的 非正弦电流，以满足谐波电流不向上级电网扩散，并能保证本级电网谐波指标 的方法，用以实现低压配电网的电能质量控制与改善。 文献【6 】提出了区域电网电压无功优化的方法来提高电能质量，该方法采用 了区域控制，按照分层控制结构进行设计，其核心算法考虑了防止电压崩溃等 因素，以保证电力系统的供电质量。 文献【7 】分析了串联型三相交流电压调节装置的工作原理，提出了采用电压 空间矢量的闭环控制方法及系统控制电路结构图，所提出的控制方法能够补偿 电网电压的对称和不对称波动及谐波分量。文献【8 】的d s t a t c o m 是一种新 型的用于配电网的动态无功补偿装置，介绍的1 0 0 k v a r d - - s w 汀c o m 采用 i g b t 三电平逆变器实现。这两种设计所用到的串联变压器的电源由一套逆变器 提供，而逆变器需要有一个直流电源，所以成本较高。 文献 9 】和文献【1 0 】提出的电压调节器，为单相2 2 0 v 、小容量的交流稳压电 源，能解决精密仪器等供电电源的电压质量问题，但不能用于解决三相高压线 路的电压质量问题。 1 4 本研究课题的来源及主要研究内容 本课题是佛山供电分公司申请立项的广电集团的科技项目，由佛山供电分 公司和华南理工大学电力学院合作完成。广东省的用电量在全国名列前茅，佛 山市用电量在广东排名第四，也是一个重要的负荷区。佛山市用户地域分布比 较广阔，也受到了电压质量问题的困扰，据部分用户反映，有的地方的实际供 5 华南理工大学工程硕士学位论文 电电压已经比额定电压低了许多。因此，对电压质量改善的研究有很好的现实 意义。 本课题借鉴国外经验，结合电力公司实际，研究了可用于1 0 k v 配电网的晶 闸管分级电压调节装置( t h y r i s t o r g r a d e dv o l t a g er e g u l a t o r ，简称t g v r ，以 下也简称为装置) 的可行性。涉及内容有下列几个方面： a 装置的总体设计和方案选择。研究串联变压器的调压原理，提出装置的主 电路的几个方案，比较并选择一个最佳方案。 b 装置的控制电路的初步设计。包括控制电路的功能讨论，其总体设计思想， 硬件设计方案、软件设计方案等。 c 对装置进行详细的仿真研究。首先分别对装置的各部分进行建模和仿真， 包括晶闸管、晶闸管开关、串联变压器、控制器( 控制电路) 等，然后为整个 装置建模和仿真。仿真工具是m a t l a b ，主要是m a t l a b 中的s i m u l i n k 和 s i m p o w e r s y s t e m s 模块集。 通过以上的研究，从理论上和仿真上为晶闸管分级电压调节装置的可行性 提供了支持，为该装置的开发做好理论准备和技术准备。 6 第二章整体设计与方案选择 第二章总体设计与方案选择 2 1 晶闸管分级电压调节装置的调压原理 晶闸管分级电压调节装置( t h y r i s t o rg r a d e dv o l t a g er e g u l a t o r ，简称 t g v r ，以下也简称为装置) 基本原理如图2 - 1 所示，图中以一相为例。它主要 由控制系统( 或控制电路、控制器) 、串联变压器、调节变压器、晶闸管开关等 部分组成。控制系统是以单片机为核心的数字化电路，它控制着晶闸管的触发， 将在第三章对其进行初步设计。 图2 1 晶闸管分级电压调节装置的调压原理 f i g 2 - 1v o l t a g er e g u l a t i n gp r i n c i p l eo ft g v r 图2 - 1 中u i 、u o 、u 分别为调节前电压( 输入电压) 、调节后电压( 输出 电压) 、调节电压。装置经过调压变压器从电网获取电压和功率。