由開關變壓器模塊構成的高壓交流電(網)控制裝置的製作方法

2023-09-15 21:59:05

專利名稱：由開關變壓器模塊構成的高壓交流電(網)控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可用於任意高電壓、任意大電流調節的由開關變壓器模塊構成的
高壓交流電(網)控制裝置，它屬於電力電子技術領域，可用於許多需要大功率調節的場合，特別是適於高壓交流電力網的調節，使之由交流不可控電網變為交流可控電網。
背景技術：
我們知道，晶閘管串並聯技術的可靠性是制約其功率升級和廣泛應用的關鍵問題。假如這個障礙不存在、電力電子裝置的容量可以做到任意大，則交流電網不可控的問題可以解決而成為交流可控電網，各條線路之間幾乎互不影響，一條線路的短路故障就不會波及整個電網，類似北美電網的大事故就不會發生，電網的控制和管理將發生一個質的突變，線路輸送能力可以大幅度提高。因此研製新型的大功率電力電力器件對電網的控制和管理是至關重要的。 但是，研製新型大功率電力電子器件關係材料、電子等多學科的技術發展，其道路非常艱難。要求的電壓越高、電流越大其研製就越困難。近些年出現的絕緣柵極電晶體IGBT、集成門極換流晶閘管IGCT等新型電力電子器件雖然解決了某些技術問題，但是在耐壓和容量方面與高速發展的大型電力設施的調控需求相比，還遠遠無法滿足需要。由此我們另闢新路，發明了開關變壓器模塊來解決這一難題。
發明內容及有益效果 本發明要解決的技術問題是提供一種高可靠性的高電壓大電流開關變壓器模塊構成的高壓交流電(網)控制裝置。 開關變壓器模塊獨闢溪徑，它把變壓器技術和晶閘管技術相結合，構成了一個可以承受任意高電壓、任意大電流的電力電子開關組件。開關變壓器模塊是對晶閘管串聯技術的改進(摒棄)同時又具有可以直接並用的優點，因而它極大地提高了由開關變壓器模塊構成的電力電子裝置的容量和可靠性，使該類電力電子裝置可以更廣泛地應用在各種工業領域。 本發明提供一種由開關變壓器模塊構成的高壓交流電(網)控制裝置，其開關變壓器模塊的特徵在於包括一臺三相變壓器(TK)和數隻電力電子器件(例如SCR);變壓器原邊(初級)繞組的一端接交流電源(Ui)，另一端接輸出(Uo)，變壓器付邊(次級)繞組的兩端接正反並聯的電力電子器件(例如SCR)，這是該模塊的基本構成(為了圖面清楚，圖中用單線圖畫出)。保護電路RC和壓敏電阻YM是用於對電力電子器件(例如SCR)提供保護(為了圖面清楚，在本專利文件的有些附圖中將該保護電路略去)。變壓器的原邊繞組按被控的交流電壓要求繞制，變壓器付邊繞組按單只電力電子器件的耐壓要求繞制，由於變壓器原邊繞組的電壓可以任意高，因此被控電壓可以做到任意高；這樣一隻器件就可以替代許多隻器件的串聯，解決了元器件串聯的低可靠性問題。當所需調節電流較大時，可以採取增加付邊繞組(多副繞組)和電力電子器件數量(並用)的方法來解決；也可以採取模塊並用的方法來解決。由於變壓器自身漏抗的均流作用，使該模塊並用技術的均流效果非常好，解決了其它方式並聯均流的可靠性問題，因此調節電流可以做到任意大，這樣模塊的 調節功率就可以任意大。當電力電子器件採用半控器件(例如SCR)時，可以得到高電壓大 電流半控模塊，其控制方法可以是相位控制。當電力電子器件採用全控器件(例如VM0S、 IGBT等)時，可以得到高電壓大電流全控模塊，其控制方法可以是脈寬調製控制(P麗)。由 於串並聯問題都得到了解決，可以說找到了一種"完美"的大功率電力電子"器件"。
