CN102308461A - 具有ac和dc功率能力的混合配电变压器 - Google Patents

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Abstract

提供一种包括电磁变压器和AC-AC转换器的混合配电变压器，该AC-AC转换器具有DC桥接器。AC-AC转换器可操作用于保持混合变压器的输入电压和电流基本上同相并且在输入电压增加或者减少的情况下减少混合变压器的输出电压波动。

Description

具有AC和DC功率能力的混合配电变压器
技术领域
本发明涉及变压器并且更具体涉及一种利用功率电子器件的混合配电变压器。
背景技术
现代社会向数字时代的转变需要开发高质量电力的更可靠供应。在向最终用户供电时的不可或缺部件是配电变压器。常规配电变压器将一个电压的电力转换成值更高或者更低的另一电压的电力。变压器使用初级绕组和次级绕组来实现这一电压转换，各绕组缠绕于铁磁芯上并且包括电导体的多匝。在如今的日常配电系统中运用的常规配电变压器不能保护数字负载免受不良功率质量、比如衰落/浪涌/失真。估计电压扰动让全球工业每年耗费数以百万计美元。
系统有时连接到配电线路以提高功率质量。这样的系统的示例包括动态电压恢复器(DVR)和静态VAR补偿器(SVC)。DVR在电压供应衰落或者峰值期间维持或者恢复操作电负载，而SVC在功率网络上提供快速反应的电抗功率补偿。DVR和SVC经常是连接到常规配电变压器并且与这些变压器一起使用的“附加”系统。
近来已经提出组合电子器件与常规配电变压器以提高功率质量。本发明涉及这样的变压器。
发明内容
根据本发明提供一种混合变压器。该混合变压器具有用于从电源接收输入电压和电流的初级侧以及用于向负载提供输出电压和电流的次级侧。混合变压器包括AC-AC转换器、铁磁芯以及缠绕于芯周围的第一、第二和第三绕组。第一、第二和第三绕组中的至少一个绕组是用于连接到电源的初级绕组，并且第一、第二和第三绕组中的至少一个绕组是用于连接到负载的次级绕组。AC-AC转换器包括连接到第一绕组的第一切换桥接器、与第二绕组串联连接的第二切换桥接器和连接于第一与第二切换桥接器之间的DC桥接器以及控制器。控制器可操作用于控制第一和第二切换桥接器以控制混合变压器的初级侧上的功率因子并且在输入电压改变的情况下减少输出电压的变化。
根据本发明也提供另一混合变压器，该混合变压器具有用于从电源接收输入电压和电流的初级侧以及用于向负载提供输出电压和电流的次级侧。混合变压器包括铁磁芯以及缠绕于芯周围的第一和第二绕组。第一绕组具有相对末端、设置于末端之间的多匝以及连接到匝之一的抽头。抽头有助于限定第一绕组的绕组部分。第一和第二绕组之一是用于连接到电源的初级绕组，并且第一和第二绕组中的另一绕组是用于连接到负载的次级绕组。功率电子模块连接到第一绕组的抽头。控制设备可操作用于控制功率电子模块以调节输出电压的变化并且控制混合变压器的初级侧上的功率因子。
附图说明
本发明的特征、方面和优点参照下文描述、所附权利要求和以下附图将变得更好理解，其中：
图1示出了根据本发明第一实施例构造的第一混合变压器的示意电路；
图2示出了根据本发明第二实施例构造的第二混合变压器的示意电路；
图3示出了在第一混合变压器中使用的第一AC-AC转换器的示意电路；
图4示出了在第二混合变压器中使用的第二AC-AC转换器的示意电路；
图5示出了通过脉宽调制形成的正弦波形的示意图；
图6示出了锁相环的功能框图；
图7示出了用于电流a(和a虚)-dq变换的功能框图；
图8示出了d-q矢量控制的功能框图；
图9示出了用于D-Q到a(a虚)变换的功能框图；
图10示出了用于为第一AC-AC转换器生成门控信号的功能框图；
图11示出了用于第二AC-AC转换器的门控信号的功能框图；
图12示出了用于输出电压a-dq变换的功能框图；
图13示出了用于d-q电压控制的功能框图；
图14示出了用于d-q参考电压到abc轴的功能框图；
图15示出了用于第一AC-AC的SPWM调制；
图16示出了用于第二AC-AC转换器的SPWM调制；
图17示出了根据本发明第三实施例构造的第三混合变压器的示意电路；
图18示出了根据本发明第四实施例构造的第四混合变压器的示意电路；
图19示出了可以在图17和图18中所示第三和第四混合变压器中使用的功率电子模块的示意电路；
图20示出了具有IED和通信链路的混合变压器的示意电路；
图21示出了具有电池组的第一AC-AC转换器的示意电路；
图22示出了根据本发明构造的三相混合变压器的示意电路；
图23示出了本发明的仿真混合变压器的瞬态电压调节能力的绘图；