调节变压器的 二次侧有若干抽头，通过导通晶闸管开关配合，可向串联变压器提供1 0 0 v 、 2 0 0 v 、3 0 0 v 和0 v 的调节电压u 。晶闸管开关受控制器控制，当控制器 检测到用户侧线路电压变化时，根据控制器本身的设定和测到的电网电压值来 产出脉冲波触发相应的晶闸管开关元件导通，通过串联变压器对电网电压进行 调节，使u o = u i + u ，从而实现对电网电压的双向调节控制。 其具体调节幅度和理想效果如表2 1 所示。这里的额定电压u e 为10 k v 。 从表2 - 1 可以看出，电压调节装置补偿了电压偏移，电压偏移u 在3 5 0 + 3 5 0 v 的范围内均通过这种补偿限制到5 0 + 5 0 v 的较小范围。 7 华南理工大学工程硕士学位论文 表2 1 晶闸管分级电压调节装置理想调压效果( 单位：v ) t a b 2 - 1i d e a lv o l t a g er e g u l a t i n gr e s u l to ft g v r ( v ) u i u i u euu o u e 9 7 5 0 + 2 5 0- 3 0 0 - 5 0 基于上述原理、结构的电压调节装置主要特征是能自动调节配电网电压， 采用无触点开关对抽头电压进行切换操作，能实现对电网电压进行双向、快速、 频繁调整。1 0 k v 电网的特点是用户负荷按时问变化，分级调节电网电压可保证 电压的合格率。另外，晶闸管开关动作速度快，可以进行频繁操作，对大容量 电动机启动等原因引起的电压波动也有一定的调节作用。该电压调节装置比动 态电压调节装置( d v r ) 成本低，用于调节负荷变化引起电压波动更经济实用。 2 2 主电路选型 2 2 1 调节变压器的位置 调节变压器的一次侧可以连接在电源侧，如图2 - 2 ( a ) 所示，也可以连接 在用户侧，如图2 2 ( b ) 所示。 ( a )( b ) 图2 - 2 调节变压器的两种位置 f i g 2 - 2t w op o s i t i o n so ft h er e g u l a t i n gt r a n f o r m e r 调节变压器虽然有多个分接头，但是各分接头的变比是固定的，而且分接 8 第二章整体设计与方案选择 头的输出是假设一次保持1 0 k v 恒定不变的情况下才是准确的1 0 0 v ，2 0 0 v 3 0 0 v 。因此本课题决定选择方案( b ) ，将调压变压器连接在用户侧。 2 2 2 几种主电路的设计 为满足双向调节1 0 k v 电网电压的要求，对基于上述原理的调压装置主电路 进行了选择设计。设计的调节装置最大补偿相电压u 为3 0 0 v ，电压调节级 差为1 0 0 v ，以满足调节1 0 k v 电网5 的要求。根据对电压调节装置的这些要 求，设计了以下三种主电路，电路均只画出一相。 方案一：桥型开关补偿电路。 主电路方案一如图2 - 3 所示，电路有6 对晶闸管作为晶闸管开关，构成了 三座桥，因此取名桥型开关补偿电路。调节变压器二次侧有3 个接头，两两接 头之间的电压分别为1 0 0 v ，2 0 0 v 和3 0 0 v ，每个接头都有两个晶闸管丌关与之 相连，分别将该接头连接到串联变压器一次侧的正极和负极。通过这些开关的 两两组合导通就可以产生u 所需要的7 个值，本方案晶闸管开关组合导通产 生u 的具体情况见表2 - 2 的第三行。 图2 - 3 桥型开关补偿电路 f i g 2 3s w i t c hb r i d g ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t 方案二：双绕组变压器补偿电路。 主电路方案二如图2 - 4 所示，这种电路省去了一个晶闸管开关，但是调节变 压器和串联变压器都比方案一复杂了。