Research on Intelligent Series-compensative High-power AC Regulator

Abstract: A series-compensative method is proposed in this paper to solve the problem in common-used parallel method for AC regulator, in which there exists a significant difference between standard capacity and admissible loading. The electromagnetic component acts as current inductor as well as voltage transformer, so the intelligent synchronized compensation among voltage, current and phase can be realized in the proposed method.

Keywords: AC Regulator; Series-compensative; Compensation Module; Inverting Module

摘要：针对目前采用并联接入式交流稳压电源存在的稳压电源标准容量和允许带负荷容量差别较大的问题，提出了串联补偿的接入方式，使电磁元件既做电压变压器又做电流互感器。实现了电压、电流及其相位的智能化跟踪补偿。

关键词：交流稳压电源；串联补偿；补偿模块；换向模块

1 引言

众所周知，交流电网的容量不是无穷大的，而电力负荷又是随机变化的，这必然造成用电设备端口电压的不稳定。但任何用电设备为使其达到最佳运行模式，都有额定电压（标称电压）的明确规定。这种供与求的矛盾只能由交流稳压电源来解决。

交流稳压电源自诞生以来，经历了不同的发展阶段。但无论如何变化，它们都有一个共同特点：采用并联接入方式和供电网相接。交流稳压电源的调节环节，在电源技术中称补偿环节，也称补偿模块，与交流稳压电源的主体相串联，利用电压负反馈实现自动稳压的目的。因补偿模块与稳压电源主体串联，所以说补偿模块也和电网并联，此种模式统称为并联补偿式交流稳压电源。当电网电压正好等于用电器额定电压时，补偿模块作用为零，当电网电压高于或低于用电器额定电压时，则补偿模块按相反极性和主体串联，使输出电压稳定。

该类交流稳压电源属于模拟控制方式，稳压精度比较高，通常可以实现1％的精度，这是它的一个明显优点。但该类稳压电源标准容量和允许带负荷容量差别很大，如标称10kVA的交流稳压电源只允许带60％～70％的负荷。而且当空载时，它消耗激励功率，使其工作效率偏低。针对并联补偿式交流稳压电源的上述缺点我们提出并设计了串联补偿式交流稳压电源。

2系统结构

在基于串联电容补偿无功功率的理论而提出的串联补偿式交流稳压电源中，补偿模块与负荷串联，起稳压的作用。当负荷电流为零时，与之串联的补偿模块自然也不消耗电能。系统结构框图如图（图1）所示。

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采样、运算与逻辑控制采用AT89C51实现。为提高其可靠性，与大功率器件构成的换向模块之间采用光耦进行隔离。串联补偿模块使用既有变压器变压功能，又有电流互感器功能的铁磁元件。

3主电路

主电路包括串联补偿模块和换向模块，其电路如图（图2）所示。

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根据补偿电压范围要求，系统采用分组补偿的方式。图2中，T1、T2、T3分别为极性可单独改变的电压补偿模块，其补偿电压分别为输出电压的3％，6％，12％。经串联组合可得补偿值为0％、3％、6％、9％、12%、15%、18%、21%，共计15档。当输入电压在174V～266V之间变化时，都能使输出电压稳定在220V3％的范围内。

设I1、I2、I3分别是流过T1、T2、T3的电流有效值，也就是流过双向晶闸管桥臂的电流，I4=I1+I2+I3。设IL为负荷电流，IL 与I4之比就是补偿模块做为电流互感器功能时的变比。当补偿值达到最大时，IL/I4=1/0.21。

换向模块中S1～S8选用双向晶闸管,其耐压值应大于800V，实际可选耐压值为1000V～1200V。每支桥臂通过的电流不同，从右向左各桥臂通过电流之比为1：2：4：7。当用做小容量稳压电源时，四个桥臂可选相同参数的晶闸管，当用做大容量稳压电源时，要按具体需求分档选用晶闸管。

4换向控制

4.1控制过程

换向模块的控制在串联补偿式交流稳压电源中起着非常关键的作用。系统工作时，输出电压经变压、整流、滤波后进行A/D转换。采样部分采用平均值法可以消除部分电源干扰。采样值与要求达到电压值所对应的数据比较，确定调压比。根据调压比查找桥臂工作状态表（表1）得到晶闸管组的控制数据。经光电隔离后驱动晶闸管组实现所要求的调压状态。

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桥臂工作状态表中，状态值为“1”的晶闸管导通，状态值为“0”的晶闸管关断。工作中，系统以输出电压的取样值作为动态调整桥臂工作状态的依据。为避免因输出电压变化导致换向过程出现振荡，采样时刻要比换向时刻适当滞后，以保证得到电压稳定输出值。若因电网或负载变化造成电压波动需二次调节时，系统采用增量调节的方式，即综合原调压比和新采样值，计算得到调压比的变化量，从原状态跳至新的工作状态，以尽量减小输出电压的波动。

4.2互锁与强制导通

系统工作时，同一桥臂上两支晶闸管要避免直通，需互锁。同时，若同一桥臂上的两支晶闸管都截止且超过一定时间，如超过500μS～1000μS，就会引起电流互感器副边开路，导致副边电压过高而发生事故。为防止事故发生，必须增加强制导通环节，以保证每一瞬间同一桥臂上的两支晶闸管总有一支处于导通状态。

以晶闸管S1、S2构成的桥臂为例，设计互锁与强制导通电路结构如图（图3）所示。系统工作中，从桥臂工作状态表查找得到晶闸管组的控制数据后，将同一桥臂的两个晶闸管S1、S2的控制位综合为一位的桥臂控制信号，两个晶闸管的控制信号之间始终保证“非”的逻辑关系，以避免直通。

设计晶闸管状态提取与隔离电路，当晶闸管关断时，将信号“1”送至同一桥臂的另一晶闸管的或门，与CPU发出的控制信号形成“或”的逻辑关系。当某晶闸管因故障不能正常导通时，其反馈信号控制同一桥臂的另一晶闸管导通，确保桥臂不会全截止。

电流互感器的应用保证了电流过零换向；用互锁电路防止桥臂直通；用强制导通电路确保了桥臂不会全截止。以上技术的综合运用，从根本上保证了换向模块的可靠性。

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5结束语

本研究利用电力电子和微电子技术，将电磁元件既做电压变压器又做电流互感器，在不外加电源的情况下实现了电压、电流及相位的跟踪补偿。尤其提出以串联补偿方式实现，比传统的并联补偿方式大大降低了单位功率的贵重材料消耗，且具有调节时间短，对电力系统无污染等优点。该方式可用于单相交流稳压电源，也可以做成三相交流稳压电源，稳压精度的设计基本不受限制（只要不高于±0.1%）。