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晶闸管高压自动调压装置在配电网中的应用研究
琚泽立1，吴玲2，武佳3，蒲路1，赵学风1 (1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安700100； 2.西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077；3.西安森宝电气工程有限公司，西安710119)
摘 要：针对冲击性负荷造成配电网电压波动的问题，提出了一种基于晶闸管开关控制技术的电压调节装置——晶闸管高压自动调压装置（thyristor voltage regulator，TVR)。首先分析了TVR工作原理、主回路和功能，然后介绍了装置中晶闸管的控制时序，最后给出了某变电站一条10kV线路安装TVR后的仿真结果与现场运行效果。结果表明，提出的晶闸管高压自动调压装置可在具有冲击性负荷的工况下很好地稳定电压，提高电压质量。 关键词：冲击性负荷；配电网；晶闸管；电压调节；TVR
0 引言 电压质量对电网稳定、电力设备安全、线路损耗及居民生活用电都有影响。目前，中国配电网电压质量不合格现象非常普遍，部分电网线路供电半径满足国家规定，但容载比低，特别是具有冲击性(快速变动)功率负荷，例如炼钢电弧炉、轧钢机、电弧焊机等，该类负荷在生产过程中有功和无功功率随机地或周期性地大幅度变动，造成电网电压波动剧烈。同时分布式发电系统的迅猛发展，其输出功率受自然环境的影响，具有不确定性，这将加剧电网电压的波动，对配电网的安全稳定运行具有一定的影响。 对于上述场合造成电网电压大幅度、频繁波动的问题，常规的调压技术手段难以解决。需采用专门针对该类问题的调压设备，为此提出一种晶闸管高 压自动调压装置(thyristor voltage regulator,TVR),应用于中压配电线路,保证电网电压在允许的范围内波动，提高配电网电压合格率。
1 传统高压自动调压装置 目前市场上应用最多的调压器为机械式有载分接开关的高压调压装置，由于是机械设备，机械接触部分容易磨损，寿命有限、动作次数受限，当使用时触头拉弧还会污染变压器绝缘油，需要定期维护，使用真空有载分接开关时虽然触头不拉弧，但是触头磨损产生的铜屑也使得设备需要定期维护；而且响应速度慢且不能无时间差连续调节，不适合应用在电压波动怏、波动频繁的负荷场合。有载分接开关自动调压装置与晶闸管高压自动调压装置各项目的对比见表1:可看出晶闸管高压自动调压装置的优势所在。
表1 两种线路高压调压设备对比
2 晶闸管高压自动调压装置 2.1结构及设计原理 晶闸管高压自动调压装置(TVR)的结构原理图见图1。采用的是桥式开关补偿电路，主要由智能控制器、组合式变压器和晶闸管无触点静止有载分接开关组成。组合式变压器是由串联变压器和并联变压器组成。晶闸管无触点静止有载分接开关是由晶闸管、晶闸管触发单元和晶闸管保护单元组成。
图1 TVR装置结构原理图
由图i可以看出，串联变压器的二次侧串联在 馈电线路中，其一次侧通过静止有载调压装置与并 联变压器相连。智能控制器采集输出电压，判断是 否偏离稳压范围，并确定目标档位，然后向晶闸管 触发单元发出控制指令，触发相应档位的晶闸管导 通，从而改变并联变压器的变比，使得并联变压器的电压反馈到串联变压器上，达到调节输出电压的目的。其原理通过式（1）可表示，其中∆U
根据并联变压器变比k1与串联变压器k2，可进一步得到（2）—（4）。
通过式（3）可得出输出电压与输入电压的比值k,如式（4）所示。可以看出，通过调整k1、k2变化大小，就可以改变输出电压Uout。其中串联变压器变比k2为一定值，变比k1可通过改变并联变压器二次侧抽头位置，得到不同的值。 2.2主电路及工作过程
TVR装置主电路见图2。它主要由串联变压器、并联变压器、过渡电路以及由6组正反并联的晶闸管组成的三桥臂电路构成,其中晶闸管三桥臂电路与并联变压器的3个抽头连接，共同构成一个7档调压快速调压装置。开关挡位与补偿电压、输人电压范围的对应关系见表2。其中为基准电压值，∆Ufw
并联变压器档位选择的控制策略通过控制器实时监测TVR输出电压Uout的大小进行计算判断，确定目标档位。首先判断输出电压，若Uout>(Uzjz+∆Ufw
