CN201499090U

CN201499090U - 电力电子变压器的自动电压调节装置

Info

Publication number: CN201499090U
Application number: CN2009202337103U
Authority: CN
Inventors: 赵剑锋; 倪喜军; 白杰; 黄华
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2019-07-23

Abstract

电力电子变压器的自动电压调节装置属于电力电子在电力***中的应用技术领域。该调节器采用三相结构，单相为三级构成，即输入级、隔离级、输出级；输入级由第一功率变换器(1)构成；隔离级为高频变压器(3)；输出级由第二功率变换器(2)构成；其中，第一功率变换器(1)的输出端接高频变压器(3)的原边，高频变压器(3)的副边连接第二功率变换器(2)的输入端，第二功率变换器(2)的输出端连接滤波器(4)的输入端，滤波器(4)的输出端接三相供电网络。整个装置全部采用成熟的功率器件，除了能完成传统电力变压器电压变换、能量传递的功能外，可以对线路各相输出电压进行自动调节。

Description

电力电子变压器的自动电压调节装置

技术领域

本实用新型涉及一种电力电子变压器的自动电压调节装置，属于电力电子在电力***中的应用技术领域。

背景技术

在配电网中，供电线路经常会出现各种电压扰动，如电压跌落，上升，闪变，过电压，欠电压等。对于对电压敏感的负荷，如电脑，通讯设备等，经常会造成巨大损失，如珍贵数据的丢失，通讯的中断等。传统的伺服式电压稳压器可以解决供电线路电压扰动的问题，但是传统的伺服式电压稳压器用一个可调自耦变压器和隔离变压器去对***注入一个补偿电压，这种结构不但动态响应比较慢，而且大的工频变压器也是其主要缺点，工频变压器不仅体积大，成本高，而且变换效率低。

上世纪70年代电力电子变压器(PET-Power electronic transformer)的概念被提出，PET是利用电力电子换流技术实现电压变换和能量传递的。其突出特点是通过电压型变换器(VSC)对其原副边交流侧电压、电流的幅值和相位进行连续可控调节。基于电力电子变压器的自动电压调节器，采用高频变压器实现传统的自耦变压器和隔离变压器的功能，大大减小了装置的体积，提高了整体的变换效率。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是提出一种电力电子变压器的自动电压调节装置的拓扑结构，不仅实现电压变换、能量传递，还能对输电线的电压进行自动调节，相比传统的稳压器而言大大减小了装置的体积，降低了损耗，提高了整体的变换效率。

技术方案：本实用新型公开了一种电力电子变压器的自动电压调节装置，该调节器采用三相结构，单相为三级构成，即输入级、隔离级、输出级；输入级由第一功率变换器构成；隔离级为高频变压器；输出级由第二功率变换器构成；其中，第一功率变换器的输出端接高频变压器的原边，高频变压器的副边连接第二功率变换器的输入端，第二功率变换器的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端接三相供电网络。

所述输入级中第一功率变换器的输入端星型连接，第一功率变换器并联在单相线路上，第一功率变换器采用桥式拓扑结构由第一功率开关单元、第二功率开关单元、第三功率开关单元、第四功率开关单元组成，第一功率开关单元、第二功率开关单元互补导通后接高频变压器原边正端，第三功率开关单元、第四功率开关单元互补导通后接高频变压器原边负端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反并联二极管并联组成。

所述输出级中第二功率变换器串联在单相线路上，第二功率变换器采用桥式拓扑结构由第五功率开关单元、第六功率开关单元、第七功率开关单元、第八功率开关单元组成；第五功率开关单元、第七功率开关单元的正端接高频变压器副边正端，第六功率开关单元、第八功率开关单元的负端接高频变压器副边负端，第五功率开关单元、第六功率开关单元互补导通后接第一输出滤波电感负端；第七功率开关单元、第八功率开关单元互补导通后接第二输出滤波电感负端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反并联二极管并联组成；

所述滤波器由输出滤波电容、第一输出滤波电感、第二输出滤波电感组成，输出滤波电容并接在第一输出滤波电感、第二输出滤波电感的同名端，第一输出滤波电感、第二输出滤波电感的同名端接单相线路上。

