專利名稱：電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置，屬于電力電子在電力
系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在配電網(wǎng)中，供電線路經(jīng)常會出現(xiàn)各種電壓擾動(dòng)，如電壓跌落，上升，閃變，過電 壓，欠電壓等。對于對電壓敏感的負(fù)荷，如電腦，通訊設(shè)備等，經(jīng)常會造成巨大損失，如珍貴 數(shù)據(jù)的丟失，通訊的中斷等。傳統(tǒng)的伺服式電壓穩(wěn)壓器可以解決供電線路電壓擾動(dòng)的問題， 但是傳統(tǒng)的伺服式電壓穩(wěn)壓器用一個(gè)可調(diào)自耦變壓器和隔離變壓器去對系統(tǒng)注入一個(gè)補(bǔ) 償電壓，這種結(jié)構(gòu)不但動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，而且大的工頻變壓器也是其主要缺點(diǎn)，工頻變壓器 不僅體積大，成本高，而且變換效率低。 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)是通過電壓 型變換器(VSC)對其原副邊交流側(cè)電壓、電流的幅值和相位進(jìn)行連續(xù)可控調(diào)節(jié)。基于電力 電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的自耦變壓器和隔離變壓器的功 能，大大減小了裝置的體積，提高了整體的變換效率。

發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的是提出一種電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置的
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)電壓變換、能量傳遞，還能對輸電線的電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，相比傳統(tǒng)的
穩(wěn)壓器而言大大減小了裝置的體積，降低了損耗，提高了整體的變換效率。
技術(shù)方案本實(shí)用新型公開了一種電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)
器采用三相結(jié)構(gòu)，單相為三級構(gòu)成，即輸入級、隔離級、輸出級；輸入級由第一功率變換器構(gòu)
成；隔離級為高頻變壓器；輸出級由第二功率變換器構(gòu)成；其中，第一功率變換器的輸出端
接高頻變壓器的原邊，高頻變壓器的副邊連接第二功率變換器的輸入端，第二功率變換器
的輸出端連接濾波器的輸入端，濾波器的輸出端接三相供電網(wǎng)絡(luò)。 所述輸入級中第一功率變換器的輸入端星型連接，第一功率變換器并聯(lián)在單相線
路上，第一功率變換器采用橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由第一功率開關(guān)單元、第二功率開關(guān)單元、第三功
率開關(guān)單元、第四功率開關(guān)單元組成，第一功率開關(guān)單元、第二功率開關(guān)單元互補(bǔ)導(dǎo)通后接
高頻變壓器原邊正端，第三功率開關(guān)單元、第四功率開關(guān)單元互補(bǔ)導(dǎo)通后接高頻變壓器原
邊負(fù)端，所述每個(gè)功率開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT和一個(gè)反并聯(lián)二極管并聯(lián)組成。 所述輸出級中第二功率變換器串聯(lián)在單相線路上，第二功率變換器采用橋式拓?fù)?br> 結(jié)構(gòu)由第五功率開關(guān)單元、第六功率開關(guān)單元、第七功率開關(guān)單元、第八功率開關(guān)單元組
成；第五功率開關(guān)單元、第七功率開關(guān)單元的正端接高頻變壓器副邊正端，第六功率開關(guān)單
元、第八功率開關(guān)單元的負(fù)端接高頻變壓器副邊負(fù)端，第五功率開關(guān)單元、第六功率開關(guān)單
元互補(bǔ)導(dǎo)通后接第一輸出濾波電感負(fù)端；第七功率開關(guān)單元、第八功率開關(guān)單元互補(bǔ)導(dǎo)通后接第二輸出濾波電感負(fù)端，所述每個(gè)功率開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT和一個(gè)反并聯(lián)二極管并 聯(lián)組成； 所述濾波器由輸出濾波電容、第一輸出濾波電感、第二輸出濾波電感組成，輸出濾 波電容并接在第一輸出濾波電感、第二輸出濾波電感的同名端，第一輸出濾波電感、第二輸 出濾波電感的同名端接單相線路上。 該裝置中的三相結(jié)構(gòu)相同且獨(dú)立，每一相的結(jié)構(gòu)都是基于AC-AC (交流_交流)型 電力電子變壓器，圖1為基于AC-AC型電力電子變壓器原理框圖。