表2 TVR装置调压档位切换表
换挡过程中需考虑很多因素影响如换挡过程时序错乱，若当前挡位对应的晶闸管还没有完全断开，目标档位对应的晶闸管已经触发导通，会造成并联变压器二次侧部分或全部短路，较大的短路电流会冲击变压器本体及晶闸管，甚至烧毁器件。因此，需要合理的设计换挡过渡过程的时序。晶闸管属于半控器，在TVR中，其作为有载分接开关使用，可以控制其导通时刻，当需要转换导通晶闸管时，撤去其触发信号，使其在电流过零时刻自然关断。为了避免出现在当前档位对应的晶闸管还没有完全断开时，目标档位的晶闸管已经鲑发导通的现象，增加了过渡电路，如图2所示，在换挡过程中，先将过渡电路导通，对采样电流信号进行 过零检测，判断当前电流状态，当确定当前电流已经为零时，再触发相应的目标档位的晶闸管导通，最后撤掉过渡电路，这样可以避免短路现象出现。
3 TVR应用 某变电站一条10kV线路，线路的具体参数见表3。整条线路大部分负荷集中在线路后端分支线上，且有大型电机型负荷，考虑线路最极端的运行状态，即当线路负荷电流达到全年峰值(180A)，结合相应的变压器、导线、负荷等参数建立节点导纳矩阵，采用牛顿-拉夫逊法对其进行潮流计算，其潮流仿真模型见图3。经反复迭代可得出线路各节点的电压结果，见表4。从表4可以看出，该线路中后段电压不满足国标，最低达到8.99kV，需对该线路的电压进行治理。
表3 10kV线路参数表
图3 无调压装置时线路电压仿真结果示意图
表4 无调压装置时时线路电压仿真结果
为使整条线路电压符合国标GB/T 12325—2008供电电压偏差标准规定:20kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%.在线路主干线中后段，19-170号杆附件安装该TVR装置，技术指标见表5。其中TVR装置容量可根据电网负荷的实际需求计算而得，可取任意大小容量，电压调整范围也可根据电网电压波动的实际需求而定。 对于该10kV线路的19-170号杆(设备安装点处)，对无调压设备、安装传统机械式有载分接开关的调压装置与安装TVR装置在电机启动过程中的调压效果进行对比，见图4。
表5 TVR装置样机技术指标
图4 电机启动过程中的调压效果对比
图4(a)电机启动过程中，线路电压急速下降为8.80 kV,电机在12s启动成功后，电压稳定在9.15kV;图4(b)中，安装传统机械式有载分接开关的调压装置后，电机启动过程中，线路电压急速下降为9.50 kV,电机在10s启动成功后，电压稳定在10.10 kV，由于传统调压器调节速度慢，在电机启动期间并没有调压动作；图4(c)中，安装TVR装置后，电机启动过程中，线路电压急速下降为9.50kV，调压器 迅速把电压调至10kV，电机在8s启动成功后，线路电压急速上升到10.50kV,调压器再次把电压调制10.10 kV。可以看出，TVR装置对于有电机型冲击负荷的线路，调压效果更好。 对该线路安装TVR装置，进行仿真分析，仿真图见图5。
图5 有TVR调压时线路电压仿真结构示意图
其结果见表6。 从表6可以看出，线路各个节点处的电压都处在合格范围内，线路末端电压从8.99 kV调至9.98kV，很好地解决了电压低问题。
表6 有TVR调压时线路电压仿真结果
针对上述仿真分析结果，依据图2所示TVR主电路和该条线路的调压要求，按照表2的技术指标，研制了一套10 kV系统电压调节的样机，并在该线路挂网运行，其安装点某一天的输人输出电压波形见图6。从图6可以看出，TVR提高了线路定压，运行效果良好。
图6 TVR现场运行输入输出电压波形
4 结语 通过对某变电站10 kV线路低电压问题的仿真 分析以及对有载分接开关自动调压装置与晶闸管 高压自动调压装置在电机启动过程中调压效果的 对比分析，验证TVR装置针对有冲击性负荷工况调压的可行性，并且样机在该线路已挂网运行，运行良好，调压效果显著。晶闸管高压自动调压装置在配电网的应用可总结如下：TVR装置调压速度快，可频繁操作，可有效解决长线路低电压、易发生电压骤变、且对电压稳定度要求高的场合，对提高智能配电网的供电质量，具有良好的市场应用前景。 |
为允许的正电压波动值。
