一种基于全柔性控制的柔性配电变压器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于全柔性控制的柔性配电变压器，所述变压器包括高压级单元、隔离级单元和低压级单元；所述高压级单元、隔离级单元和低压级单元依次连接，所述高压级与隔离级单元之间、隔离级单元与低压级单元之间均通过直流母线连接。本发明提供一种基于全柔性控制的柔性配电变压器，融合了传统变压器和DFACTS控制器的功能，彻底改变了传统变压器的刚性控制结构，使配电网控制更简洁灵活。
【专利说明】—种基于全柔性控制的柔性配电变压器
【技术领域】
[0001]本发明属于柔性配电【技术领域】，具体涉及一种基于全柔性控制的柔性配电变压器。
【背景技术】
[0002]变压器是将一种形式的交流电能变换成另一种形式的交流电能的电力设备。电力变压器主要用于实现电压等级变换和电气隔离，自19世纪末被发明以来已有100多年的发展历史，目前已成为电力系统最基本和最重要的组成设备之一。今天的电力变压器，无论是工艺，还是性能都达到了前所未有的高度，但变压器的基本功能、工作原理和结构却没有发生任何变化。然而电力系统与过去相比发生了深刻变化，特别是近几十年来电力系统出现了一系列新的特点，如:电网规模日益扩大；分布式发电技术迅速发展；电网智能化建设；非线性负荷增长迅速等。在电力系统面对这些新挑战的背景下，作为电力系统最基本变电装置的电力变压器，过于单一的功能使得其不足之处越来越明显。为了解决电力系统出现的各种新的问题，不得不在本已非常复杂的系统上继续加装各种调节器、稳定器、控制器和补偿器，使电力系统更加复杂。如果能够直接利用电力系统最基本的元件——电力变压器，来解决电力系统现有的问题，那么电力系统会变得更简洁、安全。
[0003]在未来智能配电系统新的需求影响下，以电力电子技术为基础的柔性配电技术DFACTS将成为实现未来智能配电网主要功能的核心研究内容。对DFACTS的应用研究必将从传统的提高电能质量这一较单一的用途逐渐转变为趋于多种功能集成化、模块化、统一化、通用化的综合应用研究，未来的基于柔性控制的配电关键装备将取代现有机械式、机电式的配电设备，实现新的“全柔性控制”智能控制模式。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于全柔性控制的柔性配电变压器，融合了传统变压器和DFACTS控制器的功能，彻底改变了传统变压器的刚性控制结构，使配电网控制更简洁灵活。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0006]本发明提供一种基于全柔性控制的柔性配电变压器，所述变压器包括高压级单元、隔离级单元和低压级单元；所述高压级单元、隔离级单元和低压级单元依次连接，所述高压级与隔离级单元之间、隔离级单元与低压级单元之间均通过直流母线连接。
[0007]所述变压器为三相四线制供电的柔性配电变压器。
[0008]所述高压级单元包括第一 AC/DC变换器，所述第一 AC/DC变换器包括二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端、控制器和辅助设备；控制器产生调制信号，对二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的电力电子器件主电路进行控制；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的电力电子器件的通断进行驱动，并对二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的过温、过压和过流进行保护，实现二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的变量检测和反馈控制，使二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端安全启动、停机和散热；所述第一 AC/DC变换器交流侧接入配电网线路，其直流侧通过直流母线与隔离级单元的第一 DC/AC变换器直流侧相连。
[0009]所述隔离级单元包括第一 DC/AC变换器、隔离变压器和第二 AC/DC变换器。
[0010]所述第一 DC/AC变换器包括二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器、控制器和辅助设备；控制器产生调制信号对二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器的电力电子器件主电路进行控制，输入直流到高频交流方波；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器的电力电子器件的通断进行驱动，并对二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器的过温、过压和过流进行保护，使二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器安全启动、停机和散热；所述第一 DC/AC变换器直流侧通过直流母线与高压级单元相连，其交流侧输出高频交流方波，且与隔离变压器一次侧相连。