其工作原理為原方將 工頻信號通過電力電子變換器轉(zhuǎn)化為高頻信號，即升頻，然后通過中間高頻隔離變壓器耦 合到副方，再利用電力電子變換器還原成工頻信號，即降頻。通過采用適當(dāng)?shù)目刂品桨竵?控制電力電子裝置的工作，從而將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波 形的電能。將電力電子變壓器應(yīng)用到自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)用中，通過移相控制可以方便 的調(diào)節(jié)輸出端的電壓。該自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置的單相結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用三級構(gòu)成，即輸 入級、隔離級、輸出級；輸入級由功率變換器構(gòu)成，功率變換器采用橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括功率 開關(guān)單，每個(gè)功率開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管連接組成，可以實(shí)現(xiàn)電流雙向流 動(dòng)；隔離級為高頻變壓器，可以減小裝置體積，提高整體效率，實(shí)現(xiàn)電壓變換及能量傳遞的 功能；輸出級由功率變換器構(gòu)成，和輸入級一樣，功率變換器也采用橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括功 率開關(guān)單元，每個(gè)功率開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管連接組成，可以實(shí)現(xiàn)電流雙 向流動(dòng)，輸出級功率變換器還連接濾波器，以提高電壓電流波形質(zhì)量。輸入的交流工頻電壓 經(jīng)過原邊功率變換器調(diào)制為高頻交流電壓，調(diào)制是通過第一功率開關(guān)單元、第二功率開關(guān) 單元、第三功率開關(guān)單元、第四功率開關(guān)單元運(yùn)行在軟開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的，其中第一功率開關(guān) 單元、第二功率開關(guān)單元互補(bǔ)導(dǎo)通，第三功率開關(guān)單元、第四功率開關(guān)單元互補(bǔ)導(dǎo)通。其次， 高頻變壓器原邊高頻調(diào)制電壓耦合至其副邊，然后由副邊與原邊結(jié)構(gòu)完全相同的功率變換 器反調(diào)制，調(diào)制是通過第五功率開關(guān)單元、第六功率開關(guān)單元、第七功率開關(guān)單元、第八功 率開關(guān)單元運(yùn)行在軟開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。輸出的高頻電壓，經(jīng)輸出濾波器濾波將其轉(zhuǎn)換為所 要求的電壓。該自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置的三相結(jié)構(gòu)如圖3所示，由單相結(jié)構(gòu)組合而成，也分為三
級輸入級，隔離級和輸出級。該裝置的輸入級由各個(gè)單相結(jié)構(gòu)的輸入級功率變換器組成， 每相功率變換器的輸入端按照星型連接，工作時(shí)并聯(lián)連接在三相供電網(wǎng)絡(luò)上；隔離級由各
個(gè)單相結(jié)構(gòu)的隔離變壓器組成；輸出級由各個(gè)單相結(jié)構(gòu)的輸出級功率變換器組成，工作時(shí) 各相功率變換器的輸出端串聯(lián)在三相供電網(wǎng)絡(luò)的各相線路上，實(shí)現(xiàn)對各相線路的電壓自動(dòng) 調(diào)節(jié)。當(dāng)各相線路電壓發(fā)生跌落、欠電壓時(shí)，裝置輸出正的電壓量對線路電壓進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng) 各相線路電壓發(fā)生上升、過電壓時(shí)，裝置輸出負(fù)的電壓量對線路電壓進(jìn)行補(bǔ)償；裝置采用相 應(yīng)的控制策略，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠及時(shí)的對各相線路電壓進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，可以很好 的抑制電壓的波動(dòng)、閃變、跌落、上升、過電壓和欠電壓等電壓質(zhì)量問題。 