基於電力電子變壓器的自動電壓調節器的製作方法

2023-11-06 22:02:37

專利名稱：基於電力電子變壓器的自動電壓調節器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於電力電子變壓器的自動電壓調節裝置，屬於電力電子在 電力系統中的應用技術領域。
背景技術：
在配電網中，供電線路經常會出現各種電壓擾動，如電壓跌落，上升，閃變， 過電壓，欠電壓等。對於對電壓敏感的負荷，如電腦，通訊設備等，經常會造成 巨大損失，如珍貴數據的丟失，通訊的中斷等。傳統的伺服式電壓穩壓器可以解 決供電線路電壓擾動的問題，但是傳統的伺服式電壓穩壓器用一個可調自耦變壓 器和隔離變壓器去對系統注入一個補償電壓，這種結構不但動態響應比較慢，而 且大的工頻變壓器也是其主要缺點，工頻變壓器不僅體積大，成本高，而且變換 效率低。
上世紀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實現電壓變換和能量傳遞的。其突出特點 是通過電壓型變換器(VSC)對其原副邊交流側電壓、電流的幅值和相位進行連 續可控調節。基於電力電子變壓器的自動電壓調節器，採用高頻變壓器實現傳統 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。

發明內容
技術問題本發明的目的是提出一種基於電力電子變壓器的自動電壓調節器 的拓撲結構，不僅實現電壓變換、能量傳遞，還能對輸電線的電壓進行自動調節， 相比傳統的穩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。
技術方案本發明公開了一種基於電力電子變壓器的自動電壓調節器，該調 節器採用三相結構，單相為三級構成，即輸入級、隔離級、輸出級；輸入級由第 一功率變換器構成；隔離級為高頻變壓器；輸出級由第二功率變換器構成；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 端接三相供電網絡。所述輸入級中第一功率變換器的輸入端星型連接，第一功率變換器並聯在單 相線路上，第一功率變換器採用橋式拓撲結構由第一功率開關單元、第二功率開 關單元、第三功率開關單元、第四功率開關單元組成，第一功率開關單元、第二
功率開關單元互補導通後接高頻變壓器原邊TH端，第三功率丌關單元、第四功率 開關單元互補導通後接高頻變壓器原邊負端，所述每個功率開關單元由兩個IGBT 和一個反並聯二極體並聯組成。
所述輸出級中第二功率變換器串聯在單相線路上，第二功率變換器採用橋式 拓撲結構由第五功率開關單元、第六功率開關單元、第七功率開關單元、第八功 率開關單元組成；第五功率開關單元、第七功率開關單元的正端接高頻變壓器副 邊正端，第六功率開關單元、第八功率開關單元的負端接高頻變壓器副邊負端， 第五功率開關單元、第六功率開關單元互補導通後接第一輸出濾波電感負端；第
七功率開關單元、第八功率開關單元互補導通後接第二輸出濾波電感負端，所述 每個功率開關單元由兩個IGBT和一個反並聯二極體並聯組成；
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， 輸出濾波電容並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。
該裝置中的三相結構相同且獨立，每一相的結構都是基於AC-AC(交流-交流) 型電力電子變壓器，圖1為基於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化為高頻信號，即升頻，然後通過中間高 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 過採用適當的控制方案來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用到自動 電壓調節裝置的應用中，通過移相控制可以方便的調節輸出端的電壓。該自動電
壓調節裝置的單相結構如圖2所示，採用三級構成，即輸入級、隔離級、輸出級；
輸入級由功率變換器構成，功率變換器採用橋式拓撲結構，包括功率開關單，每
個功率開關單元由兩個IGBT及其反並聯二極體連接組成,可以實現電流雙向流動； 隔離級為高頻變壓器，可以減小裝置體積，提高整體效率，實現電壓變換及能量 傳遞的功能；輸出級由功率變換器構成，和輸入級一樣，功率變換器也採用橋式 拓撲結構，包括功率開關單元，每個功率開關單元由兩個IGBT及其反並聯二極體 連接組成，可以實現電流雙向流動，輸出級功率變換器還連接濾波器，以提高電壓 電流波形質量。輸入的交流工頻電壓經過原邊功率變換器調製為高頻交流電壓， 調製是通過第一功率開關單元、第二功率開關單元、第三功率開關單元、第四功 率開關單元運行在軟開關狀態實現的，其中第一功率開關單元、第二功率開關單元 互補導通，第三功率開關單元、第四功率開關單元互補導通。其次，高頻變壓器原邊高頻調製電壓耦合至其副邊，然後由副邊與原邊結構完全相同的功率變換器反 調製，調製是通過第五功率開關單元、第六功率開關單元、第七功率開關單元、第 八功率開關單元運行在軟開關狀態實現的。輸出的高頻電壓，經輸出濾波器濾波將