[0011]所述隔离变压器为一次侧I路输入、二次侧3路输出的隔离变压器；一次侧与第一DC/AC变换器交流侧相连，二次侧3路输出分别与第二 AC/DC变换器的3个单相H桥高频谐振整流器的交流侧相连。
[0012]所述隔离变压器为中频隔离变压器或高频隔离变压器。
[0013]所述第二 AC/DC变换器包括3个单相H桥高频谐振整流器、控制器和辅助设备；控制器产生调制信号对3个单相H桥高频谐振整流器的电力电子器件主电路进行控制，实现输入高频方波交流到直流的变换；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对单相H桥高频谐振整流器的电力电子器件的通断进行驱动，并对单相H桥高频谐振整流器的过温、过压和过流进行保护，使单相H桥高频谐振整流器安全启动、停机和散热；所述第二AC/DC变换器交流侧3个单相H桥高频谐振整流器分别与隔离变压器的二次侧3路输出相连，直流侧3路输出分别通过直流母线与低压级单元的第二 DC/AC变换器的3个单相H桥逆变器直流侧相连。
[0014]所述低压级单元包括第二 DC/AC变换器，所述第二 DC/AC变换器包括3个单相H桥逆变器、控制器、3个LC滤波器和辅助设备；控制器产生调制信号对3个单相H桥逆变器的电力电子器件主电路进行控制，实现输入直流到工频交流的变换；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对单相H桥逆变器的电力电子器件的通断进行驱动，并对单相H桥逆变器的过温、过压和过流进行保护，实现单相H桥逆变器的变量检测和反馈控制，使单相H桥逆变器安全启动、停机和散热；3个单相H桥逆变器的直流侧分别通过直流母线与隔离级的第二 AC/DC变换器直流侧相连，交流侧分别与3个LC滤波器相连；第二 DC/AC变换器的输出按YN联结，形成三相四线输出。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0016]1.融合了传统变压器和DFACTS控制器的功能，彻底改变了传统变压器的刚性控制结构，使配电网控制更简洁灵活；
[0017]2.提出了高压级和隔离级单元的多电平拓扑结构，可以适合配电网高压大功率应用特点，并具备方便多电平扩容和谐波拟制的优点，并能减少半导体开关个数达到提高效率、降低成本的优点；[0018]3.提出了针对多电平DFACTS变压器的三级控制，实现了传统变压器和电能质量控制器融合的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是基于全柔性控制的柔性配电变压器结构框图；
[0020]图2是三相四线DFACTS变压器的拓扑结构图；
[0021]图3是高压级单元中的直流电压控制和交流电流控制流程图；
[0022]图4是低压级单元控制流程图；
[0023]图5是本发明实施例中有功功率和无功功率变化曲线图；
[0024]图6是本发明实施例中连接高压级单元的直流母线电压波形图；
[0025]图7是本发明实施例中低压级单元输出电压波形图；
[0026]图8是本发明实施例中低压级单元输出电流波形图；
[0027]图9是本发明实施例中低压级单元C相电压和电流波形图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0029]如图1，本发明提供一种基于全柔性控制的柔性配电变压器，所述变压器包括高压级单元、隔离级单元和低压级单元；所述高压级单元、隔离级单元和低压级单元依次连接，所述高压级与隔离级单元之间、隔离级单元与低压级单元之间均通过直流母线连接。
[0030]所述变压器为三相四线制供电的柔性配电变压器。
[0031]如图2和图3，所述高压级单元包括第一 AC/DC变换器，所述第一 AC/DC变换器包括二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端、控制器和辅助设备；控制器产生调制信号，对二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的电力电子器件主电路进行控制，实现输出直流电压恒定，以及交流侧电流正弦和功率因数灵活可调，并可以实现四象限运行；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的电力电子器件的通断进行驱动，并对二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的过温、过压和过流进行保护，实现二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的变量检测和反馈控制，使二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端安全启动、停机和散热；所述第一AC/DC变换器交流侧接入配电网线路，其直流侧通过直流母线与隔离级单元的第一 DC/AC变换器直流侧相连。
