一種基於串聯補償的全固態的斬波調壓電路及調壓方法與流程
2024-03-25 15:37:05 1
本發明屬於供配電領域，特別是涉及一種基於串聯補償的全固態的斬波調壓電路及調壓方法。
背景技術：
電力能源的發展與需求增加，使城鄉供電網絡結構呈現複雜化和多樣化，由於季節性和用戶晝夜時段性負荷差異，特別是務工人員流動性的影響，使電網負荷波動較大，導致配電網的電壓超標，最終使得配電網臺區出現電壓偏差。臺區變空載電壓偏高/重載電壓偏低是一種比較常見的問題。在夜晚用電尖峰時段，配電網末端用戶距離變壓器遠，電壓低，設備無法正常運行。為兼顧末端負荷，需調高變壓器輸出電壓，致使首端電壓輕載時過高。在白天負荷較低的時段，用戶電壓均偏高，大幅縮短用電設備的壽命並造成損耗增加與用電安全。
針對負荷輕重引起的電網輕載電壓偏高與重載電壓偏低問題，傳統的調壓方式利用有載分接頭調壓，但油式調壓裝置體積大，成本高，觸頭開關次數受限且易磨損，需定期維護，不適合調節頻次多的場合。如附圖1所示，對於可控矽調壓，體積與成本較有載調壓有所改善，但自耦式變壓器的接入使整體的體積與重量依然較大。其中可控矽器件承擔主迴路電流，一旦可控矽損壞便無法進行調壓，若同時有兩隻可控矽損壞，會造成匝間短路，從而引發事故。目前採取的如附圖2所示的聯合小容量變壓器交流斬波調壓，具有較好的靈活性，小容量變壓器使得斬波調壓部分只需承受較小的工作電流。但在交流斬波調壓的器件封鎖保護瞬間，續流通道斷開，導致器件被高壓擊穿造成設備的損壞與經濟上的損失。
技術實現要素：
針對背景技術中的問題，本發明提出一種基於串聯補償的全固態的斬波調壓電路及調壓方法，可以實現對臺區變的輸出電壓進行無極調節，並且確保輸出電壓為正弦波。
為實現上述目的，本發明提出如下技術方案：
一種基於串聯補償的全固態的斬波調壓電路，所述電路包括不控整流電路和H橋調壓電路；
所述不控整流電路包括第一二極體（D1）、第二二極體（D2）、第三二極體（D3）、第四二極體（D4）組成的整流電路與第一電感（L1）、第一電容（C1）組成的濾波電路；
在所述整流電路中，交流單相輸入側的火線（L）與零線（N）分別接入第一二極體（D1）的陽極與第四二極體（D4）的陰極，二極體第一二極體（D1）與第二二極體（D2）串聯後與第三二極體（D3）與第四二極體（D4）串聯後再並聯；
所述整流電路的直流側連接第一電感（L1）與第一電容（C1）組成的濾波電路，D3的陰極端連接第一電感（L1）的其中一端，第一電容（C1）的兩端分別與第一電感（L1）的另一端和第四二極體（D4）的陽極端連接；
所述H橋調壓電路包括1個H橋斬波電路、第二電感（L2）和第二電容（C2）組成的濾波電路和1個補償變壓器（T）；
在所述H橋斬波電路中，由4個絕緣柵雙極電晶體（IGBT）與4個續流二極體分別並聯組成第一三極體（Q1）、第二三極體（Q2）、第三三極體（Q3）、第四三極體（Q4），從而構成H橋斬波電路；
在所述H橋斬波電路中，電容C1的輸出端分別與第一三極體（Q1）的集電極和第二三極體（Q2）的發射極連接，第一三極體（Q1）與第二三極體（Q2）串聯後和第三三極體（Q3）與第四三極體（Q4）串聯後再並聯；兩個串聯電路的中間點分別連接電容第二電容（C2）的其中一端與第二電感（L2）的其中一端，第二電容（C2）的另一端與第二電感（L2）的另一端連接；