其轉換為所要求的電壓。該自動電壓調節裝置的三相結構如圖3所示，由單相結構 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單相 結構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 並聯連接在三相供電網絡上；隔離級由各個單相結構的隔離變壓器組成；輸出級 由各個單相結構的輸出級功率變換器組成，工作時各相功率變換器的輸出端串聯 在三相供電網絡的各相線路上，實現對各相線路的電壓自動調節。當各相線路電 壓發生跌落、欠電壓時，裝置輸出正的電壓量對線路電壓進行補償；當各相線路 電壓發生上升、過電壓時，裝置輸出負的電壓量對線路電壓進行補償；裝置釆用 相應的控制策略，具有良好的動態性能，能夠及時的對各相線路電壓進行補償調 節，可以很好的抑制電壓的波動、閃變、跌落、上升、過電壓和欠電壓等電壓質 量問題。
有益效果本發明的基於電力電子變壓器的自動電壓調節技術方案，除了具 備傳統穩壓器的優點外，由於採用高頻變壓器進行變壓，所以大大減小了整體裝 置的體積，提高了整個裝置的效率；通過採用相應的控制方式，可以方便的自動 調節穩定輸出電壓，具有良好的動態性能，能夠及時的對線路各相電壓進行補償 調節，可以很好的抑制電壓的波動、閃變、跌落、上升、過電壓和欠電壓等電壓 質量問題。


圖l:本發明基於AC-AC型電力電子變壓器原理框圖。
圖2:本發明的單相結構拓撲圖。
其中有第一功率變換器l、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，
第一功率開關單元S1、第二功率開關單元^1、第三功率開關單元52、第四功 率開關單元巧，第五功率開關單元S3、第六功率開關單元歷、第七功率開關單 元S4、第八功率開關單元5。
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:本發明基於AC-AC型電力電子變壓器的三相結構拓撲圖。 符號說明
Ua、 Ub、 Uc:三相供電網絡的各相電壓。
具體實施例方式
下面是本發明的具體實施例來進一步描述
該裝置採用三相結構，單相為三級構成，即輸入級、隔離級、輸出級；輸入 級由第一功率變換器l構成；隔離級為高頻變壓器3;輸出級由第二功率變換器2構 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絡。
在基於電力電子變壓器的自動電壓調節器中，輸入級中各相功率變換器的輸 入端星型連接，功率變換器並聯在三相供電網絡的各相線路上，第一功率變換器1 採用橋式拓撲結構由第一功率開關單元S1、第二功率開關單元^1、第三功率開關
單元S2、第四功率開關單元巧組成，功率開關單元第一功率開關單元Sl、第二 功率開關單元萬互補導通後接高頻變壓器3原邊正端，第三功率開關單元S2、第 四功率開關單元巧互補導通後接高頻變壓器3原邊負端，所述每個功率開關單元 由兩個IGBT和一個反並聯二極體並聯組成；輸出級中功率變換器的輸出端串聯 在三相供電網絡的各相線路上，第二功率變換器2採用橋式拓撲結構由第五功率 開關單元S3、第六功率開關單元歷、第七功率開關單元S4、第八功率開關單元^ 組成，第五功率開關單元S3、第七功率開關單元S4的正端接高頻變壓器3副邊端， 第六功率開關單元巨、第八功率開關單元5的負端接高頻變壓器3副邊負端，功 第五功率開關單元53、第六功率開關單元歷互補導通後接第一輸出濾波電感Ll 負端，第七功率開關單元S4、第八功率開關單元5互補導通後接第二輸出濾波電 感L2負端，所述每個功率開關單元由兩個IGBT和一個反並聯二極體並聯組成； 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C1並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絡。
基於電力電子變壓器的自動電壓調節器控制方法，當各相線路電壓發生跌落、 欠電壓時，裝置輸出正的電壓量對線路電壓進行補償；當線路電壓發生上升、過 電壓時，裝置輸出負的電壓量對線路電壓進行補償。
該裝置是基於AC-AC型電力電子變壓器的自動電壓調節器，其輸入級並聯接 在三相供電網絡中，輸出級各相串聯接在三相供電網絡上，實現對各相電壓進行
6調節。該裝置的三相結構相同且獨立，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轉化為高頻信號(其頻率為600Hz到1.2kHz)， 即升頻，然後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， 同時需要額外的輸出濾波器4。
該裝置每一相的結構都相同，包括以下組成採用三級構成，即輸入級、隔
離級、輸出級；輸入級由第一功率變換器l構成，功率變換器釆用橋式拓撲結構，