图24示出了本发明的仿真混合变压器的长时间(衰落)电压调节能力的绘图；
图25示出了本发明的混合变压器应用于功率因子纠正；
图26示出了本发明的混合变压器应用于并行线路上的相移和功率流控制；以及
图27示出了本发明的混合变压器应用于数据中心，其中AC和DC负载由混合变压器供电。
具体实施方式
应当注意，在下文具体描述中，相同部件无论是否在本发明的不同实施例中示出它们都具有相同标号。也应当注意，为了清楚而简洁地公开本发明，附图可以未必按比例并且可以用有些示意的形式示出本发明的某些特征。
本发明涉及一种可以在配电中使用的混合变压器。该混合变压器主要包括电磁变压器和功率电子AC-AC转换器。该电磁变压器包括铁磁芯、初级绕组结构和次级绕组结构，各绕组缠绕于铁磁芯上。初级绕组结构包括一个或者多个初级绕组，并且次级绕组结构包括一个或者多个次级绕组。电磁变压器可以是液体填充的变压器，其中芯以及初级和次级绕组结构浸入介电的流体中，或者电磁变压器可以是干式变压器，其中芯以及初级和次级绕组结构未浸入介电的流体中而代之以装入介电树脂中或者由惰性气体或者简单地由环境空气包围。混合变压器可以是单相变压器、三相变压器或者多相(＞3相)变压器。混合变压器可以是极装配的或者焊盘装配的。
在图1和图2中示出并且分别用标号10、100标明根据本发明构造的混合变压器的两个实施例。混合变压器10、100包括与AC-AC转换器14、114集成的电磁变压器12、102。电磁变压器12、102包括铁磁芯16和至少三个绕组。例如：一个初级绕组和两个次级绕组或者两个初级绕组和一个次级绕组。混合变压器10、100可以是功率额定值约为67kVA而电压额定值约为7.79kV至277V的单相变压器。
AC-AC转换器14、114可以连接到初级绕组结构或者次级绕组结构中。如果AC-AC转换器14、114连接到初级绕组结构中，则初级绕组结构包括至少两个初级绕组，而如果AC-AC转换器14、114连接到次级绕组结构中，则次级绕组结构包括至少两个次级绕组。在末端连接到AC-AC转换器14、114的一侧(初级或者次级)上的绕组应当称为邻近绕组，而在该侧上的其它一个或多个绕组应当称为一个或多个远端绕组。
如图1中所示，混合变压器10包括电磁变压器12，该变压器具有初级绕组结构18(具有单个初级绕组20)和次级绕组结构22(具有两个次级绕组24、26)。AC-AC转换器14连接到次级绕组26的末端并且与次级绕组24串联连接。在次级绕组结构两端的电压Vout等于在次级绕组24两端的电压Vout1加上在AC-AC转换器14两端的电压Vout2。在正常操作条件之下，次级绕组24产生向负载的输出电压的100％。在需要时，次级绕组26可以产生向负载的输出电压的上至20％。可以构造混合变压器10使得初级绕组20可以支持8.66kV的电压、次级绕组24可以产生277V的电压而次级绕组26可以产生55.4V的电压(这对应于绕组24的电压的20％)。
如图2中所示，混合变压器100包括电磁变压器102，该变压器具有初级绕组结构104(具有两个初级绕组106、108)和次级绕组结构112(具有单个次级绕组116)。AC-AC转换器114连接到初级绕组108的末端并且与初级绕组106串联连接。在初级绕组结构两端的电压Vin等于在初级绕组106两端的电压Vin1加上在AC-AC转换器114两端的电压Vin2。构造初级绕组结构104使得在正常条件之下初级绕组106支持输入电压的100％。在需要时，初级绕组108可以支持输入电压的20％。可以构造混合变压器100使得初级绕组106可以支持7.97kV的电压、初级绕组108可以支持1.59kV的电压、次级绕组116可以支持277V的电压并且有0.1pu的漏电感。由于输入电压等于从AC-AC转换器114输出的电压加上初级绕组106的电压，所以对从AC-AC转换器114输出的电压的控制对输入电压并且因此对输出电压进行控制。
AC-AC转换器14可以是具有图3中所示结构的AC-DC-AC转换器。在这一实施例中，AC-AC转换器14包括通过DC链路或者桥接器32连接到第二切换桥接器34的第一切换桥接器30。第一切换桥接器30连接到次级绕组26的末端。滤波器31可以连接于第一切换桥接器30与次级绕组26之间。另一滤波器31也可以连接到第二切换桥接器34的输出。第一和第二切换桥接器30、34中的各切换桥接器连接到控制器36并且由控制器36控制。此外，第一和第二切换桥接器30、34中的各切换桥接器包括多个切换器件38。如图3中所示，第一和第二切换桥接器30、34中的各切换桥接器可以包括并联连接的成对臂，各臂具有串联连接的成对切换器件38。