1.2.4 电子式有载分接开关及其保护系统的研究现状

ST是基于多绕组变压器和有载分接开关（On-load Tap-changers, OLTC）的技术，通过改变绕组分接头的位置可以有选择性地调节输电线路中的有功功率和无功功率。而有载分接开关可分为机械式有载分接开关（Mechanical On-load Tap-changers, MOLTC）和电子式有载分接开关（Electronic On-load Tap-changers, EOLTC），OLTC的实物图如图1-6所示。相较于MOLTC, EOLTC在切换过程中能够实现无弧切换、无触点颤抖，还能避免接触不良的现象发生，其切换速度快、体积小、绝缘性能良好，无机械驱动，避免了机械部分的故障，提高了装置的可靠性。

从发展MOLTC的角度出发，参考文献[37]提出了一种能够为ST的补偿绕组选择最佳分接头组合的新型算法，分析了MOLTC的换级过程，并建立了分接头在每个换级位置的等效PSCAD/EMTDC模型。在分接头反相控制策略的基础上，参考文献[27]提出了一种改进的MOLTC选择和控制方法，增加了ST控制区域内分接头可运行点的个数，提高了调压精度，并详细介绍了新的MOLTC变换算法及其实现技术。从发展EOLTC的角度出发，参考文献[48]简要回顾了传统机械式分接开关（Mechanical Tap-changer, MTC）和电子式分接开关（Electronic Tap-changer, ETC）在分接头换级过程中的区别，并在MTC控制模型的基础上进行改进，提出了一种适用于ETC的控制模型。参考文献[46]对机电混合式OLTC和全电子式OLTC的拓扑和工作机理进行了分析，阐述了OLTC中电力电子技术应用研究的趋势和关键问题，为深入发展EOLTC提供了参考。参考文献[49-50]提出了变压器绕组以及ETC的最佳配置标准，包括开关的数量、变压器的绕组和分接头数量、最大闭锁电压和电压调节的幅值偏差等方面的优化，并将所提出的ETC设计方案应用于配电变压器，通过实验测试展示了ETC相较于MTC的优势。参考文献[51]从整体上论述了OLTC的发展历程，系统地比较了MOLTC和EOLTC的优缺点（见表1-2），并提出了全电子式分接开关（Full-electronic Tap-changers, FETC）的分接绕组最佳拓扑和开关配置，分析了FETC中的双向固态开关的换级过程和FETC输出电压调节的控制系统设计。参考文献[52]提出了配电变压器的EOLTC分析和设计指南，包括变压器分接头的物理布局设计、换级过程中电流和电压的暂态计算，以及EOLTC的选型和保护电路设计，并通过串联补偿实现了配电网的电压调节。

然而，现有关于EOLTC的研究主要集中在EOLTC的拓扑和开关配置、分接头控制方案及其在单相变压器中的应用。但将大功率EOLTC应用于传统ST以提高其动态响应速度还需进一步研究，才能使其能适用于对动态调节能力、响应速度要求较高的应用场合。ST是一种基于多绕组变压器的电磁式统一潮流控制，涉及的绕组和分接开关数量较多，需将EOLTC的应用进一步改进和推广，使其适用于ST。因此，为了提高传统ST的响应速度，本书提出了一类基于EOLTC的扩展型SEN Transformer（Extended SEN Transformer, EST）拓扑，该拓扑将传统ST的MOLTC替换为EOLTC。此类EOLTC将共发射极（反串联）连接且与二极管反并联连接的绝缘栅双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistors, IGBT）用作双向开关。IGBT同时兼有电力晶体管GTR和电力MOSFET的优点，具有驱动功率小、饱和电压降低和通态损耗低的优势，在现代电力电子技术中得到广泛应用。随着高压大功率电力电子器件、电力电子型变压器分接开关技术的发展，此类EST具有可观的应用前景。另外，开关过程中发生的快速暂态过程会引起严重的过电压，变压器可能会受到这些过电压的影响，导致电压呈现非线性分布。因此，开展EOLTC开关暂态过程的分析与研究，对EST的分接开关选型和保护系统设计具有重要意义。

另一方面，从发展EOLTC保护系统的角度出发，参考文献[55]讨论了IGBT的正常开关操作和短路运行的保护标准，并详细介绍了为保护IGBT免受开关暂态电压影响而设计的一些保护方案。参考文献[56]提出了一种在变压器起动过程中防止一次绕组开路的旁路开关，该旁路开关还能在变压器二次侧发生短路等故障时导通电流。在参考文献[57]中提出了一种自换相撬棒电路，以传导由负载浪涌和短路引起的过电流，从而避免了过电流流过EOLTC。参考文献[44]系统地提出了适用于配电变压器的EOLTC分析和设计指南，以及EOLTC的选型和保护电路设计，并对EOLTC及其保护电路进行了正常和故障运行条件下的实验测试，验证了所提保护电路的有效性。

保护系统对于ST的正常运行非常重要，但到目前为止还没有相关文献对ST及其变种的保护系统进行研究。针对ST内部可能发生的各种故障与不正常运行状态，ST及其变种的保护系统研究亟待进一步发展。因此，为了确保ST的安全运行，开展ST及其变种的保护系统研究工作变得十分重要。