專(zhuān)利名稱(chēng)：電力線(xiàn)路用電子變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種可以實(shí)現(xiàn)多種功能的輸配電裝置，屬于電力電子在電力系 統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電力變壓器自19世紀(jì)被發(fā)明以來(lái)，已經(jīng)成為輸配電系統(tǒng)的基本組成設(shè)備。傳 統(tǒng)的電力變壓器雖然具有制作工藝簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但其僅能實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí) 變換和絕緣隔離，功能比較單一，且由于變壓器原副邊存在電磁耦合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)變 壓器兩側(cè)故障電流、電壓的隔離，限制故障范圍；無(wú)法實(shí)現(xiàn)變壓器兩惻畸變電流、 干擾電壓的隔離， 一方面導(dǎo)致敏感負(fù)荷受到影響，另一方面造成電網(wǎng)污染；此外當(dāng) 變壓器還存在勵(lì)磁涌流、并列運(yùn)行負(fù)荷分配不均和環(huán)流、絕緣油污染環(huán)境等問(wèn)題。
為此上世紀(jì)70年代電力電子變壓器(PET-Power electronic transformer) 的概念被提出，PET是利用電力電子換流技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓變換和能量傳遞的。其突出 特點(diǎn)是通過(guò)電壓型變換器(VSC)對(duì)其原副邊交流側(cè)電壓、電流的幅值和相位進(jìn)行連 續(xù)可控調(diào)節(jié)。因此，PET不僅可以克服傳統(tǒng)變壓器的缺陷，還可以解決電力系統(tǒng)面 臨的電磁環(huán)網(wǎng)、電能質(zhì)量、無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限等問(wèn)題。
因此，隨著電力電子器件水平和高頻變壓器材料的發(fā)展，電力電子變壓器必將 會(huì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)變壓器而在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型的目的是提出一種電力線(xiàn)路用電子變壓器，不僅實(shí)現(xiàn)傳 統(tǒng)變壓器的電壓變換、電壓隔離、能量傳遞的簡(jiǎn)單功能，還能實(shí)現(xiàn)其它一些適應(yīng)電 力系統(tǒng)需要的新型功能。
技術(shù)方案本實(shí)用新型提出的電力線(xiàn)路用電子變壓器三相結(jié)構(gòu)相同且獨(dú)立，每 相釆用三級(jí)構(gòu)成方案，即輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸出級(jí)。輸入級(jí)由多組相同的功率變換 器級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)功率變換器的交流側(cè)連接一電抗器，直流側(cè)連接有中間抽頭的直 流儲(chǔ)能電容；隔離級(jí)包括高頻DC/AC環(huán)節(jié)、高頻變壓器、高頻AC/DC環(huán)節(jié)；輸出級(jí)
3由多組逆變功率變換器構(gòu)成，各逆變功率變換器的直流側(cè)共用輸出級(jí)直流儲(chǔ)能電容， 各逆變功率變換器的交流側(cè)還串聯(lián)一 LC濾波器。 該電力線(xiàn)路用電子變壓器的連接方式如下
