专利名称：基于电力电子变压器的自动电压调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电力电子变压器的自动电压调节装置，属于电力电子在 电力系统中的应用技术领域。
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系统注入一个补偿电压，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
技术问题本发明的目的是提出一种基于电力电子变压器的自动电压调节器 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。
技术方案本发明公开了一种基于电力电子变压器的自动电压调节器，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TH端，第三功率丌关单元、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；装置釆用 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。
有益效果本发明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。
图l:本发明基于AC-AC型电力电子变压器原理框图。
图2:本发明的单相结构拓扑图。
其中有第一功率变换器l、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^1、第三功率开关单元52、第四功 率开关单元巧，第五功率开关单元S3、第六功率开关单元历、第七功率开关单 元S4、第八功率开关单元5。
Ll:第一输出滤波电感，
L2:第二输出滤波电感，Cl: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。
具体实施例方式
下面是本发明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l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。
在基于电力电子变压器的自动电压调节器中，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^1、第三功率开关
单元S2、第四功率开关单元巧组成，功率开关单元第一功率开关单元Sl、第二 功率开关单元万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 四功率开关单元巧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、第六功率开关单元历、第七功率开关单元S4、第八功率开关单元^ 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， 第六功率开关单元巨、第八功率开关单元5的负端接高频变压器3副边负端，功 第五功率开关单元53、第六功率开关单元历互补导通后接第一输出滤波电感Ll 负端，第七功率开关单元S4、第八功率开关单元5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Cl、第一输出滤波电感Ll、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。
基于电力电子变压器的自动电压调节器控制方法，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
6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l构成，功率变换器釆用桥式拓扑结构，
包括第一功率开关单元S1、第二功率开关单元5、第三功率开关单元52、第四功 率开关单元巧，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 关单元巨、第七功率开关单元S4、第八功率开关单元^，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5、第三功率开关单元52、第四功率开关单元五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5^互补导通，第三功率开 关单元S2、第四功率开关单元巧互补导通。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、第六功率开关单元巧、第七功率开关单元S4、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V(^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。
权利要求
1.一种基于电力电子变压器的自动电压调节器，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l所述的基于电力电子变压器的自动电压调节器，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(51 )、第二功率开关单元()、第三功率开关单元(52)、第四功率开关单元(巨) 组成，第一功率开关单元(Sl)、第二功率开关单元(^i)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(5)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l所述的基于电力电子变压器的自动电压调节器，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(巨)、第七功率 开关单元(S4)、第八功率开关单元(^)组成；第五功率开关单元(53)、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(历)、 第八功率开关单元(^)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(^)互补导通后接第一输出滤波电感(Ll)负端； 第七功率开关单元(S4)、第八功率开关单元(^)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l所述的基于电力电子变压器的自动电压调节器，其特征在于 所述滤波器(4)由输出滤波电容(Cl)、第一输出滤波电感(Ll)、第二输出滤 波电感(L2)组成，输出滤波电容(Cl)并接在第一输出滤波电感(Ll)、第二 输出滤波电感(L2)的同名端，第一输出滤波电感(Ll)、第二输出滤波电感(L2) 的同名端接单相线路上。
全文摘要
本发明涉及一种基于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系统中的应用技术领域。基于电力电子变压器的自动电压调节器分为三级输入级、隔离级、输出级。输入级由功率变换器组成，可以实现电流双向流动；隔离级采用高频变压器，以减小变压器体积，提高整体变换效率；输出级也由功率变换器组成，每个变换器还连接滤波器，以提高电压电流波形质量。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。
文档编号H02M5/10GK101615847SQ20091018323
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者倪喜军, 杰 白, 赵剑锋, 华 黄 申请人:东南大学