1.2.4 電子式有載分接開關(guān)及其保護(hù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

ST是基于多繞組變壓器和有載分接開關(guān)（On-load Tap-changers, OLTC）的技術(shù)，通過改變繞組分接頭的位置可以有選擇性地調(diào)節(jié)輸電線路中的有功功率和無功功率。而有載分接開關(guān)可分為機(jī)械式有載分接開關(guān)（Mechanical On-load Tap-changers, MOLTC）和電子式有載分接開關(guān)（Electronic On-load Tap-changers, EOLTC），OLTC的實(shí)物圖如圖1-6所示。相較于MOLTC, EOLTC在切換過程中能夠?qū)崿F(xiàn)無弧切換、無觸點(diǎn)顫抖，還能避免接觸不良的現(xiàn)象發(fā)生，其切換速度快、體積小、絕緣性能良好，無機(jī)械驅(qū)動，避免了機(jī)械部分的故障，提高了裝置的可靠性。

圖1-6 OLTC的實(shí)物圖

從發(fā)展MOLTC的角度出發(fā)，參考文獻(xiàn)[37]提出了一種能夠?yàn)镾T的補(bǔ)償繞組選擇最佳分接頭組合的新型算法，分析了MOLTC的換級過程，并建立了分接頭在每個換級位置的等效PSCAD/EMTDC模型。在分接頭反相控制策略的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[27]提出了一種改進(jìn)的MOLTC選擇和控制方法，增加了ST控制區(qū)域內(nèi)分接頭可運(yùn)行點(diǎn)的個數(shù)，提高了調(diào)壓精度，并詳細(xì)介紹了新的MOLTC變換算法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。從發(fā)展EOLTC的角度出發(fā)，參考文獻(xiàn)[48]簡要回顧了傳統(tǒng)機(jī)械式分接開關(guān)（Mechanical Tap-changer, MTC）和電子式分接開關(guān)（Electronic Tap-changer, ETC）在分接頭換級過程中的區(qū)別，并在MTC控制模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種適用于ETC的控制模型。參考文獻(xiàn)[46]對機(jī)電混合式OLTC和全電子式OLTC的拓?fù)浜凸ぷ鳈C(jī)理進(jìn)行了分析，闡述了OLTC中電力電子技術(shù)應(yīng)用研究的趨勢和關(guān)鍵問題，為深入發(fā)展EOLTC提供了參考。參考文獻(xiàn)[49-50]提出了變壓器繞組以及ETC的最佳配置標(biāo)準(zhǔn)，包括開關(guān)的數(shù)量、變壓器的繞組和分接頭數(shù)量、最大閉鎖電壓和電壓調(diào)節(jié)的幅值偏差等方面的優(yōu)化，并將所提出的ETC設(shè)計方案應(yīng)用于配電變壓器，通過實(shí)驗(yàn)測試展示了ETC相較于MTC的優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)[51]從整體上論述了OLTC的發(fā)展歷程，系統(tǒng)地比較了MOLTC和EOLTC的優(yōu)缺點(diǎn)（見表1-2），并提出了全電子式分接開關(guān)（Full-electronic Tap-changers, FETC）的分接繞組最佳拓?fù)浜烷_關(guān)配置，分析了FETC中的雙向固態(tài)開關(guān)的換級過程和FETC輸出電壓調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)設(shè)計。參考文獻(xiàn)[52]提出了配電變壓器的EOLTC分析和設(shè)計指南，包括變壓器分接頭的物理布局設(shè)計、換級過程中電流和電壓的暫態(tài)計算，以及EOLTC的選型和保護(hù)電路設(shè)計，并通過串聯(lián)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)。

表1-2 MOLTC和EOLTC的優(yōu)缺點(diǎn)比較

然而，現(xiàn)有關(guān)于EOLTC的研究主要集中在EOLTC的拓?fù)浜烷_關(guān)配置、分接頭控制方案及其在單相變壓器中的應(yīng)用。但將大功率EOLTC應(yīng)用于傳統(tǒng)ST以提高其動態(tài)響應(yīng)速度還需進(jìn)一步研究，才能使其能適用于對動態(tài)調(diào)節(jié)能力、響應(yīng)速度要求較高的應(yīng)用場合。ST是一種基于多繞組變壓器的電磁式統(tǒng)一潮流控制，涉及的繞組和分接開關(guān)數(shù)量較多，需將EOLTC的應(yīng)用進(jìn)一步改進(jìn)和推廣，使其適用于ST。因此，為了提高傳統(tǒng)ST的響應(yīng)速度，本書提出了一類基于EOLTC的擴(kuò)展型SEN Transformer（Extended SEN Transformer, EST）拓?fù)?，該拓?fù)鋵鹘y(tǒng)ST的MOLTC替換為EOLTC。此類EOLTC將共發(fā)射極（反串聯(lián)）連接且與二極管反并聯(lián)連接的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistors, IGBT）用作雙向開關(guān)。IGBT同時兼有電力晶體管GTR和電力MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有驅(qū)動功率小、飽和電壓降低和通態(tài)損耗低的優(yōu)勢，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。隨著高壓大功率電力電子器件、電力電子型變壓器分接開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，此類EST具有可觀的應(yīng)用前景。另外，開關(guān)過程中發(fā)生的快速暫態(tài)過程會引起嚴(yán)重的過電壓，變壓器可能會受到這些過電壓的影響，導(dǎo)致電壓呈現(xiàn)非線性分布。因此，開展EOLTC開關(guān)暫態(tài)過程的分析與研究，對EST的分接開關(guān)選型和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計具有重要意義。

另一方面，從發(fā)展EOLTC保護(hù)系統(tǒng)的角度出發(fā)，參考文獻(xiàn)[55]討論了IGBT的正常開關(guān)操作和短路運(yùn)行的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，并詳細(xì)介紹了為保護(hù)IGBT免受開關(guān)暫態(tài)電壓影響而設(shè)計的一些保護(hù)方案。參考文獻(xiàn)[56]提出了一種在變壓器起動過程中防止一次繞組開路的旁路開關(guān)，該旁路開關(guān)還能在變壓器二次側(cè)發(fā)生短路等故障時導(dǎo)通電流。在參考文獻(xiàn)[57]中提出了一種自換相撬棒電路，以傳導(dǎo)由負(fù)載浪涌和短路引起的過電流，從而避免了過電流流過EOLTC。參考文獻(xiàn)[44]系統(tǒng)地提出了適用于配電變壓器的EOLTC分析和設(shè)計指南，以及EOLTC的選型和保護(hù)電路設(shè)計，并對EOLTC及其保護(hù)電路進(jìn)行了正常和故障運(yùn)行條件下的實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了所提保護(hù)電路的有效性。

保護(hù)系統(tǒng)對于ST的正常運(yùn)行非常重要，但到目前為止還沒有相關(guān)文獻(xiàn)對ST及其變種的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究。針對ST內(nèi)部可能發(fā)生的各種故障與不正常運(yùn)行狀態(tài)，ST及其變種的保護(hù)系統(tǒng)研究亟待進(jìn)一步發(fā)展。因此，為了確保ST的安全運(yùn)行，開展ST及其變種的保護(hù)系統(tǒng)研究工作變得十分重要。