各切换器件38可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和反并联二极管。DC桥接器32可以包括串联连接的多个电容器。电容器可以具有相同或者不同的电容。如图3中所示，DC桥接器32可以具有四个电容器40、42、44、46。多个DC抽头连接到DC桥接器32并且提供不同的维持DC电压电平。更具体而言，三个DC抽头48、50、52可以分别连接于成对电容器40、42、44、46之间并且可以已经维持12伏特、24伏特和100伏特的电压。这些抽头48、50、52的组合可以用来获得36、112、123和136伏特DC。也可以实施其它电压电平。
AC-AC转换器114可以是具有图4中所示结构的AC-DC-AC转换器。在这一实施例中，AC-AC转换器114是具有三个电平的中性点转换器(NPC)。AC-AC转换器114包括通过DC链路或者桥接器132连接到第二切换桥接器134的第一切换桥接器130。第一切换桥接器130连接到电压源。滤波器31可以连接于第一切换桥接器130与电压源之间。另一滤波器31可以连接于第二切换桥接器134与初级绕组108之间。第一和第二切换桥接器130、134中的各切换桥接器连接到控制器136并且由控制器136控制。此外，第一和第二切换桥接器30、34中的各切换桥接器包括多个切换器件138。如图4中所示，第一和第二切换桥接器130、134中的各切换桥接器可以包括并联连接的成对臂，各臂具有串联连接的四个切换器件138。在各臂中，钳位二极管140连接于顶部成对切换器件138与底部成对切换器件138之间。各切换器件138可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和反并联二极管。DC桥接器132可以包括串联连接的多个电容器。如图4中所示，DC桥接器132可以具有两个电容器142、144。钳位二极管140在电容器142、144之间(即在中点或者中性点(该处的电压是在整个DC桥接器132两端的电压的一半))连接(钳位)到DC桥接器132。抽头150也可以连接到中性点。
如图3中所示，各滤波器31包括分别连接到线路151、153中的电感器147。电容器149并联连接于线路151、153之间。滤波器31有助于防止高频谐波由于切换器件38、138的切换而引入变压器10、100的输出电压以及初级和次级绕组中的电流中。虽然滤波器31表示为LC滤波器，但是应当理解可以使用其它类型的滤波器。例如可以使用L或者LCL滤波器。
虽然示出了AC-AC转换器14、114具有不同构造或者拓扑，但是应当理解它们可以均具有相同拓扑，该拓扑可以是上文针对AC-AC转换器14描述的拓扑或者上文针对AC-AC转换器114描述的拓扑。还应当理解，其它AC-AC转换器技术可以用于两个AC-AC转换器14、114，只要其它拓扑具有DC链路或者桥接器。例如可以使用具有四个、五个等电平的NPC AC-AC转换器。无DC桥接器的AC-AC转换器可以用于无需DC输出的那些应用。
控制器36和136各自包括用于执行存储于关联存储器中的程序的处理器。控制器36和136使用脉宽调制(PWM)来分别控制AC-AC转换器14、114，其中切换器件38、138打开和闭合，以产生电压脉冲系列，其中平均电压为峰电压乘以占空周期，即脉冲的“接通”和“切断”时间。以这一方式，可以使用如图5中所示宽度可变的正和负电压脉冲系列来近似正弦波。可以通过改变PWM模式来改变正弦波的相位和幅度。
在AC-AC转换器14、114中的各转换器中，控制器36、136控制第一切换桥接器30、130以平衡从AC-AC转换器14、114的有功功率传送并且通过经过变压器耦合向负载提供无功功率来控制初级侧功率因子。控制器36、136基于d-q变换来控制第一切换桥接器30、130，该变换是坐标从三相静止坐标系向dq旋转坐标系的变换。通常在两个步骤中进行这一变换：1)从三相静止坐标系向两相(所谓ab)静止坐标系的变换和2)从ab静止坐标系向dq旋转坐标系的变换。比如图6中所示锁相环可以用来提取初级侧电压的相角。用于单相转换器的d-q变换类似于用于三相系统的d-q变换。然而由于仅有一个相变量，所以必须假设比实信号滞后90度的对应虚变量。
实信号XR＝XM cos(ωt+φ)
虚变量XI＝XM sin(ωt+φ)
将旋转变换矩阵T应用于静止实变量和虚变量：
T = cos ( ωt ) sin ( ωt ) - sin ( ωt ) cos ( ωt )
D-Q旋转坐标中的变量变成：
X D X q = T X R X I = X M cos ( φ ) sin ( φ )