該裝置中的三相結(jié)構(gòu)相同且獨(dú)立，每相釆用三級(jí)構(gòu)成，即輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸 出級(jí)；輸入級(jí)由多個(gè)相同的功率變換器級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)功率變換器的交流側(cè)連接一 電抗器，直流側(cè)連接相應(yīng)的直流儲(chǔ)能電容；隔離級(jí)包括高頻DC/AC環(huán)節(jié)、高頻變壓 器、高頻AC/DC環(huán)節(jié)；輸出級(jí)由多個(gè)逆變功率變換器構(gòu)成，其直流側(cè)共用輸出級(jí)直 流儲(chǔ)能電容，每個(gè)逆變功率變換器交流側(cè)還對(duì)應(yīng)連接一LC濾波器；其中，輸入級(jí)級(jí) 聯(lián)的功率變換器數(shù)與隔離級(jí)的高頻變壓器數(shù)相等；輸入級(jí)每個(gè)功率變換器的直流側(cè) 和對(duì)應(yīng)隔離級(jí)的高頻DC/AC環(huán)節(jié)的直流側(cè)分別連接到對(duì)應(yīng)的直流儲(chǔ)能電容(3)兩端， 而直流儲(chǔ)能電容中點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的高頻變壓器的高壓惻非同名端連接；隔離級(jí)的高頻 AC/DC環(huán)節(jié)的直流惻輸出連接到輸出級(jí)直流儲(chǔ)能電容，隔離級(jí)各高頻變壓器低壓側(cè)
的非同名端分別連接到輸出級(jí)直流儲(chǔ)能電容的中點(diǎn)；經(jīng)過(guò)上述連線(xiàn)后，輸入級(jí)的相
應(yīng)功率變換器、對(duì)應(yīng)隔離級(jí)的高頻DC/AC環(huán)節(jié)、高頻變壓器及高頻AC/DC環(huán)節(jié)組成 一個(gè)髙壓/隔離變換器，而一個(gè)多功能電力電子變壓器的每相就有多個(gè)這樣的高壓/
隔離變換器組成；最后，輸出級(jí)由多個(gè)相同的逆變功率變換器并聯(lián)組成，各逆變功
率變換器輸出端連接 一個(gè)相應(yīng)LC濾波器作為輸出。
所述的輸入級(jí)使用功率變換器級(jí)聯(lián)而成；隔離級(jí)的髙頻DC/AC環(huán)節(jié)和高頻AC/DC 環(huán)節(jié)均采用單相半橋電路；輸出級(jí)采用逆變功率變換器并聯(lián)組成多路輸出。
所述的輸入級(jí)采用級(jí)聯(lián)拓?fù)洌瑹o(wú)需利用變壓器耦合就可直接輸入高壓，輸出級(jí)采 用三相電壓源型的逆變功率變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足低電壓大電流的需要。 所述的輸出級(jí)采用三相三橋臂結(jié)構(gòu)時(shí)適用于三相三線(xiàn)制系統(tǒng)，而采用三相四橋臂
結(jié)構(gòu)時(shí)則適用于三相四線(xiàn)制系統(tǒng)；能夠?qū)崿F(xiàn)三相電壓源型逆變功率變換器并聯(lián)多路 輸出，滿(mǎn)足不同負(fù)載要求，特別是敏感負(fù)載的需要。
有益效果本實(shí)用新型的電力線(xiàn)路用電子變壓器，除了具備傳統(tǒng)電力電子變壓 器的優(yōu)點(diǎn)外，相對(duì)于目前國(guó)內(nèi)外所提出的設(shè)計(jì)方案，還具有如下的功能 1.本電力線(xiàn)路用電子變壓器可以實(shí)現(xiàn)多路輸出的功能，當(dāng)作為降壓變壓器使用時(shí)，
可通過(guò)改變輸出級(jí)并聯(lián)功率逆變變換器數(shù)來(lái)改變輸出的路數(shù)，從而滿(mǎn)足各種不同
負(fù)荷特性的需求。
本電力線(xiàn)路用電子變壓器三相變換器結(jié)構(gòu)相同且獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)三相的自平衡;
同時(shí)通過(guò)高功率因數(shù)整流、逆變可以實(shí)現(xiàn)原副邊的電壓電流的準(zhǔn)同相位，提高功率因數(shù)。
2. 本電力線(xiàn)路用電子變壓器接在配電系統(tǒng)中， 一方面通過(guò)調(diào)節(jié)其交流側(cè)電壓、電流
的幅值和相位，解決電壓暫降/暫升、諧波、波動(dòng)與閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題；另 一方面，通過(guò)其交-直-交環(huán)節(jié)，及高頻變壓器隔離，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和供電系統(tǒng) 之間的干擾隔離，抑制諧波，改善電網(wǎng)電氣環(huán)境。