有益效果本實(shí)用新型的基于電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)方案，除了具 備傳統(tǒng)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)外，由于采用高頻變壓器進(jìn)行變壓，所以大大減小了整體裝置的體積， 提高了整個(gè)裝置的效率；通過采用相應(yīng)的控制方式，可以方便的自動(dòng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓，具 有良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠及時(shí)的對線路各相電壓進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，可以很好的抑制電壓的波 動(dòng)、閃變、跌落、上升、過電壓和欠電壓等電壓質(zhì)量問題。
圖1 :本實(shí)用新型基于AC-AC型電力電子變壓器原理框圖。
圖2 :本實(shí)用新型的單相結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。
其中有第一功率變換器1、第二功率變換器2、高頻變壓器3、濾波器4 ; 符號說明 Vin:裝置輸入電壓， Vo:線路輸出電壓， Va:裝置輸出電壓， 第一功率開關(guān)單元S1、第二功率開關(guān)單元^T、第三功率開關(guān)單元S2、第四功率開 關(guān)單元^，第五功率開關(guān)單元S3、第六功率開關(guān)單元^、第七功率開關(guān)單元S4、第八功率開 關(guān)單元玩。 Ll :第一輸出濾波電感， L2:第二輸出濾波電感， Cl :輸出濾波電容。 圖3 :本發(fā)明基于AC-AC型電力電子變壓器的三相結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。
符號說明 Ua、Ub、Uc :三相供電網(wǎng)絡(luò)的各相電壓。
具體實(shí)施方式
下面是本實(shí)用新型的具體實(shí)施例來進(jìn)一步描述 該裝置采用三相結(jié)構(gòu)，單相為三級構(gòu)成，即輸入級、隔離級、輸出級；輸入級由第一 功率變換器l構(gòu)成；隔離級為高頻變壓器3 ;輸出級由第二功率變換器2構(gòu)成；其中，第一功 率變換器1的輸出端接高頻變壓器3的原邊，高頻變壓器3的副邊連接第二功率變換器2 的輸入端，第二功率變換器2的輸出端連接濾波器4的輸入端，濾波器4的輸出端接三相供 電網(wǎng)絡(luò)。 在電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置中，輸入級中各相功率變換器的輸入端星 型連接，功率變換器并聯(lián)在三相供電網(wǎng)絡(luò)的各相線路上，第一功率變換器1采用橋式拓?fù)?結(jié)構(gòu)由第一功率開關(guān)單元S1、第二功率開關(guān)單元^T、第三功率開關(guān)單元S2、第四功率開關(guān) 單元^組成，功率開關(guān)單元第一功率開關(guān)單元S1、第二功率開關(guān)單元^T互補(bǔ)導(dǎo)通后接高頻 變壓器3原邊正端，第三功率開關(guān)單元S2、第四功率開關(guān)單元^互補(bǔ)導(dǎo)通后接高頻變壓器 3原邊負(fù)端，所述每個(gè)功率開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT和一個(gè)反并聯(lián)二極管并聯(lián)組成；輸出級中 功率變換器的輸出端串聯(lián)在三相供電網(wǎng)絡(luò)的各相線路上，第二功率變換器2采用橋式拓?fù)?結(jié)構(gòu)由第五功率開關(guān)單元S3、第六功率開關(guān)單元^、第七功率開關(guān)單元S4、第八功率開關(guān) 單元^i組成，第五功率開關(guān)單元S3、第七功率開關(guān)單元S4的正端接高頻變壓器3副邊端， 第六功率開關(guān)單元^、第八功率開關(guān)單元5的負(fù)端接高頻變壓器3副邊負(fù)端，功第五功率 開關(guān)單元S3、第六功率開關(guān)單元^互補(bǔ)導(dǎo)通后接第一輸出濾波電感L1負(fù)端，第七功率開關(guān) 單元S4、第八功率開關(guān)單元5互補(bǔ)導(dǎo)通后接第二輸出濾波電感L2負(fù)端，所述每個(gè)功率開關(guān) 單元由兩個(gè)IGBT和一個(gè)反并聯(lián)二極管并聯(lián)組成；濾波器4由輸出濾波電容C1、第一輸出濾 波電感L1、第二輸出濾波電感L2組成，輸出濾波電容C1并接在第一輸出濾波電感L1、第二輸出濾波電感L2的同名端，第一輸出濾波電感L1、第二輸出濾波電感L2的同名端接三相供 電網(wǎng)絡(luò)。 電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置控制方法，當(dāng)各相線路電壓發(fā)生跌落、欠電 壓時(shí)，裝置輸出正的電壓量對線路電壓進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)線路電壓發(fā)生上升、過電壓時(shí)，裝置輸 出負(fù)的電壓量對線路電壓進(jìn)行補(bǔ)償。 