當由開關變壓器模塊構成交流電(網)控制裝置時，只要為其增加主控單元、觸發 單元、傳感器單元即可構成開環或閉環的交流電(網)控制裝置。 主控單元可由計算機系統構成，例如可編程序控制器(PLC)、工控機、單片機等； 觸發單元則根據所用電力電子器件選擇；傳感器單元一般為電壓互感器和電流互感器，它 為計算機系統提供電壓信號和電流信號，從而構成以電壓或電流為控制量的閉環控制系 統。 在各條線路上裝設由開關變壓器模塊構成的交流電(網)控制裝置，則各條線路 可控進而整個電網可控，整個電網的穩定控制和自動化是非常方便的。於是大面積停電不 會發生、次同步諧振不會發生、線路輸送容量可以大幅度提高、輸電設備可以免受開關過電 壓的傷害而壽命大大提高、1000KV交流輸電將大面積應用、……。


結合附圖可清楚地了解本發明的特點及其對當前電力系統的意義。
圖1是由開關變壓器模塊構成的交流電(網)控制裝置應用的基本電路； 圖2是適用於大功率控制的多副繞組開關變壓器模塊(電力電子器件並用)的交
流電(網)控制裝置的基本電路； 圖3是適用於超大功率控制的多副繞組開關變壓器模塊並用的交流電(網)控制 裝置的基本電路。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細描述本發明的具體實施方式
。 圖1是由開關變壓器模塊構成的交流電(網)控制裝置的基本電路；其中TK為 變壓器，它具有一個初級繞組和一個次級繞組。初級繞組按被調節的交流電壓Ui的要求繞 制，其一端接待調節的交流電源(Ui)，另一端接輸出(Uo);次級繞組按單只電力電子器件 的耐壓要求繞制，次級繞組的兩端接電力電子器件晶閘管SCR;由於變壓器原邊繞組的耐 壓可以設計到任意高，因此被調節電壓可以達到任意高；這樣一隻器件就可以替代許多隻 器件的串聯，解決了元器件串聯的低可靠性問題。 我們知道，變壓器具有變壓的功能又具有它的開路特性(付邊開路時原邊承受全 電壓且電流很小)和短路特性(付邊短路時原邊電壓很小且電流大小取決於串聯負載)； 晶閘管也具有開路特性和短路特性，如果把變壓器和晶閘管結合起來，利用二者性能上的 結合(使變壓器只工作在開路和短路狀態)就可以達到一個耐高壓的電力電子開關器件的 作用，具體電路原理如下 變壓器的原邊與負載串聯接電源，正反並聯的單向晶閘管與變壓器的付邊低壓繞 組接成閉合電路，這樣晶閘管被隔離在低壓側，因而不用串聯，可靠性大大提高。
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當晶閘管不導通時，變壓器次級呈開路狀態，初級電流很小(小於空載電流)，電 源電壓的大部分加在變壓器初級繞組上(Ul " Ui)，負載電壓很小；當晶閘管導通時，變壓 器次級呈短路狀態(U2 = 0)，初級電壓(Ul " 0)很小(短路電壓)，電源電壓的大部分加 在負載上。在這裡由於晶閘管的控制，變壓器實現對負載端電壓的開關作用，因此我們稱之 為開關變壓器。 當晶閘管的導通角由小到大連續變化時，負載端電壓亦由小到大連續變化，即實 現了電網調壓。圖中Kl是旁路開關，TK是開關變壓器，PTl和PT2是入端和出端電壓互感 器，CT是電流互感器，SCR是晶閘管，CON是包括主控單元和觸發單元的控制裝置。控制裝 置採集電壓信號和電流信號並與設定值相比較，根據主控單元內的智能系統要求給晶閘管 發出觸發信號，以實現三相功率平衡、電壓電流調節等功能。 當被控對象功率較大(如6000KW以上)，現有的晶閘管的允許電流受限時，可採用 圖2所示的多副繞組開關變壓器模塊方式，實現晶閘管並用以解決電流受限問題。
當被控對象功率更大(如12000KW以上)，因開關變壓器結構問題不可能無限大 時，可採用圖3所示的多副繞組開關變壓器模塊並用以解決開關變壓器結構受限問題。
開關變壓器模塊構成的交流電(網)大功率控制裝置具有如下特點
1、排除了晶閘管串聯技術的低可靠性，使元件的選擇非常方便且易於維修。