3. 本電力線(xiàn)路用電子變壓器以串聯(lián)或并聯(lián)等形式接入系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)時(shí)，起到SSSC和 STATCOM的作用，因此能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定極限，增加聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的傳送功率。
4. 本電力線(xiàn)路用電子變壓器的原副邊交流側(cè)電壓、電流的幅值和相位可進(jìn)行連續(xù)可 控調(diào)節(jié)，因此可以調(diào)整所在線(xiàn)路的等效電氣阻抗，提高電網(wǎng)建設(shè)初期的電磁環(huán)網(wǎng) 斷面的暫態(tài)穩(wěn)定極限。
5. 本電力線(xiàn)路用電子變壓器不僅原副邊交流側(cè)電壓、電流的幅值和相位進(jìn)行連續(xù)可 控調(diào)節(jié)，并且交直流兼有，故有利于太陽(yáng)能、風(fēng)力及小水電等電壓或頻率波動(dòng)較 大且交直流兼有的分布式電源接入電網(wǎng)。
6. 本電力線(xiàn)路用電子變壓器所使用的大功率電力電子器件可瞬時(shí)(us級(jí))關(guān)斷， 因此電力電子變壓器采用控制方法，可實(shí)現(xiàn)故障電流限制作用。
7. 本電力線(xiàn)路用電子變壓器利用全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)控,便于數(shù)字化變電站實(shí) 施，同時(shí)可以通過(guò)自身的保護(hù)和監(jiān)控，省去老式的繼電保護(hù)裝置。


圖1表示電力線(xiàn)路用電子變壓器單相整體原理框圖， 圖2表示電力線(xiàn)路用電子變壓器三相整體原理框圖。
以上的圖中有功率變換器l、電抗器2、直流儲(chǔ)能電容3、高頻DC/AC環(huán)節(jié)4、 高頻變壓器5、高頻AC/DC環(huán)節(jié)6、逆變功率變換器7、輸出級(jí)直流儲(chǔ)能電容8、 LC 濾波器9。
具體實(shí)施方式
本電力線(xiàn)路用電子變壓器采用高壓側(cè)級(jí)聯(lián)、低壓側(cè)并聯(lián)的技術(shù)方案，三相結(jié)構(gòu) 獨(dú)立且相同，其某一相的電路拓?fù)淙鐖Dl所示，整體結(jié)構(gòu)分為三級(jí)輸入級(jí)、隔離 級(jí)、輸出級(jí)。輸入級(jí)由多組功率變換器級(jí)聯(lián)而成，級(jí)聯(lián)數(shù)目由電壓等級(jí)和所選用的 電力電子器件水平所決定(如高壓惻電壓10kV，開(kāi)關(guān)器件1200V/600A時(shí)，需要 13個(gè)變換器級(jí)聯(lián))。每個(gè)級(jí)聯(lián)的功率變換器為由四只全控型器件組成的單相全控橋，每個(gè)單相全控橋的交流惻串聯(lián)一個(gè)電抗器以實(shí)現(xiàn)交流側(cè)諧波抑制。單相全控橋變換 器的直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)之間并聯(lián)一定容量電容器組，電容器組的中點(diǎn)和隔離環(huán)節(jié)中 高頻變壓器的非同名端連接。
本電力線(xiàn)路用電子變壓器的隔離級(jí)分為三個(gè)組成部分高頻DC/AC環(huán)節(jié)、高頻 變壓器，高頻DC/AC環(huán)節(jié)。高頻DC/AC環(huán)節(jié)將輸入的直流電壓調(diào)制成1-10kHz的高 頻信號(hào)，高頻AC/DC環(huán)節(jié)則將高頻變壓器輸出的高頻交流信號(hào)還原為直流。高頻變 壓器主要完成電壓變換和隔離的作用，其體積和頻率成反比，而損耗和頻率成正比， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照高頻信號(hào)的頻率和允許的損耗綜合設(shè)計(jì)。