从dq旋转坐标向静止实变量和虚变量的逆变换矩阵为：
T - 1 = T T = cos ( ωt ) - sin ( ωt ) sin ( ωt ) cos ( ωt )
在图7中示出了用于当前a(和a虚)-dq变换的功能框图。在图7和图8中，术语“整流器”是指DC桥接器32、132。
控制器36、136控制在DC桥接器32、132两端的电压跟随参考DC电压以平衡有功功率。选择参考DC电压使得AC-AC转换器可以补偿上至预定数量的电压浪涌和衰落，比如上至正常输入电压的15％的电压浪涌和上至正常输入电压的35％的电压衰落。在混合变压器10的第一示例实施例中，参考DC电压为0.5kV，而在混合变压器100的第一示例实施例中，参考DC电压为4.5kV。此外，控制器36、136控制初级侧电流的q轴分量为零，这意味着向混合变压器10、100的输入的单位功率因子。在图8中示出了用于d-q矢量控制的功能框图。首先在d轴循环中比较DC链路(DC桥接器32、132)电压与参考DC电压并且向比例积分(PI)调节器馈送差值，该调节器生成Id_ref。然后比较整流器(DC桥接器32、132)的Id与Id_ref并且向另一PI调节器馈送差值以生成Vd_ref。在q轴循环中比较源电流的Iq与0并且向PI调节器馈送差值，该调节器生成用于次级侧整流器的Iq_ref。然后比较Iq_rectifier与Iq_ref并且向另一PI调节器馈送差值以生成Vq_ref。将d-q电压(Vdref和Vqref)变换成A和a-虚轴以生成用于正弦PWM(SWPM)的调制信号。然后向第一切换桥接器30、130的切换器件发送门控信号。在图9中示出了用于D-Q到a(a虚)变换的功能框图。在图10中示出了用于为AC-AC转换器14生成门控信号的功能框图，并且在图11中示出了用于AC-AC转换器114的门控信号的功能框图。
在AC-AC转换器14、114中的各AC-AC转换器中，控制器36、136控制第二切换桥接器34、134以将输出电压维持于设置值或者参考输出电压(比如480V/sqrt(3)RMS)处并且为干净的正弦波形。因此在电压衰落的情况下，控制器36、136增加AC-AC转换器14、114的电压输出，并且在电压浪涌的情况下，控制器减少AC-AC转换器14、114的电压输出。为了完全利用次级绕组24并且避免循环电流，控制器36控制AC-AC转换器14的输出电压以与次级绕组24的电压同相。类似地，为了完全利用输入电压并且避免循环电流，控制器136控制AC-AC转换器114的输出电压以与初级绕组106的电压同相。
控制器36、136也基于d-q变换来控制第二切换桥接器34、134。首先使用来自用于初级侧电压的锁相环的相角将混合变压器10、100的输出电压从abc(a和a虚轴)向d-q轴变换。在图12中示出了用于输出电压a-dq变换的功能框图。然后分别比较输出的d-q电压与参考输出d-q电压，并且分别向PI调节器馈送差值以生成用于AC-AC转换器的d-q电压参考。控制器36、136的目标在于将变压器输出电压调节成1.0pu。因此比较矢量量值与1.0pu、即Vd_ref设置成1.0pu，这意味着将混合变压器10、100的输出电压调节成480V/sqrt(3)RMS。Vq_ref设置成0，从而对于AC-AC转换器14而言AC-AC转换器14的输出电压与初级侧电压和次级绕组24同相并且对于AC-AC转换器114而言，AC-AC转换器114的输出电压与源电压和初级绕组106同相。在图13中示出了用于d-q电压控制的功能框图。将d-q电压参考变换成a(和a虚)轴，该轴然后用于SPWM控制的调制信号。在图14中示出了用于d-q参考电压到abc轴的功能框图。在图15中示出了用于AC-AC转换器14的SPWM调制，并且在图16中示出了用于AC-AC转换器114的SPWM调制。
在混合变压器10、100中保护AC-AC转换器14、114免受短路故障。
在混合变压器10中，控制器36监视混合变压器10的输入电压和输出电流。如果输出电流超过预定限制(由此表明该输出中的短路故障)或者输入电压降至某一电平以下(由此表明该输入中的短路故障)，则控制器36停止所有切换器件38的脉宽调制，即切断(打开)切换器件38，由此将负载从电源断开。以这一方式，AC-AC转换器14充当断路器。