该装置中的三相结构相同且独立，每一相的结构都是基于AC-AC(交流-交流)型电力电子变压器，图1为基于AC-AC型电力电子变压器原理框图。其工作原理为：原方将工频信号通过电力电子变换器转化为高频信号，即升频，然后通过中间高频隔离变压器耦合到副方，再利用电力电子变换器还原成工频信号，即降频。通过采用适当的控制方案来控制电力电子装置的工作，从而将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能。将电力电子变压器应用到自动电压调节装置的应用中，通过移相控制可以方便的调节输出端的电压。该自动电压调节装置的单相结构如图2所示，采用三级构成，即输入级、隔离级、输出级；输入级由功率变换器构成，功率变换器采用桥式拓扑结构，包括功率开关单，每个功率开关单元由两个IGBT及其反并联二极管连接组成，可以实现电流双向流动；隔离级为高频变压器，可以减小装置体积，提高整体效率，实现电压变换及能量传递的功能；输出级由功率变换器构成，和输入级一样，功率变换器也采用桥式拓扑结构，包括功率开关单元，每个功率开关单元由两个IGBT及其反并联二极管连接组成，可以实现电流双向流动，输出级功率变换器还连接滤波器，以提高电压电流波形质量。输入的交流工频电压经过原边功率变换器调制为高频交流电压，调制是通过第一功率开关单元、第二功率开关单元、第三功率开关单元、第四功率开关单元运行在软开关状态实现的，其中第一功率开关单元、第二功率开关单元互补导通，第三功率开关单元、第四功率开关单元互补导通。其次，高频变压器原边高频调制电压耦合至其副边，然后由副边与原边结构完全相同的功率变换器反调制，调制是通过第五功率开关单元、第六功率开关单元、第七功率开关单元、第八功率开关单元运行在软开关状态实现的。输出的高频电压，经输出滤波器滤波将其转换为所要求的电压。该自动电压调节装置的三相结构如图3所示，由单相结构组合而成，也分为三级：输入级，隔离级和输出级。该装置的输入级由各个单相结构的输入级功率变换器组成，每相功率变换器的输入端按照星型连接，工作时并联连接在三相供电网络上；隔离级由各个单相结构的隔离变压器组成；输出级由各个单相结构的输出级功率变换器组成，工作时各相功率变换器的输出端串联在三相供电网络的各相线路上，实现对各相线路的电压自动调节。当各相线路电压发生跌落、欠电压时，装置输出正的电压量对线路电压进行补偿；当各相线路电压发生上升、过电压时，装置输出负的电压量对线路电压进行补偿；装置采用相应的控制策略，具有良好的动态性能，能够及时的对各相线路电压进行补偿调节，可以很好的抑制电压的波动、闪变、跌落、上升、过电压和欠电压等电压质量问题。

有益效果：本实用新型的基于电力电子变压器的自动电压调节技术方案，除了具备传统稳压器的优点外，由于采用高频变压器进行变压，所以大大减小了整体装置的体积，提高了整个装置的效率；通过采用相应的控制方式，可以方便的自动调节稳定输出电压，具有良好的动态性能，能够及时的对线路各相电压进行补偿调节，可以很好的抑制电压的波动、闪变、跌落、上升、过电压和欠电压等电压质量问题。

附图说明

图1：本实用新型基于AC-AC型电力电子变压器原理框图。

图2：本实用新型的单相结构拓扑图。

其中有：第一功率变换器1、第二功率变换器2、高频变压器3、滤波器4；

符号说明：

Vin：装置输入电压，

Vo：线路输出电压，

Va：装置输出电压，

第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1、第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2，第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3、第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4。

L1：第一输出滤波电感，

L2：第二输出滤波电感，

C1：输出滤波电容。

图3：本发明基于AC-AC型电力电子变压器的三相结构拓扑图。

符号说明：

Ua、Ub、Uc：三相供电网络的各相电压。

具体实施方式

下面是本实用新型的具体实施例来进一步描述：

该装置采用三相结构，单相为三级构成，即输入级、隔离级、输出级；输入级由第一功率变换器1构成；隔离级为高频变压器3；输出级由第二功率变换器2构成；其中，第一功率变换器1的输出端接高频变压器3的原边，高频变压器3的副边连接第二功率变换器2的输入端，第二功率变换器2的输出端连接滤波器4的输入端，滤波器4的输出端接三相供电网络。

在电力电子变压器的自动电压调节装置中，输入级中各相功率变换器的输入端星型连接，功率变换器并联在三相供电网络的各相线路上，第一功率变换器1采用桥式拓扑结构由第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1、第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2组成，功率开关单元第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1互补导通后接高频变压器3原边正端，第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2互补导通后接高频变压器3原边负端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反并联二极管并联组成；输出级中功率变换器的输出端串联在三相供电网络的各相线路上，第二功率变换器2采用桥式拓扑结构由第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3、第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4组成，第五功率开关单元S3、第七功率开关单元S4的正端接高频变压器3副边端，第六功率开关单元S3、第八功率开关单元S4的负端接高频变压器3副边负端，功第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3互补导通后接第一输出滤波电感L1负端，第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4互补导通后接第二输出滤波电感L2负端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反并联二极管并联组成；滤波器4由输出滤波电容C1、第一输出滤波电感L1、第二输出滤波电感L2组成，输出滤波电容C1并接在第一输出滤波电感L1、第二输出滤波电感L2的同名端，第一输出滤波电感L1、第二输出滤波电感L2的同名端接三相供电网络。

电力电子变压器的自动电压调节装置控制方法，当各相线路电压发生跌落、欠电压时，装置输出正的电压量对线路电压进行补偿；当线路电压发生上升、过电压时，装置输出负的电压量对线路电压进行补偿。