包括第一功率開關單元S1、第二功率開關單元5、第三功率開關單元52、第四功 率開關單元巧，每個功率開關單元由兩個IGBT及其反並聯二極體連接組成，可以 實現電流雙向流動；隔離級為高頻變壓器3，可以減小裝置體積，提高整體效率， 實現電壓變換及能量傳遞的功能；輸出級由第二功率變換器2構成，和輸入級一 樣，功率變換器也採用橋式的拓撲結構，包括第五功率開關單元S3、第六功率開 關單元巨、第七功率開關單元S4、第八功率開關單元^，每個功率開關單元由 兩個IGBT及其反並聯二極體連接組成，可以實現電流雙向流動，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量。輸入的交流工頻電壓經過原邊第一 功率變換器1調製為高頻交流電壓，調製是通過第一功率開關單元S1、第二功率 開關單元5、第三功率開關單元52、第四功率開關單元五運行在軟開關狀態實 現的，其中第一功率開關單元S1、第二功率開關單元5^互補導通，第三功率開 關單元S2、第四功率開關單元巧互補導通。其次，高頻變壓器3原邊高頻調製電 壓耦合至其副邊，然後由副邊與原邊結構完全相同的功率變換器2反調製，調製是 通過第五功率開關單元S3、第六功率開關單元巧、第七功率開關單元S4、第八 功率開關單元^運行在軟開關狀態實現的。輸出的高頻電壓，經輸出濾波器濾波 將其轉換為所要求的電壓。
該裝置的三相結構是由各單相結構組合而成，其輸入級並聯在三相供電線路 上，輸出級各相串聯在三相供電線路上。以該裝置的單相結構為例，說明其調壓 過程Vin是裝置的輸入端電壓，Va是裝置的輸出端電壓，該電壓量串聯疊加在供 電線路上，從而對線路輸出電壓Vo進行調節，其中V(^Vin+Va。當線路電壓發生 跌落、欠電壓時，裝置輸出正的電壓量Va對線路電壓Vo進行補償；當線路電壓發 生上升、過電壓時，裝置輸出負的電壓量Va對線路電壓Vo進行補償；裝置採用相 應的控制策略，具有良好的動態性能，能夠及時的對線路電壓進行補償調節，可 以很好的抑制電壓的波動、閃變、跌落、上升、過電壓和欠電壓等電壓質量問題。
權利要求
1.一種基於電力電子變壓器的自動電壓調節器，其特徵在於該調節器採用三相結構，單相為三級構成，即輸入級、隔離級、輸出級；輸入級由第一功率變換器(1)構成；隔離級為高頻變壓器(3)；輸出級由第二功率變換器(2)構成；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絡。
2. 如權利要求l所述的基於電力電子變壓器的自動電壓調節器，其特徵在於 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)並 聯在單相線路上，第一功率變換器(1)採用橋式拓撲結構由第一功率開關單元(51 )、第二功率開關單元、第三功率開關單元(52)、第四功率開關單元(巨) 組成，第一功率開關單元(Sl)、第二功率開關單元(^i)互補導通後接高頻變壓 器(3)原邊正端，第三功率開關單元(S2)、第四功率開關單元(5)互補導通 後接高頻變壓器(3)原邊負端，所述每個功率開關單元由兩個IGBT和一個反並 聯二極體並聯組成。
3. 如權利要求l所述的基於電力電子變壓器的自動電壓調節器，其特徵在於 所述輸出級中第二功率變換器(2)串聯在單相線路上，第二功率變換器(2)採 用橋式拓撲結構由第五功率開關單元(S3)、第六功率開關單元(巨)、第七功率 開關單元(S4)、第八功率開關單元(^)組成；第五功率開關單元(53)、第七 功率開關單元(S4)的正端接高頻變壓器(3)副邊正端，第六功率開關單元(歷)、 第八功率開關單元(^)的負端接高頻變壓器(3)副邊負端，第五功率開關單 元(S3)、第六功率開關單元(^)互補導通後接第一輸出濾波電感(Ll)負端； 第七功率開關單元(S4)、第八功率開關單元(^)互補導通後接第二輸出濾波 電感(L2)負端，所述每個功率開關單元由兩個IGBT和一個反並聯二極體並聯組 成；
4. 如權利要求l所述的基於電力電子變壓器的自動電壓調節器，其特徵在於 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)並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。
全文摘要
本發明涉及一種基於電力電子變壓器的自動電壓調節裝置，屬於電力電子在電力系統中的應用技術領域。基於電力電子變壓器的自動電壓調節器分為三級輸入級、隔離級、輸出級。輸入級由功率變換器組成，可以實現電流雙向流動；隔離級採用高頻變壓器，以減小變壓器體積，提高整體變換效率；輸出級也由功率變換器組成，每個變換器還連接濾波器，以提高電壓電流波形質量。整個裝置全部採用成熟的功率器件，除了能完成傳統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行自動調節。
文檔編號H02M5/10GK101615847SQ20091018323
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月23日 優先權日2009年7月23日
發明者倪喜軍, 傑 白, 趙劍鋒, 華 黃 申請人:東南大學