调节变压器二次侧有3 个分接头和一个 负极，3 个分接头的电压分别是1 0 0 v ，2 0 0 v 和3 0 0 v ，通过t 1 、t 2 和t 3 来选 择分接头。串联变压器有2 组极性相反的一次侧，通过t 2 和t 4 来选择：导通 t 2 相当于选择了右边的同极性绕组，产生正的调节电压u ；导通t 4 相当于选 9 华南理工大学工程硕士学位论文 择了左边的反极性绕组，产生负的调节电压u 。本方案晶闸管开关组合导通产 生u 的具体情况见表2 - 2 的第四行。由于该方案的串联变压器有两个一次侧， 因此该电路命名为双绕组变压器补偿电路。 图2 - 4 双绕组变压器补偿电路 f i g 2 - 4t w ow i n d i n gt r a n s f o r m e rc o m p e n s a t i o nc i r c u i t 方案三：绕组极性变换电路。 主电路方案三如图2 - 5 所示。调节变压器与方案二相同。有7 个晶闸管开 关，t 2 、t 4 和t 6 分别用来选择3 0 0 v 、2 0 0 v 和1 0 0 v 的分接头。串联变压器 只有一组一次侧，通过t 1 、t 3 、t 5 和t 7 的来调整绕组电压极性，t 1 和t 7 导 通时u 为正极性，t 3 和t 5 导通时u 则为负极性。本方案晶闸管开关组合导 通产生u 的具体情况见表2 - 2 的第五行。因为变压器绕组电压极性可以通过晶 闸管开关来变换，所以方案三也叫做绕组极性变换电路。 图2 - 5 绕组极性变换电路 f i g 2 - 5w i n d i n gp o l a r i t yc h a n g i n gc i r c u i t 1 0 第二章整体设计与方案选择 2 2 3 主电路的比较和选择 一主电路的比较。 主电路的这三种方案都能提供3 0 0 v 、2 0 0 v 和1 0 0 v 的补偿电压，但 电路的结构、使用元件数量和控制方法等各不相同。方案一的桥形开关补偿电 路通过对1 0 0 v 、2 0 0 v 电压进行编码组合和补偿电压方向的控制，实现对电网 电压的双向、分级调节。方案二的双绕组变压器补偿电路是通过串联变压器两 个极性相反的绕组，实现对电网电压的双向、分级调节。方案三的绕组极性变 换补偿电路则是通过改变调节变压器补偿电压的方向，实现对电网电压的双向、 分级调节。另外，方案二的串联变压器和方案三的调节变压器的抽头数量与方 案一的都不同。 由于三种方案的电路结构不同，对电压调节装置的控制方法、制造成本和 装置体积都有一定的影响。为比较三种电路的技术经济指标，分别给出三种电 路的晶闸管开关对补偿电压控制方法如表2 2 所示，主要技术要求如表2 - 3 所示。 表2 - 3 中变压器容量为调节变压器容量和串联变压器容量的总和，p e 为装置中 传递的功率，表中的元件的数量均指三相的元件数量。 表2 - 2 三种电压调节方案中晶闸管开关对补偿电压的控制 t a b 2 _ 2t h y r i s t o rs w i t c h e s c o n t r o lo v e rc o m p e n s a t i n gv o l t a g e i nt h et h r e ev o l t a g er e g u l a t i n gs c h e m e s 导通的晶闸管开关 u+ 3 0 0+ 2 0 0+ 1 0 0- 1 0 0- 2 0 0- 3 0 0 桥形开关补偿电路t 1 t 6t 3 t 6t 1 t 4t 3 t 2t 5 t 4t 2 t 5 双绕组变压器补偿 t 1 t 2 t 3 t 2t 5 t 2t 5 t 4t 3 t 4t 1 t 4 电路 绕组极性变换补偿t 2 ，t 1 ，tt 4 ，t 1 ，tt 6 ，t 1 。