1引言

    有载调压变压器具有降低电网环流、防止非预 期无功功率交换 、降低并列运行线路的损耗 、改善 电网功率潮流及提高供电可靠性等优点，因此有载 调压变压器在电力系统中广泛使用。 传统的有载调压方法是采用机械有载分接开 关，该装置制造简单 、成本低，目前，在国内外电力 系统中普遍采用。随着社会的发展和用电量的迅速 增长，电网规模不断扩大，电网结构越来越复杂，这 种机械有载分接开关己经不能xx满足现代电网 的安全和经济运行的要求，而且暴露出难以xx的 缺陷： (1)在分接头切换过程中产生电弧，导致机械 触头烧损和变压器油老化 。 (2)分接开关的动作速度慢，调压响应时间长， 容易错挡、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，对电网的安全运行有不利的影响。 美国学者 Houch．R．L．等人于 1978年在《电力装 置与系统》上发表了研究成果，并介绍无触点开关装置在美国内拉斯加州西部电网电压调整中的应 用。德国西门子公司 1979年也在同一杂志上发表 了无电弧有载调压装置(无触点的电力电子器件与 有触头开关配合使用)的论文，开创了使用晶闸管 辅助开关设计分接头的先河。该方法的优点是装置 基本是机械的，结构简单，同时又大大降低了分接 头切换时产生的电弧，但是无法xxxx电弧。 2O世纪 80年代在一些发达国家开始使用的无 弧有载调压装置，全部采用晶闸管作开关器件代替 主电路中的交流机械分接开关，采用微电脑逻辑控 制进行调压。晶闸管和微机组成的无触点开关，可 以使电路的通／断控制达到毫秒级，因此调节速度 快，如果控制方式得当，可xx电弧。另外 ，由于没 有机械磨损，延长了变压器的使用寿命。无触点开 关为变压器有载调压系统结构的发展提出了新的 方向。 20世纪 90年代实现了在特定的调压变压器结 构下，通过控制电力电子开关器件的通断，从而按 级改变变压器匝数，实现分级有载调压。因此这种 装置无需机械开关的切换，也不会产生电弧，响应 速度也得到提高。通常把这种调压装置称为无触点 分级有载调压分接开关。这种装置实现的是有级调 压，调压精度受到限制。 本文中笔者提出了一种基于电力电子与单片 机控制技术的无触点无级有载调压装置控制系统。 该系统引入动态电压调节器(DVR)，它以IGBT作为 开关元件，控制电路以80C196单片机为核心器件。 其输出电压可以连续调节，实现无级平滑调压，调 压精度高，动态响应快。通过串接于线路的补偿变 压器向系统注入幅值、相角和频率可控的电压，实 现变压器的有载调压。这种装置不仅具有晶闸管无 触点有载调压装置的优点，还可以克服其固有的缺 点，从而使其性能大大地提高。

2无触点无级有载调压装置主电路及调压原理

    以单相为例，无触点无级有载调压装置主电路 如图 1所示。无触点无级有载调压装置主电路主要 由整流器、储能装置 、逆变器、正弦波滤波器、串联 补偿变压器T2、旁路开关 K以及主变压器 T 构成。 整流器的作用是把三相交流电转变成直流电， 但当直流母线电压高于设定值时，把能量回馈回电 网，因此它兼具稳定直流母线电压和能量回馈的功 能；电容 C的作用是滤波及储能，即把整流器整流 得到的脉动直流电变换成比较平稳的直流电；逆变 器的作用是把直流电变成频率为工频 、幅值可以连 续调节的交流电，用于补偿主变压器输入电压  的 波动，从而维持  不变，进而保持输出电压  的稳 定；正弦波滤波器  、C 的作用是将逆变器输出的 PWM脉冲波转换成正弦波，从而有效降低串联补偿 变压器T 的涡流损耗及噪声，进而减少谐波污染。 T 的初级与正弦波滤波器连接，次级直接串联在主 回路中，起升压和隔离作用。主变压器  的功能是 进行能量的传递，初级接高压 10kV，次级接低压 400V。当无触点无级调压装置出现故障时，可以接 通旁路开关K，使之与电网脱离，在维修的同时不影响配电网工作。 由图1可知： ： l+AU (1) 按式(1)可得图2所示的矢量叠加示意图。调 节补偿电压Au的大小或者同输入电压  的夹角， 就可以调节  电压的大小和相位。通常情况是调节 补偿电压的△ 大小，其相位要么同输入电压 ，同 相位，或者反相位，从而维持电压  、  不变。 例如，当输入电压  降落 △U时，通过补偿变 压器补偿+AU，从而维持主变压器 T 初级电压 不变。而当输入电压  升高 AU时，通过补偿变压 器反相补偿一△ ，依然维持主变压器T 初级电压 不变。由此可知，DVR装置只补偿输入电压  升高 或跌落部分，而不是全部输入电压，也就是说只对 输入电压 。与电压  的差值进行调整和补偿，而 无需承担负荷所需的全部电压，因此逆变器承担的 {zd0}功率仅为系统功率的20％(假设电压补偿范围 为 20％)，致使其价格可以得到下降。而且功率器件 不是直接串在系统主回路中，器件选型较容易。因 为 DVR可以逆变产生幅值连续可调的电压，因此 可以实现无级的电压调节。又因为 DVR是由全控 器件 IGBT构成，动态响应快，可以在 10ms左右进 行电压调节。