隔離級(jí)靠近高壓惻部分由與 輸入級(jí)級(jí)聯(lián)數(shù)目相同的單相半橋型變換器組成，每個(gè)變換器均為由兩只全控型開(kāi)關(guān) 器件組成的單相半橋，其兩端接線(xiàn)和輸入級(jí)的相應(yīng)端線(xiàn)相連；隔離級(jí)靠近低壓側(cè)部 分的變換器也為由兩只全控型開(kāi)關(guān)器件組成的單相半橋，其數(shù)目也和高壓側(cè)級(jí)聯(lián)的 單相全橋型功率變換器數(shù)目相同，該單相半橋變換器的直流側(cè)輸出連接輸出級(jí)直流 儲(chǔ)能電容器，而電容器的中點(diǎn)和高頻變壓器的副邊非同名端相連；與高頻DC/AC環(huán) 節(jié)的直流側(cè)獨(dú)立不同的是，所有高頻AC/DC環(huán)節(jié)共用一個(gè)直流側(cè)；隔離級(jí)中間的髙 頻變壓器為獨(dú)立的單相變壓器，其數(shù)量也和高壓惻級(jí)聯(lián)的單相全橋型功率變換器數(shù) 目相同。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好處是輸入級(jí)的一個(gè)功率變換器和對(duì)應(yīng)隔離級(jí)可以組成一 個(gè)高壓/隔離變換器，便于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)。
本電力線(xiàn)路用電子變壓器的輸出級(jí)由多組逆變功率變換器組成，該逆變功率變 換器可以為由六只全控型器件組成的三相三橋臂變換器，也可以為由八只全控型器 件組成的三相四橋臂變換器，逆變功率變換器的直流側(cè)的兩端線(xiàn)與隔離變壓器靠近 低壓側(cè)的直流側(cè)端線(xiàn)對(duì)應(yīng)連接，交流側(cè)還串聯(lián)LC濾波電路。
所述的電力線(xiàn)路用電子變壓器,輸入級(jí)使用單相全橋型的功率變換器級(jí)聯(lián)而成； 隔離級(jí)的高頻DC/AC環(huán)節(jié)和高頻AC/DC環(huán)節(jié)均釆用單相半橋電路；輸出級(jí)采用三相
電壓源型的逆變功率變換器并聯(lián)組成多路輸出，各路輸出的開(kāi)關(guān)器件可以選用不同
的電力電子器件，實(shí)現(xiàn)不同需要的輸出。
所述的電力線(xiàn)路用電子變壓器，輸入級(jí)每個(gè)變換器交流側(cè)均串聯(lián)了一個(gè)電抗器。 所述的電力線(xiàn)路用電子變壓器，輸入級(jí)采用級(jí)聯(lián)拓?fù)湟詽M(mǎn)足高電壓小電流的需
要，輸出級(jí)采用三相電壓源型逆變功率變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足低電壓大電流或多種
不同特性負(fù)載的需要。
所述的電力線(xiàn)路用電子變壓器，輸出級(jí)采用三相三橋臂結(jié)構(gòu)時(shí)適用于三相三線(xiàn)
制系統(tǒng)，也采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)時(shí)適用于三相四線(xiàn)制系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.一種電力線(xiàn)路用電子變壓器，其特征在于該裝置中的三相結(jié)構(gòu)相同且獨(dú)立，每相采用三級(jí)構(gòu)成，即輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸出級(jí)；輸入級(jí)由多個(gè)相同的功率變換器(1)級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)功率變換器的交流側(cè)連接一電抗器(2)，直流側(cè)連接相應(yīng)的直流儲(chǔ)能電容(3)；隔離級(jí)包括高頻DC/AC環(huán)節(jié)(4)、高頻變壓器(5)、高頻AC/DC環(huán)節(jié)(6)；輸出級(jí)由多個(gè)逆變功率變換器(7)構(gòu)成，其直流側(cè)共用輸出級(jí)直流儲(chǔ)能電容(8)，每個(gè)逆變功率變換器交流側(cè)還對(duì)應(yīng)連接一LC濾波器(9)；其中，輸入級(jí)級(jí)聯(lián)的功率變換器(1)數(shù)與隔離級(jí)的高頻變壓器(5)數(shù)相等；輸入級(jí)每個(gè)功率變換器的直流側(cè)和對(duì)應(yīng)隔離級(jí)的高頻DC/AC環(huán)節(jié)(4)的