在混合变压器100中，有可能的是AC-AC转换器114可能在短路故障的情况下受到整个电压。为了保护AC-AC转换器114免受这一增加的电压，控制器136监视AC-AC转换器114的电压。如果电压增至预定电平以上(由此表明故障)，则控制器136接通(闭合)第一切换桥接器130中的四个切换器件38(称为S1a、S1b、S2a、S2b(或者底部四个切换器件(称为S3a、S3b、S4a、S4b)))，由此使AC-AC转换器114被旁路。为了提供附加保护，断路器170可以连接于电源与AC-AC转换器114之间。断路器170可以是固态断路器或者机电断路器。取代断路器170，旁路开关172可以在AC-AC转换器114与初级绕组106之间与AC-AC转换器114并联连接。
如上文所述，混合变压器10、110各自具有三个绕组。应当理解，根据本发明实施的混合变压器可以具有少于三个绕组、即可以具有单个初级绕组和单个次级绕组。下文描述的混合变压器54、74是两个这样的示例。
现在参照图17，混合变压器54包括电磁变压器56，该变压器具有单个初级绕组58和单个次级绕组57(具有一个或者多个抽头)。各抽头在次级绕组57的末端之间连接到次级绕组57的一匝。内抽头59将次级绕组57划分成两个绕组部分60和62。绕组部分60由内抽头59和次级绕组57的第一极端或者代之以另一外抽头来形成。类似地，绕组部分62由内抽头59和次级绕组57的第二极端或者代之以另一外抽头来形成。初级和次级绕组缠绕于铁磁芯64周围。功率电子模块65连接于次级绕组57的绕组部分62两端。电压“AC输出”等于在次级绕组的绕组部分60两端的电压加上在功率电子模块65两端的电压。由于输出电压等于从功率电子模块65输出的电压加上绕组部分60的电压，所以对从功率电子模块65输出的电压控制对混合变压器54的输出电压进行控制。如下文将描述的那样，功率电子模块65包括可以用来在DC负载连接到混合变压器54的DC输出端子66时向DC负载供电的DC母线。可选能量存储设备如电池67可以使用开关68来连接于DC输出端子66两端。
现在参照图18，混合变压器74包括电磁变压器76，该变压器具有单个次级绕组78和单个初级绕组79(具有一个或者多个抽头)。各抽头在初级绕组79的末端之间连接到初级绕组79的一匝。内抽头81将初级绕组79划分成两个绕组部分80和82。绕组部分80由内抽头81和初级绕组79的第一极端或者代之以另一外抽头来形成。类似地，绕组部分82由内抽头81和初级绕组79的第二极端或者代之以另一外抽头来形成。初级和次级绕组缠绕于铁磁芯75周围。功率电子模块65连接到初级绕组79的绕组部分82。电压Vin等于在绕组部分80两端的电压加上在功率电子模块65两端的电压。由于输入电压等于从功率电子模块65输出的电压加上绕组部分80的电压，所以对从功率电子模块65输出的电压的控制对混合变压器74的输入电压并且因此对其输出电压进行控制。
现在参照图19，功率电子模块65包括AC-AC转换器、两个开关84和86以及故障电流限制组件，该组件包括阻抗88和电子开关90。各开关84、86可以是机械开关、电子开关或者混合机械/电子开关。开关84、86和电子开关90由AC-AC转换器的控制器控制。AC-AC转换器可以是AC-AC转换器14、AC-AC转换器114或者具有另一不同类型的拓扑的AC-AC转换器。在混合变压器54中，功率电子模块65可以利用AC-AC转换器14，而在混合变压器74中，功率电子模块65可以利用AC-AC转换器114。如果功率电子模块65利用AC-AC转换器14，则功率电子模块65的DC母线包括DC桥接器32。如果功率电子模块65利用AC-AC转换器114，则功率电子模块65的DC母线包括DC桥接器132。
在功率电子模块65的正常操作期间，开关84闭合而开关86打开。如果功率电子模块65出故障，则可以通过打开开关84而闭合开关86来产生旁路。在正常操作期间，电子开关90打开并且负载电流流过AC-AC转换器的DC-AC转换器(第二切换桥接器34或者134)。在网络相到地或者相到相故障期间阻塞DC-AC转换器而闭合开关90从而迫使故障电流通过阻抗88。通过在故障期间引入阻抗88来限制故障电流以保护变压器和上游设备。阻抗88可以是电阻或者电感型。
应当理解，混合变压器10、100可以具有布置相同(相对于AC-AC转换器14、114)并且以与上文针对混合变压器54、74描述的相同方式操作的开关84、86以及阻抗88和电子开关99。