該裝置是基于AC-AC型電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，其輸入級并聯(lián)接在三 相供電網(wǎng)絡(luò)中，輸出級各相串聯(lián)接在三相供電網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)對各相電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。該裝置的 三相結(jié)構(gòu)相同且獨(dú)立，每一相的工作原理相同，均為原方將工頻電壓信號通過第一功率變 換器1轉(zhuǎn)化為高頻信號(其頻率為600Hz到1. 2kHz)，即升頻，然后通過中間高頻變壓器3 耦合到副方，再利用第二功率變換器2同步還原成工頻電壓信號，即降頻。通過移相控制， 可以改變輸出電壓基波的幅值，同時(shí)需要額外的輸出濾波器4。 該裝置每一相的結(jié)構(gòu)都相同，包括以下組成采用三級構(gòu)成，即輸入級、隔離級、輸 出級；輸入級由第一功率變換器1構(gòu)成，功率變換器采用橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括第一功率開關(guān) 單元S1、第二功率開關(guān)單元^T、第三功率開關(guān)單元S2、第四功率開關(guān)單元^，每個(gè)功率開關(guān) 單元由兩個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管連接組成，可以實(shí)現(xiàn)電流雙向流動(dòng)；隔離級為高頻變壓 器3，可以減小裝置體積，提高整體效率，實(shí)現(xiàn)電壓變換及能量傳遞的功能；輸出級由第二 功率變換器2構(gòu)成，和輸入級一樣，功率變換器也采用橋式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括第五功率開關(guān) 單元S3、第六功率開關(guān)單元^、第七功率開關(guān)單元S4、第八功率開關(guān)單元玩，每個(gè)功率開關(guān) 單元由兩個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管連接組成，可以實(shí)現(xiàn)電流雙向流動(dòng)，輸出級功率變換器 還連接濾波器4，以提高電壓電流波形質(zhì)量。輸入的交流工頻電壓經(jīng)過原邊第一功率變換器 1調(diào)制為高頻交流電壓，調(diào)制是通過第一功率開關(guān)單元S1、第二功率開關(guān)單元^T、第三功率 開關(guān)單元S2、第四功率開關(guān)單元^運(yùn)行在軟開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的，其中第一功率開關(guān)單元Sl、 第二功率開關(guān)單元互補(bǔ)導(dǎo)通，第三功率開關(guān)單元S2、第四功率開關(guān)單元^互補(bǔ)導(dǎo)通。 其次，高頻變壓器3原邊高頻調(diào)制電壓耦合至其副邊，然后由副邊與原邊結(jié)構(gòu)完全相同的 功率變換器2反調(diào)制，調(diào)制是通過第五功率開關(guān)單元S3、第六功率開關(guān)單元^、第七功率開 關(guān)單元S4、第八功率開關(guān)單元5運(yùn)行在軟開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。輸出的高頻電壓，經(jīng)輸出濾波 器濾波將其轉(zhuǎn)換為所要求的電壓。 該裝置的三相結(jié)構(gòu)是由各單相結(jié)構(gòu)組合而成，其輸入級并聯(lián)在三相供電線路上， 輸出級各相串聯(lián)在三相供電線路上。以該裝置的單相結(jié)構(gòu)為例，說明其調(diào)壓過程Vin是裝 置的輸入端電壓，Va是裝置的輸出端電壓，該電壓量串聯(lián)疊加在供電線路上，從而對線路輸 出電壓Vo進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中Vo = Vin+Va。當(dāng)線路電壓發(fā)生跌落、欠電壓時(shí)，裝置輸出正的電 壓量Va對線路電壓Vo進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)線路電壓發(fā)生上升、過電壓時(shí)，裝置輸出負(fù)的電壓量Va 對線路電壓Vo進(jìn)行補(bǔ)償；裝置采用相應(yīng)的控制策略，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠及時(shí)的對 線路電壓進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，可以很好的抑制電壓的波動(dòng)、閃變、跌落、上升、過電壓和欠電壓等 電壓質(zhì)量問題。