所述第二電容（C2）的輸出端連接補償變壓器（T）原邊的兩端，補償變壓器（T）副邊的其中一端連接交流單相輸入側的火線（L），另一端連接電網輸出母線。
進一步地，在所述交流單相輸入部分設置一個由電阻（R）與第三電容（C3）組成的阻容降壓電路，利用第三電容（C3）在交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流。
進一步地，在所述補償變壓器（T）副邊設置旁路接觸器（K1）與備用接觸器（K2），當臺區變的電壓處在正常範圍時，將旁路接觸器（K1）觸點吸合，變流器部分停止工作，不產生損耗。
一種基於串聯補償的全固態的斬波調壓方法，使用所述方法調壓包括以下步驟：
（1）交流側的單相電壓經過第一二極體（D1）、第二二極體（D2）、第三二極體（D3）和第四二極體（D4）構成的整流橋整流後轉換為π形波；
（2）通過高頻濾波電路濾波；
（3）輸出的直流電壓經過第一三極體（Q1）、第二三極體（Q2）、第三三極體（Q3）、第四三極體（Q4）構成的H橋斬波電路；
（4）通過控制絕緣柵雙極電晶體（IGBT）的工作狀態，轉換成佔空比和正反相受控的正弦交流電壓；
（5）經過濾波後，通過一臺串聯的補償變壓器將此正弦交流電壓按變壓比n疊加在配電變壓器的輸出母線上，實現對母線輸入電壓在±1/n(n≥1)範圍內的無極調節。
進一步地，在所述斬波調壓過程中，採用全橋整流和全橋逆變，解決斬波調壓的續流通道問題。
本發明的有益效果在於：本發明通過一種基於串聯補償的全固態的斬波調壓電路，可以實現對臺區變的輸出電壓進行無極調節，並且確保輸出電壓為正弦波。當負荷較重時，使串聯變壓器的輸出電壓升高，補償線路上的壓降；反之則降低串聯變壓器的輸出電壓，使輸出電壓始終維持在標準限定的範圍內。同時，很大程度上改善調壓部分的安全性；補償變壓器的接入使全橋部分只承受較小的工作電流，器件的損耗較小，半導體部分不需附帶很強的散熱系統，進一步縮小產品體積。
附圖說明
圖1是可控矽調壓方式的電路拓撲結構圖。
圖2是聯合小容量變壓器的交流斬波調壓方式的電路拓撲結構圖。
圖3是本發明的基於串聯補償的全固態的斬波調壓電路的主電路拓撲結構圖。
圖4是本發明在變壓器副邊設置旁路接觸器的主電路拓撲結構圖。
圖5是本發明在電壓輸入部分設置阻容降壓電路的主電路拓撲結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明的具體實施方案作詳細的闡述。
如附圖3所示，為一種基於串聯補償的全固態的斬波調壓電路的主電路拓撲結構圖，本發明的整流部分由第一二極體（D1）、第二二極體（D2）、第三二極體（D3）和第四二極體（D4）構成整流橋，輸入側連接到單相交流側，將單相電壓經過整流後轉換為直流，整流橋的輸出側通過第一電感（L1）與第二電容（C1）組成的高頻濾波電路，連接到第一三極體（Q1）、第二三極體（Q2）、第三三極體（Q3）和第四三極體（Q4）構成的H橋斬波電路，根據配電母線輸入端電壓的大小控制絕緣柵雙極電晶體（IGBT）的工作狀態，動態的調節第一三極體（Q1）、第二三極體（Q2）、第三三極體（Q3）和第四三極體（Q4）的SPWM波形，輸出佔空比和正反相受控的正弦交流電壓，經過第二電感（L2）與第二電容（C2）濾波後通過一臺串聯的補償變壓器將此電壓按變壓比n疊加在配電變壓器的輸出母線上，補償損失壓降或降低升高電壓，實現對母線輸入電壓±1/n(n≥1)範圍內的無極調節，使輸出電壓始終維持在標準限定的範圍內。