该装置是基于AC-AC型电力电子变压器的自动电压调节器，其输入级并联接在三相供电网络中，输出级各相串联接在三相供电网络上，实现对各相电压进行调节。该装置的三相结构相同且独立，每一相的工作原理相同，均为：原方将工频电压信号通过第一功率变换器1转化为高频信号(其频率为600Hz到1.2kHz)，即升频，然后通过中间高频变压器3耦合到副方，再利用第二功率变换器2同步还原成工频电压信号，即降频。通过移相控制，可以改变输出电压基波的幅值，同时需要额外的输出滤波器4。

该装置每一相的结构都相同，包括以下组成：采用三级构成，即输入级、隔离级、输出级；输入级由第一功率变换器1构成，功率变换器采用桥式拓扑结构，包括第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1、第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2，每个功率开关单元由两个IGBT及其反并联二极管连接组成，可以实现电流双向流动；隔离级为高频变压器3，可以减小装置体积，提高整体效率，实现电压变换及能量传递的功能；输出级由第二功率变换器2构成，和输入级一样，功率变换器也采用桥式的拓扑结构，包括第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3、第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4，每个功率开关单元由两个IGBT及其反并联二极管连接组成，可以实现电流双向流动，输出级功率变换器还连接滤波器4，以提高电压电流波形质量。输入的交流工频电压经过原边第一功率变换器1调制为高频交流电压，调制是通过第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1、第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2运行在软开关状态实现的，其中第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1S1互补导通，第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2互补导通。其次，高频变压器3原边高频调制电压耦合至其副边，然后由副边与原边结构完全相同的功率变换器2反调制，调制是通过第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3、第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4运行在软开关状态实现的。输出的高频电压，经输出滤波器滤波将其转换为所要求的电压。

该装置的三相结构是由各单相结构组合而成，其输入级并联在三相供电线路上，输出级各相串联在三相供电线路上。以该装置的单相结构为例，说明其调压过程：Vin是装置的输入端电压，Va是装置的输出端电压，该电压量串联叠加在供电线路上，从而对线路输出电压Vo进行调节，其中Vo＝Vin+Va。当线路电压发生跌落、欠电压时，装置输出正的电压量Va对线路电压Vo进行补偿；当线路电压发生上升、过电压时，装置输出负的电压量Va对线路电压Vo进行补偿；装置采用相应的控制策略，具有良好的动态性能，能够及时的对线路电压进行补偿调节，可以很好的抑制电压的波动、闪变、跌落、上升、过电压和欠电压等电压质量问题。

Claims

1.一种电力电子变压器的自动电压调节装置，其特征在于该调节器采用三相结构，单相为三级构成，即输入级、隔离级、输出级；输入级由第一功率变换器(1)构成；隔离级为高频变压器(3)；输出级由第二功率变换器(2)构成；其中，第一功率变换器(1)的输出端接高频变压器(3)的原边，高频变压器(3)的副边连接第二功率变换器(2)的输入端，第二功率变换器(2)的输出端连接滤波器(4)的输入端，滤波器(4)的输出端接三相供电网络。

2.如权利要求1所述的电力电子变压器的自动电压调节装置，其特征在于所述输入级中第一功率变换器(1)的输入端星型连接，第一功率变换器(1)并联在单相线路上，第一功率变换器(1)采用桥式拓扑结构由第一功率开关单元(S1)、第二功率开关单元(S1)、第三功率开关单元(S2)、第四功率开关单元(S2)组成，第一功率开关单元(S1)、第二功率开关单元(S1)互补导通后接高频变压器(3)原边正端，第三功率开关单元(S2)、第四功率开关单元(S2)互补导通后接高频变压器(3)原边负端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反并联二极管并联组成。

3.如权利要求1所述的电力电子变压器的自动电压调节装置，其特征在于所述输出级中第二功率变换器(2)串联在单相线路上，第二功率变换器(2)采用桥式拓扑结构由第五功率开关单元(S3)、第六功率开关单元(S3)、第七功率开关单元(S4)、第八功率开关单元(S4)组成；第五功率开关单元(S3)、第七功率开关单元(S4)的正端接高频变压器(3)副边正端，第六功率开关单元(S3)、第八功率开关单元(S4)的负端接高频变压器(3)副边负端，第五功率开关单元(S3)、第六功率开关单元(S3)互补导通后接第一输出滤波电感(L1)负端；第七功率开关单元(S4)、第八功率开关单元(S4)互补导通后接第二输出滤波电感(L2)负端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反并联二极管并联组成；

4.如权利要求1所述的电力电子变压器的自动电压调节装置，其特征在于所述滤波器(4)由输出滤波电容(C1)、第一输出滤波电感(L1)、第二输出滤波电感(L2)组成，输出滤波电容(C1)并接在第一输出滤波电感(L1)、第二输出滤波电感(L2)的同名端，第一输出滤波电感(L1)、第二输出滤波电感(L2)的同名端接单相线路上。