在混合变压器10、100、54、74中的各混合变压器中，控制器36、136可以是智能电子设备(IED)或者可以与IED接口连接，其中IED除了控制AC-AC转换器14、114之外还控制和监视混合变压器10、100、54、74的操作方面。在图20中示出了这样的IED 160装配于混合变压器10、100、54、74上或者邻近于混合变压器10、100、54、74。IED 160包括用户接口、处理器、存储器和通信端口。除了控制AC-AC转换器14、114及其附属设备之外，IED 160还监视混合变压器10、100、54、74的操作并且通过通信链路164向位于远处的控制中心162传达操作信息，该通信链路可以是物理硬接线链路、卫星链路、蜂窝链路、调制解调器或者电话线链路、因特网链路或者任何其它无线或者广域或者共享局域网链路。例如，为了与IED 160通信而连接的传感器可以测量初级和/或次级绕组的电流、电压和温度。IED 160可以通过通信链路164向控制中心162定期或者持续发送这些电流、电压和温度的值和/或如果值超过某些预定限制则可以通过通信链路164向控制中心162发送警报。除了发送关于初级和/或次级绕组的信息之外，IED 160还可以通过通信链路164向控制中心162发送关于AC-AC转换器14、114的操作的信息。另外，IED 160可以从控制中心162接收和实施用于改变AC-AC转换器14、114的操作的控制命令。
除了与控制中心16通信之外，IED 160还可以与其它IED通信。例如IED 160可以与安装于其它混合变压器10、100、54、74(相同配电网络的部分)中的其它IED 160通信。IED 160可以直接或者通过位于控制中心162中的数据服务器(未示出)来相互通信。在前一情况下，IED 160可以经由射频收发器、有线或者无线局域网(LAN)或者通信总线来相互直接通信。在后一情况下，通过通信链路164发生在各IED 160与数据服务器之间的通信。
IED 160可以支持IEC61850标准并且在这样做时定义用于变电站的抽象对象模型和用于通过网络访问这些模型的方法。模型可以映射到包括Manufacturing Message Specification(MMS)、GenericObject Oriented Substation Events(GOOSE)、Generic SubstationStatus Event(GSSE)和Sampled Measured Values(SMV)的多个协议。这些协议可以运行于TCP/IP网络和/或使用高速切换以太网的LAN之上。
取代使用IED以向位于远处的控制中心发送操作信息，发送器可以用来这样做。发送器可以连接到传感器并且可以向经由可以是无线或者硬接线的通信链路向远程位置(比如控制中心162)发送传感器测量的值。
DC抽头48、50、52、150可以被连接成向用来监视和发送与混合变压器10、100、54、74的操作有关的数据的传感器、发送器和其它通信设备提供DC功率。DC抽头48、50、52、150也可以被连接成向控制器36、136和/或IED 160提供DC功率。根据混合变压器10、100、54、74的应用，DC抽头可以被连接成向与应用关联的设备提供DC功率。
在AC-AC转换器14、114中的各AC-AC转换器中，如针对AC-AC转换器14在图21中所示，电池组162和关联开关可以与DC桥接器32、132并联连接。当IED 160检测到电压衰落或者中断时，IED 160可以闭合开关并且将电池组162连接到第二切换桥接器34以便向第二切换桥接器34提供DC功率以补偿损失或者衰落。连接到DC桥接器32的稳定充电器或者浮接充电器可以在未利用电池组162时保持电池组完全充电。取代让电池组162与DC桥接器32、132并联连接，电池组162可以连接到DC桥接器32、132中并且可以取代电容器。比如图17、18中所示，又一选项是在混合变压器10、100、54、74的DC输出端子两端连接电池组67。
三个单相混合变压器10、100、54、74可以连接以形成三相变压器。连接可以是Y-Y、Y-△、△-Y或者△-△。在这一实施例中，用于混合变压器10、100、54、74的控制器36、136将同步以提供均衡三相功率。
现在参照图22，可以提供具有三相电磁变压器202和三相AC-AC转换器的三相混合变压器200。在混合变压器200中，相同电压调节和功率因子纠正原理保持与上文针对单相混合变压器10、100、54、74描述的原理相同。AC-AC转换器可以包括三个单元206a、206b、206c(一个单元用于相应各相)，其中除了用于三相混合变压器的控制器适于控制三相电流和电压而不是单相电流和电压之外各单元206具有与AC-AC转换器14或者AC-AC转换器114基本上相同的构造。
应当理解，可以提供具有多于三相的多相混合变压器。对于这样的多相混合变压器，相同电压调节和功率因子纠正原理保持与上文针对单相混合变压器10、100、54、74描述的原理相同。