工作原理：交流單相電壓經整流橋整流後，再通過第一電感（L1）與第一電容（C1）組成的高頻濾波電路輸出正向π形波。補償變壓器（T）的原副邊同名端位於同一側情況下，當交流母線輸入端電壓降低需要升壓輸出時，在電壓過零點處控制第一三極體（Q1）與第四三極體（Q4）導通，第二三極體（Q2）與第三三極體（Q3）截止，半個周期後在過零點處控制第二三極體（Q2）與第三三極體（Q3）導通，第一三極體（Q1）與第四三極體（Q4）截止，經過第二電感（L2）與第二電容（C2）濾波後，在變壓器原邊輸入一個與原電網電壓同相的電壓，經過變比n在變壓器副邊輸出一個與母線同相的補償電壓，實現電壓升高的功能。反之，當交流母線輸入電壓升高需要降壓時，在過零點周期性的分別控制第二三極體（Q2）與第三三極體（Q3）導通、第一三極體（Q1）與第四三極體（Q4）截止和第一三極體（Q1）與第四三極體（Q4）導通、第二三極體（Q2）與第三三極體（Q3）截止的交替進行，此時變壓器的副邊向母線輸出一個與原電壓反向的電壓，實現降壓功能。當電網電壓正常時，使第一三極體（Q1）與第二三極體（Q2）導通、第三三極體（Q3）與第四三極體（Q4）截止，構成短路迴路，補償變壓器輸出電壓為0，輸出電壓與母線輸入電壓相等。變流器採用高頻斬波調節，確保波形為正弦波，通過變壓器疊加在母線上，使輸出電壓保持正弦波形。例如，當變壓器變比為10：1時，可實現臺區全負荷的額定電壓±10%範圍的電壓調節。變壓器T只需10%的單相額定容量，因此變壓器體積較小；附圖3所示的整流橋、H橋等半導體變流器部分為全固態設計，輸出電流僅為額定電流的10%，體積也非常小。
對於400KVA的臺區變，每相電流600A，在額定調整狀態下，每相的變流器部分的損耗約為350W，每相的串聯變壓器損耗預計為400W，三相的總損耗2.25KW，相對於400KW的總容量，損耗所佔的比率為5.6‰，可見調節效率較高。而目前城區的臺區變平均負荷率都低於30%，在此條件下變流器損耗大約和電流成正比，不超過100W；串聯變壓器的損耗和電流的平方成正比，不超過50W，三相總損耗不超過500W。綜上所述，本發明能穩定變壓器的輸出電壓，對每相的電壓單獨調節，具備一定的不平衡電壓的調節功能；最大限度的減少變壓器的損耗，較大程度縮小裝置的重量與體積，提高裝置的使用壽命。
如附圖4所示，本發明可在變壓器副邊設置旁路接觸器（K1）與備用接觸器（K2）。當臺區變的電壓處在正常範圍時，將旁路接觸器（K1）觸點吸合，變流器部分停止工作，不產生損耗，而補償變壓器（T）也不產生鐵損僅產生銅損，使得系統總損耗進一步降低(不足千分之三)。旁路接觸器（K1）承擔100%總電流，主迴路電流直接通過觸點，不會產生較大的發熱，變壓器的容量進一步縮小，可使產品更加小型化，且雙觸點的使用提高了可靠性。
如圖5所示，本發明在電壓輸入部分設置一個由電阻（R）與第三電容（C3）組成的阻容降壓電路，利用第三電容（C3）在交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流，利用容抗限流。電容器實際上起到一個限制電流和動態分配電容器和負載兩端電壓進行降壓的作用，使加在整流橋的二極體上的電壓與電流在一定程度上減小，使得開關器件上的損耗減小，提高裝置的使用壽命。電路結構簡單，成本低廉，佔用空間小。