3无触点无级有载调压装置控制系统设计与实现

    控制器系统是整个有载调压 变压器的核心部分，它决定着整个 有载调压变压器装置的性能好坏、 调压质量的高低，其控制的基本原 理是：采用微机作为中心控制单 元，实时采样被测控的电压和电流 信号，经微机计算处理，与设定值 相比较，一旦电压偏离预先设定的 值(范围)，控制器就产生一个升或 降的命令控制相关的调压分接头(晶闸管)导通。控制器系统主要由信号调理及采样 保持电路，单片机控制系统 、电压过零检测电路和 触发电路等部分组成。控制系统如图3所示。
   3，1  单片机系统 本装置以80C196单片机为核心器件。80C196 为 l6位高性能单片机，特别适用于复杂的、实时性 要求较高的自动控制系统、数据采集系统 、信号处 理系统和高级智能仪器等。80C196带有 A／D转换端 口，简化了系统的硬件设计。80C196的输出控制线 经过光耦器件隔离后，对晶闸管的触发电路进行控 制，从而实现控制晶闸管通，断的目的。由于需要控 制的晶闸管数目比较多，对这些晶闸管的控制则采 用了“一控多”及“选控”的方式。即多个晶闸管共用 一个触发电路，在需要对某一晶闸管控制时，通过 选控电路把触发脉冲加到该晶闸管的控制端。数据 处理用半波傅里叶变换，在前半个周期内采样6个 点，每个点采样3次，取中间值为采样值，在后半个 周期计算。一次 A／D转换的时间仅需要十几微秒， 采集速度可以满足要求。根据香农采样定理，采样 频率 600Hz半个周期(半个周期 6个点)大于信号 {zg}频率的2倍(100Hz)。因此，采样精度能满足要 求。
   3．2 信号调理及采样保持电路 从电力线路上获得的信号数值、输入范围与单 片机系统不匹配，故需要调整和变换。调理电路如 图4所示。输入信号经 。分压后，与+2．5V电位相 加，把双极性的交流信号变为单极性单片机可识别 的0V～5V信号。 由于本系统采用半波傅里叶变换进行信号处 理，对信号的频率要求高，因此采用自适应频率采 集。即假设信号相邻两个周期的频率变化可忽略， 采集前一个周期的时间作为计算后一周期采样时刻的依据。进行多路信号采集时，为保证多路信号 的同时性，需要有采样保持电路。当单片机发“保 持”指令时，多路信号同时进入保持状态供单片机 轮流采集。
   3．3 信号检测与 触发电路 信号检测主要 包括电网电压 、电 流瞬时值、逆变器 直流母线电压和电 网相位的检测。电 网检测的瞬时值作 为电压环的反馈， 其电压给定可由数 字信号处理器通过 查表完成，并经过 电压环PI调节器的调节，将输出值作为电压调制， 再经过 SPWM算法产生对应的 PWM触发脉冲，经 驱动电路放大后控制逆变器的导通和关断，进而改 变逆变电压，以使二次侧电压得到快速恢复；直流 母线电压检测主要是防止反相补偿时，泵升电压过 高而损坏 IGBT器件；相位检测电路主要是锁定电 网电压的相位，以使逆变器产生的电压与电网电压 相位同步。这样，经过串联补偿变压器得到的电压 就能和电网输入电压相位一致或反相。在该系统 中，电压检测传感器可采用 LEM公司的电压传感 器，型号为 LV25一P，该传感器具有出色的精度、良 好的线性度、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制 比强、反应时间快和频带宽等优点。 触发电路采用光电耦合传输触发信号、脉冲变 压器隔离技术。

4试验

    考虑到 10kV配电系统试验的投资和安全可靠 性因素，所述试验装置选择在低压220V样机上进 行试验。试验条件：主变压器T，为单相 220V／220V， 容量为 10kVA，补偿变压器 T2为单相 220V／50V，容 量 2kVA，功率器件选用 PM50RLA120型 IPM模 块 ，控制芯片采用 80C196单片机，开关频率为 5kHz，正弦波滤波器参数为Lf=6mH，Cr=51xF。试验结 果表明：该装置能很好地完成对输入电压  升高或 跌落部分的补偿，DVR逆变能够产生幅值连续可调 的电压，实现无级的电压调节。

5结论

    提出的无触点无级有载调压装置是电力电子技 术与变压器技术相结合的产物，为变压器分接头切 换用无触点开关替代有触点开关的研究和发展，提 供了一定的可供借鉴的方法。对于直接解决 lOkV 配电网的电压稳定有着一定的意义，它可以视系统 情况在配电网(或某些电压等级的输电网)一处甚至 多处安装，不仅满足了沿线不同用户对电压质量的 要求，而且促进了供电新技术的进一步发展。本系统 采用了LEM公司的电压传感器，能够快速准确地检 测电网电压，提高系统的动态响应性能。此外，与其 他一些调压设备相比，还具有以下优点： (1)无机械触点，不产生电弧，从而延长了其使 用寿命，并使维修量大大减少。 (2)仅对输入电压波动值进行调整和补偿，而无 需承担负荷所需的全部电压，因此逆变器承担的最 大功率仅为系统功率的20％左右。(3)功率器件不是直接串在系统主回路中，可以 选用耐压值比较低的器件，因此器件选型较容易。 (4)逆变器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，调压精度高。 (5)因为逆变器是由全控器件 IGBT构成，所以 系统动态响应快。 (6)80C196单片机 自带 A／D转换端口，简化了 系统的硬件设计。