2、解決了晶閘管並聯均流問題，當負載功率大於6000KW時，可以採用多副繞組開 關變壓器模塊方式(如圖2所示)，即通過開關變壓器的多副繞組實現晶閘管的並用，由於 開關變壓器漏抗的均流作用大大優於晶閘管直接並聯靠參數一致性的均流作用，故均流效 果非常好。 3、解決了可控功率擴展的問題，當負載功率大於12000KW甚至更高時，可採用開 關變壓器模塊並用技術(如圖3所示)，即通過開關變壓器模塊的並用實現超大功率控制。 並用模塊的數量沒有限制，因此可以實現任意大功率的控制。 4、由於開關變壓器漏抗的濾波作用，高次諧波對電網的影響大大減少，高次諧波 總畸變率在國標以內。 5、開關變壓器開通時只有銅損，關斷時只有鐵損，因此工作時損耗較小，從原理上 保證了損耗小的特性。 當前，開關變壓器模塊應用於高壓電動機軟起動已有實例200多臺，最大控制功 率已達到20000KW，均取得了很好的效果。 這裡的主控單元採用的是可編程序控制器PLC，它對線路電壓電流進行檢測並通
過觸發扳CFB、放大板FDB來觸發晶閘管SCR，以實現穩壓、穩流等潮流控制功能。 上述描述的只是該發明的幾種具體實施方式
，各種舉例說明不對發明的實質內容
構成限制，所屬技術領域的普通技術人員在閱讀了說明書後對前述的具體實施方式
所做的
修改或變形，都不背離發明的實質和範圍。
權利要求
一種高電壓大功率的開關變壓器式電力電子模塊(簡稱開關變壓器模塊)構成的高壓交流電(網)控制裝置，可用於任何高壓交流電(網)的電壓調節、電流調節及功率調節，其特徵在於包括由一臺三相變壓器和數隻單向電力電子器件構成的開關變壓器模塊變壓器原邊繞組的一端接交流電源，另一端接輸出；變壓器付邊繞組的兩端接正反並聯的電力電子器件；由計算機系統構成的主控單元、觸發單元及相應的電壓、電流傳感器。
2. 根據權利要求1的由開關變壓器模塊構成的高壓交流電(網)控制裝置，其特徵還包括開關變壓器的原邊繞組按待調節的交流電壓要求繞制，變壓器付邊繞組按電力電子器件的耐壓要求繞制，由於變壓器原邊繞組的電壓可以任意高，因此調節電壓可以做到任意咼o
3. 根據權利要求1的由開關變壓器模塊構成的高壓交流電(網)控制裝置，其特徵還包括當所需調節的電流較大時，可以採取多副繞組開關變壓器模塊(電力電子器件並用)的方法來解決，還可以採取開關變壓器模塊並用的方法來解決。由於模塊並用技術的均流效果非常好，因此調節電流可以做到任意大。
4. 根據權利要求1的由開關變壓器模塊構成的高壓交流電(網)控制裝置，其特徵還包括當電力電子器件採用全控器件時，可以得到高電壓大電流全控調節，其控制方法可以是脈寬調製控制；當電力電子器件採用半控器件(晶閘管)時，可以得到高電壓大電流半控調節，其控制方法可以是相位控制。
5. 根據權利要求1的由開關變壓器模塊構成的高壓交流電(網)控制裝置，其特徵還包括可以由主控單元、觸發單元及相應的電壓、電流傳感器構成閉環控制系統，控制軟體根據控制要求選擇。
6. 根據權利要求1的由開關變壓器模塊構成的高壓交流電(網)控制裝置，其特徵還包括當對電網質量要求較高時，可加裝動態無功補償裝置(SVC)，以減少諧波的影響並提高功率因數。
全文摘要
一種由高電壓大功率的開關變壓器式電力電子模塊(簡稱開關變壓器模塊)構成的高壓交流電(網)控制裝置，屬於電力電子技術領域，可以從根本上改變當前交流電網的不可控情況，使高壓交流電網的電壓調節、電流調節及功率調節能方便地實現，從而使其成為可控交流電網，其開關變壓器模塊的特徵在於包括一臺三相變壓器和六隻電力電子器件構成的開關變壓器模塊變壓器原邊繞組的一端接交流電源，另一端接輸出，變壓器付邊繞組的兩端接電力電子器件；當由開關變壓器模塊構成高壓交流電(網)控制裝置時，再配以主控單元、觸發單元及相應的電壓、電流傳感器。該由開關變壓器模塊構成高壓交流電(網)控制裝置也可用於其它高壓交流大功率控制。
文檔編號H02J3/12GK101710706SQ20091007306
公開日2010年5月19日 申請日期2009年10月19日 優先權日2009年10月19日
發明者孫向瑞, 潘家忠, 潘政剛 申請人:哈爾濱帕特爾科技有限公司