本发明的混合变压器10、100、54、74提供多个益处。AC-AC转换器14、114可操作用于控制在混合变压器10、100的初级侧上的功率因子。对照而言，在常规变压器的初级侧上的功率因子依赖于负载。此外，AC-AC转换器14、114可操作用于在输入电压衰落或者浪涌的情况下减少混合变压器10、100、54、74的输出电压波动。例如，在输入电压增加或者减少15％的情况下，AC-AC转换器14、114可以保持输出电压波动少于5％。混合变压器10、100、54、74的输入电流也小于常规变压器的输入电流，因为混合变压器10、100、54、74生成所有所需无功功率、因此电压源仅向负载提供有功功率。混合变压器10、100、54、74可以使用于数据中心、海军推进系统、汽车制造设施、药厂、医院、聚合物加工长、造纸厂和风场中。
在图23至图27中示出了根据本发明实施例实施的混合变压器可以如何用来更高效地取代常规功率系统的示例。
现在参照图23，示出了瞬态电压调节的仿真结果。初级电压具有±20％波动，这些波动由混合变压器补偿以获得调节的次级电压。
现在参照图24，示出了20％长时间电压衰落的仿真结果。初级电压下降由混合变压器补偿以获得调节的次级电压。在这一情况下，混合变压器表现负载上的分接开关功能。
在图25(a)中示出了用于功率因子纠正的常规功率系统250。功率系统250包括常规电磁变压器260和可切换电容器组270。按照递增步长切换电容器组270以提供负载功率因子纠正所需要的无功功率。这一方法的特征在于响应缓慢并且覆盖区大。图25(b)中所示混合变压器10、100、54、74提供功率因子纠正所需要的无功功率输出的连续和快速改变。它提供一种需要更少电容器额定值和有限覆盖区的集成解决方案。
在图26中，功率系统300使用两个并行线路330和340来连接两个网络310和320。在实践中，并行线路不具有相同的阻抗，并且在一条线路中流动的功率大于在另一线路中流动的功率。在重负载条件之下，线路330、340之一可能受到热超负荷、由此引起线路衰落和机械应力。当混合变压器10、100、54、74与线路330串联放置时，它允许通过对输出电压施加相移来控制经过线路330的功率流。混合变压器10、100、54、74可以与两条线路330和340串联放置并且控制该过道上的功率流。
在图27(a)中示出了用于数据中心的常规功率系统400。功率系统400包括常规电磁变压器402、常规不间断电源(UPS)404、电池组406和整流器408。UPS 404和变压器402连接到AC电压源并且向AC负载提供调控的AC功率。UPS 404连接到电池组406以在电压源失效的情况下提供AC功率。整流器408将调控的AC功率转换成用来向DC负载如计算机供电的DC功率。
常规功率系统400可以由混合变压器10、100、54、74的一个实施例取代，该实施例具有经过开关68在混合变压器的DC输出端子两端连接的电池组67。如图27(b)中所示，DC负载连接到混合变压器10、100、54、74的DC输出端子。在正常条件之下，电池组67维持于完全充电，但是开关68打开。从AC-AC转换器14、114向DC负载提供DC功率。在出现断电时，开关68闭合并且从电池组67向DC负载供应DC功率直至恢复AC功率或者启动本地发电机单元。
具有电池组67的混合变压器10、100、54、74提供与常规功率系统400相同的益处，但是更高效并且设备更少。
如本领域技术人员将理解的那样并且如前文提到的那样，本发明可以实施为控制和监视前述混合变压器的方法、具有配置成实现这些方法的程序代码的计算设备或者系统、在计算机可用或者计算机可读介质上(具有在该介质中实施的计算机可用程序代码)的计算机程序产品或者采用这些方法、计算设备或者系统、计算机程序产品这样的形式。计算机可用或者计算机可读介质可以是任何如下介质，该介质可以包含、存储、传达、传播或者传送用于由指令执行系统、装置或者设备使用或者与指令执行系统、装置或者设备结合使用的程序并且可以例如是但不限于电子、磁、光学、电磁、红外线或者半导体系统、装置、设备或者传播介质或者甚至是程序印刷于其上的纸张或者其它适当介质。计算机可读介质的更具体示例(非穷尽列举)将包括：便携计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或者闪存)、光纤、便携致密光盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储设备、传输介质(比如支持因特网或者内部网的传输介质)或者磁存储设备。可以用任何适当编程语言编写用于实现本发明操作的计算机程序代码或者指令，只要它允许实现前述技术结果。程序代码可以完全在用户的计算设备上执行、部分在用户的计算设备上作为独立软件包执行、部分在用户的计算机上而部分在远程计算机上执行或者完全在远程计算机或者服务器上执行。在后一场景中，远程计算机可以通过局域网(LAN)或者广域网(WAN)连接到用户的计算机，或者可以进行与外部计算机的连接(例如通过使用因特网服务提供商的因特网)。