直流側(cè)分別連接到對(duì)應(yīng)的直流儲(chǔ)能電容(3)兩端，而直流儲(chǔ)能電容(3)中點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的高頻變壓器的高壓側(cè)非同名端連接；隔離級(jí)的高頻AC/DC環(huán)節(jié)(6)的直流側(cè)輸出連接到輸出級(jí)直流儲(chǔ)能電容(8)，隔離級(jí)各高頻變壓器低壓側(cè)的非同名端分別連接到輸出級(jí)直流儲(chǔ)能電容(8)的中點(diǎn)；經(jīng)過(guò)上述連線(xiàn)后，輸入級(jí)的相應(yīng)功率變換器、對(duì)應(yīng)隔離級(jí)的高頻DC/AC環(huán)節(jié)、高頻變壓器及高頻AC/DC環(huán)節(jié)組成一個(gè)高壓/隔離變換器，而一個(gè)多功能電力電子變壓器的每相就有多個(gè)這樣的高壓/隔離變換器組成；最后，輸出級(jí)由多個(gè)相同的逆變功率變換器并聯(lián)組成，各逆變功率變換器輸出端連接一個(gè)相應(yīng)LC濾波器作為輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的電力線(xiàn)路用電子變壓器,其特征在于所述的輸入級(jí)使用 功率變換器級(jí)聯(lián)而成；隔離級(jí)的高頻DC/AC環(huán)節(jié)和高頻AC/DC環(huán)節(jié)均采用單相半橋 電路；輸出級(jí)采用逆變功率變換器并聯(lián)組成多路輸出。
3. 如權(quán)利要求l所述的電力線(xiàn)路用電子變壓器，其特征在于所述的輸入級(jí)采用 級(jí)聯(lián)拓?fù)?，無(wú)需利用變壓器耦合就可直接輸入髙壓，輸出級(jí)采用三相電壓源型的逆 變功率變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足低電壓大電流的需要。
4. 如權(quán)利要求l所述的電力線(xiàn)路用電子變壓器，其特征在于所述的輸出級(jí)采用 三相三橋臂結(jié)構(gòu)時(shí)適用于三相三線(xiàn)制系統(tǒng)，而采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)時(shí)則適用于三相四線(xiàn)制系統(tǒng)；能夠?qū)崿F(xiàn)三相電壓源型逆變功率變換器并聯(lián)多路輸出，滿(mǎn)足不同負(fù)載要求，特別是敏感負(fù)載的需要。
專(zhuān)利摘要電力線(xiàn)路用電子變壓器分為三級(jí)輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸出級(jí)。輸入級(jí)采用H橋級(jí)聯(lián)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng)輸入為不同電壓等級(jí)的需要；隔離級(jí)采用多個(gè)高頻變壓器并聯(lián)形式，隔離環(huán)節(jié)的DC/AC高頻調(diào)制、AC/DC高頻解調(diào)均采用單相全控半橋結(jié)構(gòu)以節(jié)省開(kāi)關(guān)器件；輸出級(jí)由并聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)三相電壓源變換器組成，可以根據(jù)負(fù)載的需要實(shí)現(xiàn)多路輸出，輸出級(jí)變換器還連接LC濾波器，以提高電壓電流波形質(zhì)量。整個(gè)裝置全部采用成熟的功率器件，輸入級(jí)級(jí)聯(lián)的每一層和相應(yīng)隔離級(jí)可以組合成一個(gè)變換器，便于變換器化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)。該裝置除了能完成傳統(tǒng)變壓器電壓變換、隔離及能量傳遞的簡(jiǎn)單功能，還能實(shí)現(xiàn)其它一些適應(yīng)電力系統(tǒng)需要的新型功能。
文檔編號(hào)H02M1/12GK201369679SQ20092003614
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者倪喜軍, 趙劍鋒, 閆安心, 華 黃 申請(qǐng)人:東南大學(xué)