t t 6 ，t 3 ，tt 4 ，t 3 ，tt 2 t 3 ，t 电路 777 55 表2 3 三种电压调节方案的主要技术要求 t a b 2 - 3m a i nt e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t so f t h et h r e ev o l t a g er e g u l a t i n gs c h e m e s 方案 变压器容变压器抽晶闸管开同时导通 量 头数量关数量开关数 桥形开关补偿电路2 p e3 + 83 + 63 2 华南理j 二人学工程硕十学位论文 双绕组变压器补偿电路3 p e3 。1 13 + 53 + 2 绕组极性变换补偿电路 2 p e3 。93 + 73 + 3 二主电路的选择 通过对表2 - 2 、表2 - 3 给出的3 种电路控制方法和技术要求对比可知，在满 足正反双向调压和同样的补偿精度情况下，桥形开关补偿电路具有一定的优势。 它的串联变压器无需使用双绕组变压器，有利于降低制造成本、减少装置体积、 提高调节效率；它的串联变压器和调整变压器低压侧的总抽头数最少，这使得 开关控制箱体接线简单，可降低制造成本；另外，使用的双向晶闸管模块比绕 组极性变换补偿电路少，且控制方法比较简单、灵活。因此，本课题选择方案 一，即桥形开关补偿电路作为晶闸管分级电压调节装置的主电路的最终方案。 2 3 设计中要注意的问题 晶闸管分级电压调节装置的基本功能是自动调节配电网电压，本课题主要 任务是对这一基本功能的研究。 进一步的设计和开发此装置时，考虑到装置的使用环境和可能出现的各种 情况，在设计时还应该考虑到以下方面： 一双向电压自动调整功能 为满足复杂配电网电压调节需要，控制器应具有自动判断电网潮流方向， 以及检测负荷侧的电压高低，通过综合判断进行双向电压自动调整的功能。 二晶闸管分接头自动、快速切换功能 机械式开关分接头切换时间长，触头易遭受电弧腐蚀，运行维护工作量大。 为实现对线路电压的快速、频繁调节控制，要求调节装置采用无触点晶闸管开 关，实现调整变压器分接头电压的自动、快速切换操作。 三外部故障或异常保护功能 为防护来自配电线路的冲击电压和短路电流，设置外部故障或异常保护功 能对电压调节装置设计来说是必须的。为防止电网冲击电压和短路电流转移到 分接头切换电路，使晶闸管元件损坏，设计电压调节装置的外部故障或异常保 护功能包括：外部短路保护，过载保护，过压、欠压保护，运行中断保护和瞬 时运行中断等保护。 四内部故障或异常保护功能 为防止因电压调节装置内部故障影响到线路或电网其他装置，需要考虑的 电压调节装置内部故障或异常保护功能包括：控制电源消失保护，控制部分异 常保护，电磁开关异常保护，分接头断开保护，晶闸管过流等保护功能。 第二章整体设计与方案选择 为满足和适应现场恶劣使用环境要求，电压调节装置的设计还包括调整变 压器和串联变压器结构、工艺设计，晶闸管分级切换开关箱体的设计，以及调 节装置保护控制装置的控制方法、控制器软、硬件系统等设计工作。 2 - 4 本章小结 本章开头介绍了晶闸管分级电压调节装置的调压原理：控制系统根据实际 电压的值，控制晶闸管产生适当的补偿电压，并通过串联变压器把该补偿电压 加到配电网，减小了用户端的电压偏移。 提出了装置主电路的三个方案，进行了主电路的选型，选型时除了考虑调 节变压器一次侧连接点外，还对三个各选方案的变压器容量、变压器抽头数量、 晶闸管开关数量、同时导通开关数进行了定量的比较，最终选定了一个最佳方 案。 本章最后还对装置的进一步研究和设计提出了应该注意到的一些问题。 