[0032]所述隔离级单元包括第一 DC/AC变换器、隔离变压器和第二 AC/DC变换器。
[0033]所述第一 DC/AC变换器包括二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器、控制器和辅助设备；控制器产生调制信号对二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器的电力电子器件主电路进行控制，输入直流到高频交流方波；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器的电力电子器件的通断进行驱动，并对二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器的过温、过压和过流进行保护，使二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器安全启动、停机和散热；所述第一 DC/AC变换器直流侧通过直流母线与高压级单元相连，其交流侧输出高频交流方波，且与隔离变压器一次侧相连。[0034]所述隔离变压器为一次侧I路输入、二次侧3路输出的隔离变压器；一次侧与第一DC/AC变换器交流侧相连，二次侧3路输出分别与第二 AC/DC变换器的3个单相H桥高频谐振整流器的交流侧相连。
[0035]所述隔离变压器为中频隔离变压器或高频隔离变压器。
[0036]所述第二 AC/DC变换器包括3个单相H桥高频谐振整流器、控制器和辅助设备；控制器产生调制信号对3个单相H桥高频谐振整流器的电力电子器件主电路进行控制，实现输入高频方波交流到直流的变换；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对单相H桥高频谐振整流器的电力电子器件的通断进行驱动，并对单相H桥高频谐振整流器的过温、过压和过流进行保护，使单相H桥高频谐振整流器安全启动、停机和散热；所述第二AC/DC变换器交流侧3个单相H桥高频谐振整流器分别与隔离变压器的二次侧3路输出相连，直流侧3路输出分别通过直流母线与低压级单元的第二 DC/AC变换器的3个单相H桥逆变器直流侧相连。
[0037]如图2和图4，所述低压级单元包括第二 DC/AC变换器，所述第二 DC/AC变换器包括3个单相H桥逆变器、控制器、3个LC滤波器和辅助设备；控制器产生调制信号对3个单相H桥逆变器的电力电子器件主电路进行控制，实现输入直流到工频交流的变换；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对单相H桥逆变器的电力电子器件的通断进行驱动，并对单相H桥逆变器的过温、过压和过流进行保护，实现单相H桥逆变器的变量检测和反馈控制，使单相H桥逆变器安全启动、停机和散热；3个单相H桥逆变器的直流侧分别通过直流母线与隔离级的第二 AC/DC变换器直流侧相连，交流侧分别与3个LC滤波器相连；第二 DC/AC变换器的输出按YN联结，形成三相四线输出。
[0038]DFACTS变压器装置总容量50KVA，额定电压等级为550V/220V，投入满负荷，功率因数0.8滞后运行，0.13秒仅在c相投入5KW负荷。
[0039]其运行形态如图5-8所示。图5中装置在负载功率因数为0.8滞后，满载运行，稳定后，无功功率始终保持在0左右，即使在出现三相不平衡和超负荷的情况下有功功率和无功功率始终保持稳定，仍然能够实现网侧单位功率因数运行，其中实线表示有功功率，虚线表示无功功率；图6是高压级直流母线电压，在稳定运行后始终保持直流母线电压1.2KV不变。图7和图8分别是装置低压级输出电压和电流三相波形，图9是装置低压级C相电压电流波形图，虚线表示电流，实线表示电压，无论是在满载和出现三相不平衡情况下都能保证该装置的低压侧输出电压都维持在220V恒定，且具有良好的正弦度和较低的总谐波畸变率。
[0040]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种基于全柔性控制的柔性配电变压器，其特征在于:所述变压器包括高压级单元、隔离级单元和低压级单元；所述高压级单元、隔离级单元和低压级单元依次连接，所述高压级与隔离级单元之间、隔离级单元与低压级单元之间均通过直流母线连接。