權(quán)利要求一種電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置，其特征在于該調(diào)節(jié)器采用三相結(jié)構(gòu)，單相為三級構(gòu)成，即輸入級、隔離級、輸出級；輸入級由第一功率變換器(1)構(gòu)成；隔離級為高頻變壓器(3)；輸出級由第二功率變換器(2)構(gòu)成；其中，第一功率變換器(1)的輸出端接高頻變壓器(3)的原邊，高頻變壓器(3)的副邊連接第二功率變換器(2)的輸入端，第二功率變換器(2)的輸出端連接濾波器(4)的輸入端，濾波器(4)的輸出端接三相供電網(wǎng)絡(luò)。
2. 如權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述輸入級 中第一功率變換器(1)的輸入端星型連接，第一功率變換器(1)并聯(lián)在單相線路上，第一功 率變換器(1)采用橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由第一功率開關(guān)單元(Sl)、第二功率開關(guān)單元(Sl)、第三 功率開關(guān)單元(S2)、第四功率開關(guān)單元(S2)組成，第一功率開關(guān)單元(Sl)、第二功率開關(guān) 單元(Sl)互補(bǔ)導(dǎo)通后接高頻變壓器(3)原邊正端，第三功率開關(guān)單元(S2)、第四功率開關(guān) 單元(S2)互補(bǔ)導(dǎo)通后接高頻變壓器(3)原邊負(fù)端，所述每個(gè)功率開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT和 一個(gè)反并聯(lián)二極管并聯(lián)組成。
3. 如權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述輸出級 中第二功率變換器(2)串聯(lián)在單相線路上，第二功率變換器(2)采用橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由第五 功率開關(guān)單元(S3)、第六功率開關(guān)單元(S3)、第七功率開關(guān)單元(S4)、第八功率開關(guān)單元 (S4)組成；第五功率開關(guān)單元(S3)、第七功率開關(guān)單元(S4)的正端接高頻變壓器(3)副邊 正端，第六功率開關(guān)單元(S3)、第八功率開關(guān)單元(S4)的負(fù)端接高頻變壓器(3)副邊負(fù)端， 第五功率開關(guān)單元(S3)、第六功率開關(guān)單元(S3)互補(bǔ)導(dǎo)通后接第一輸出濾波電感(Ll)負(fù) 端；第七功率開關(guān)單元(S4)、第八功率開關(guān)單元(S4)互補(bǔ)導(dǎo)通后接第二輸出濾波電感(L2) 負(fù)端，所述每個(gè)功率開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT和一個(gè)反并聯(lián)二極管并聯(lián)組成；
4. 如權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述濾波器 (4)由輸出濾波電容(Cl)、第一輸出濾波電感(Ll)、第二輸出濾波電感(L2)組成，輸出濾波 電容(Cl)并接在第一輸出濾波電感(Ll)、第二輸出濾波電感(L2)的同名端，第一輸出濾波 電感(Ll)、第二輸出濾波電感(L2)的同名端接單相線路上。
專利摘要電力電子變壓器的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置屬于電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。該調(diào)節(jié)器采用三相結(jié)構(gòu)，單相為三級構(gòu)成，即輸入級、隔離級、輸出級；輸入級由第一功率變換器(1)構(gòu)成；隔離級為高頻變壓器(3)；輸出級由第二功率變換器(2)構(gòu)成；其中，第一功率變換器(1)的輸出端接高頻變壓器(3)的原邊，高頻變壓器(3)的副邊連接第二功率變換器(2)的輸入端，第二功率變換器(2)的輸出端連接濾波器(4)的輸入端，濾波器(4)的輸出端接三相供電網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)裝置全部采用成熟的功率器件，除了能完成傳統(tǒng)電力變壓器電壓變換、能量傳遞的功能外，可以對線路各相輸出電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。
文檔編號H02M5/293GK201499090SQ200920233710
公開日2010年6月2日 申請日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者倪喜軍, 白杰, 趙劍鋒, 黃華 申請人:東南大學(xué)