1 3 华南理t 大学t 程硕士学位论文 第三章控制器的设计 如第二章所述，在晶闸管分级电压调节装置中，控制器根据配电网电压大 小，导通不同的晶闸管开关，可以产生不同的串联变压器电压来调节配电网电 压。因此，控制器可以说是晶闸管分级电压调节装置的控制中枢与核心部件。 本章根据前面所提出的晶闸管分级电压调节装置的主电路及其调压原理， 提出了控制器所要实现的功能，然后提出了用电路实现这些功能的详细设计， 并且讨论了控制器硬件和软件的设计方法。 本章讨论的是控制器的设计思路和方法，具体实现还有待于进一步的实验 研究和调试。 3 1 控制器的功能设计 控制器要合理控制晶闸管开关的导通，实现对电网电压的有效调节，其功能 框图如图3 - 1 所示。 兰吲差阁雾耋h 塞h 蒌蝴削萎 图3 - l 控制器功能框图 f i g 3 1f u n c t i o nf r a m eo ft h ec o n t r o l l e r 从输电线路得到的高压信号，经过互感器按比例转变为低压信号，成为控制 器控制整个调压装置的依据。控制器的功能模块包括测量模块、判断模块和触 发模块，如图3 1 的虚线框中所示。 对控制器输入低压信号后，通过测量模块测出电压值。判断模块根据电压值 确定要导通的晶闸管开关的编号，判断模块的判断依据是表2 1 和表2 - 2 ，从表 2 一l 中找出需要补偿的电压u ，在根据u 从表2 2 找到需要导通的晶闸管开关。 触发模块产生与低压信号同步的脉冲触发信号来触发导通判断模块指定的晶闸 管开关。 1 4 第三章控制器的设计 3 2 控制器的总体设计 目前控制电路一般都是采用数字电路的形式，而数字控制电路既可以采用单 片机，也可以不采用单片机。随着微电子技术的发展与成本的降低，微处理器 ( 单片机) 构成的控制系统已经成为越来越广泛使用的一种数字控制系统。本 课题拟定通过单片机为核心的控制系统来实现控制。而且在后续的工作中将可 能具体研制这样的控制系统。 3 2 1 硬件和软件功能划分 用硬件实现可提高工作速度，减少软件工作量；用软件实现可降低硬件成本， 但增加软件工作量。应充分考虑控制器硬件和软件功能划分，某些硬件功能可 以由软件实现。 3 2 2c p u 的选择 单片机的型号和种类很多。本控制器选择采用a v r 单片机。 a v r 单片机是a t m e l 公司1 9 9 7 年推出的全新配置精简指令集( r i s c ) 单 片机系列。片内程序存储器采用f l a s h 存储器，可反复编程修改上千次，便于新 产品的开发；程序高度保密，避免非法窃盗；速度快，大多数指令仅用一个晶 振周期，而m c s - 5 1 单片机单周期指令也需要1 2 个晶振周期；能采用c 语言编 程，从而能高效快速地开发出目标产品；c m o s 工艺生产，功耗低：有主电源 3 v 以下的品种，进一步降低功耗，一般只需几m a 电流；还有多种低功耗方式， 在掉电方式下，工作电流小于1 x a t 。 3 2 3 编程语言的选择 a v r 单片机的编程既可以采用汇编语言，也可以采用c 语言。 汇编语言作为传统嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高等优点，但本身 是一种低级语言，编程效率低下，且可移植性和可读性差，维护极为不方便， 从而导致整个系统的可靠性也较差。 c 语言以其结构化和能产生高效代码的优势，成为了电子工程师进行嵌入式 系统编程的首选开发工具，得到了广泛的支持。用c 语言进行嵌入式系统的丌 发，具有汇编语言编程所不可比拟的优势：可以大幅度加快丌发进度，特别是 开发一些复杂的系统；无需精通单片机指令集和具体硬件，也能够编出符合硬 件实际专业水平的程序；可以实现结构化编程，使得软件的逻辑结构变得清晰 有条理；省去了人工配置单片机资源(