2.根据权利要求1所述的基于全柔性控制的柔性配电变压器，其特征在于:所述变压器为三相四线制供电的柔性配电变压器。
3.根据权利要求1所述的基于全柔性控制的柔性配电变压器，其特征在于:所述高压级单元包括第一 AC/DC变换器，所述第一 AC/DC变换器包括二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端、控制器和辅助设备；控制器产生调制信号，对二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的电力电子器件主电路进行控制；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的电力电子器件的通断进行驱动，并对二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的过温、过压和过流进行保护，实现二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端的变量检测和反馈控制，使二极管箝位型多电平三相全桥整流有源前端安全启动、停机和散热；所述第一 AC/DC变换器交流侧接入配电网线路，其直流侧通过直流母线与隔离级单元的第一 DC/AC变换器直流侧相连。
4.根据权利要求1所述的基于全柔性控制的柔性配电变压器，其特征在于:所述隔离级单元包括第一 DC/AC变换器、隔离变压器和第二 AC/DC变换器。
5.根据权利要求4所述的基于全柔性控制的柔性配电变压器，其特征在于:所述第一DC/AC变换器包括二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器、控制器和辅助设备；控制器产生调制信号对二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器的电力电子器件主电路进行控制，输入直流到高频交流方波；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对二极管箝位型多电平单相 半桥高频谐振逆变器的电力电子器件的通断进行驱动，并对二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器的过温、过压和过流进行保护，使二极管箝位型多电平单相半桥高频谐振逆变器安全启动、停机和散热；所述第一 DC/AC变换器直流侧通过直流母线与高压级单元相连，其交流侧输出高频交流方波，且与隔离变压器一次侧相连。
6.根据权利要求4所述的基于全柔性控制的柔性配电变压器，其特征在于:所述隔离变压器为一次侧I路输入、二次侧3路输出的隔离变压器；一次侧与第一 DC/AC变换器交流侧相连，二次侧3路输出分别与第二 AC/DC变换器的3个单相H桥高频谐振整流器的交流侧相连。
7.根据权利要求6所述的基于全柔性控制的柔性配电变压器，其特征在于:所述隔离变压器为中频隔离变压器或高频隔离变压器。
8.根据权利要求4所述的基于全柔性控制的柔性配电变压器，其特征在于:所述第二AC/DC变换器包括3个单相H桥高频谐振整流器、控制器和辅助设备；控制器产生调制信号对3个单相H桥高频谐振整流器的电力电子器件主电路进行控制，实现输入高频方波交流到直流的变换；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对单相H桥高频谐振整流器的电力电子器件的通断进行驱动，并对单相H桥高频谐振整流器的过温、过压和过流进行保护，使单相H桥高频谐振整流器安全启动、停机和散热；所述第二 AC/DC变换器交流侧3个单相H桥高频谐振整流器分别与隔离变压器的二次侧3路输出相连，直流侧3路输出分别通过直流母线与低压级单元的第二 DC/AC变换器的3个单相H桥逆变器直流侧相连。
9.根据权利要求1所述的基于全柔性控制的柔性配电变压器，其特征在于:所述低压级单元包括第二 DC/AC变换器，所述第二 DC/AC变换器包括3个单相H桥逆变器、控制器、3个LC滤波器和辅助设备；控制器产生调制信号对3个单相H桥逆变器的电力电子器件主电路进行控制，实现输入直流到工频交流的变换；辅助设备接收控制器的调制信号并产生驱动信号，对单相H桥逆变器的电力电子器件的通断进行驱动，并对单相H桥逆变器的过温、过压和过流进行保护，实现单相H桥逆变器的变量检测和反馈控制，使单相H桥逆变器安全启动、停机和散热；3个单相H桥逆变器的直流侧分别通过直流母线与隔离级的第二 AC/DC变换器直流侧相连，交流
【文档编号】H02M7/02GK103490639SQ201310449822
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】段青, 盛万兴, 孙军平, 孟晓丽, 宋晓辉 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院