将理解前述一个或多个示例实施例的描述旨在于仅举例说明而不是穷举本发明。本领域普通技术人员将能够对公开的主题内容的一个或多个实施例进行某些添加、删除和/或修改而不脱离如所附权利要求书的本发明精神实质或者其范围。

Claims (22)

1.一种混合变压器，具有用于从电源接收输入电压和电流的初级侧以及用于向负载提供输出电压和电流的次级侧，所述混合变压器包括：
铁磁芯；
第一、第二和第三绕组，缠绕于所述芯周围，其中所述第一、第二和第三绕组中的至少一个绕组是用于连接到所述电源的初级绕组，并且所述第一、第二和第三绕组中的至少一个绕组是用于连接到所述负载的次级绕组；以及
AC-AC转换器，包括：
第一切换桥接器，连接到所述第一绕组；
第二切换桥接器，与所述第二绕组串联连接；
DC桥接器，连接于所述第一与第二切换桥接器之间；以及
控制器，可操作用于控制所述第一和第二切换桥接器以控制所述混合变压器的初级侧上的功率因子并且在所述输入电压改变的情况下减少所述输出电压的变化。
2.根据权利要求1所述的混合变压器，其中所述第一和第二绕组是次级绕组而所述第三绕组是初级绕组。
3.根据权利要求1所述的混合变压器，其中所述第一和第二绕组是初级绕组而所述第三绕组是次级绕组。
4.根据权利要求1所述的混合变压器，其中所述DC桥接器包括多个电容器和用于向DC负载提供DC功率的一个或者多个抽头。
5.根据权利要求4所述的混合变压器，还包括与所述DC桥接器并联连接的常开开关和电池组，其中当所述输入电压出现中断时所述开关闭合、由此从所述电池组向所述第二切换桥接器提供DC功率。
6.根据权利要求4所述的混合变压器，还包括传感器和用于监视所述混合变压器的操作的监视设备，所述监视设备连接到所述一个或者多个抽头以从所述DC桥接器接收DC功率。
7.根据权利要求6所述的混合变压器，其中所述监视设备是从所述传感器接收所述混合变压器的操作数据的智能电子设备(IED)，所述操作数据包括所述第一、第二和第三绕组中的电流、电压和温度。
8.根据权利要求7所述的混合变压器，其中所述IED包括所述控制器。
9.根据权利要求8所述的混合变压器，其中所述IED通过通信链路连接到位于远处的控制中心并且可操作用于向所述控制中心发送所述操作数据并且从所述控制中心接收用于所述控制器的命令。
10.一种混合变压器，具有用于从电源接收输入电压和电流的初级侧以及用于向负载提供输出电压和电流的次级侧，所述配电变压器包括：
铁磁芯；
第一和第二绕组，缠绕于所述芯周围，所述第一绕组具有相对末端、设置于所述末端之间的多匝和连接到所述匝之一的抽头，所述抽头有助于限定所述第一绕组的绕组部分，并且其中所述第一和第二绕组之一是用于连接到所述电源的初级绕组，并且所述第一和第二绕组中的另一绕组是用于连接到所述负载的次级绕组；
功率电子模块，连接到所述第一绕组的抽头；以及
控制设备，可操作用于控制所述功率电子模块以调节所述输出电压的变化并且控制所述混合变压器的初级侧上的功率因子。
11.根据权利要求10所述的混合变压器，其中所述功率电子模块包括AC-AC转换器，所述AC-AC转换器包括第一和第二转换器，所述第一转换器使用所述抽头来与所述绕组部分中的第一绕组部分并联连接，而所述第二转换器与所述绕组部分中的第二绕组部分串联连接。
12.根据权利要求11所述的混合变压器，其中所述第一绕组是所述初级绕组而所述第二绕组是所述次级绕组。
13.根据权利要求11所述的混合变压器，其中所述第一绕组是所述次级绕组而所述第二绕组是所述初级绕组。
14.根据权利要求11所述的混合变压器，还包括第一和第二开关，所述第一开关与所述第一转换器串联连接，而所述第二开关与所述第二转换器并联连接。
15.根据权利要求14所述的混合变压器，其中所述第一和第二开关中的各开关是机械开关、电子开关或者混合电子/机械开关。
16.根据权利要求14所述的混合变压器，其中所述第一和第二开关由所述控制设备控制使得当确定所述AC-AC转换器正常操作时所述第一开关维持于闭合位置并且所述第二开关维持于打开位置而当确定所述AC-AC转换器未正常操作时所述第一开关打开并且所述第二开关闭合、由此使所述AC-AC转换器被旁路。
17.根据权利要求14所述的混合变压器，还包括与电感器串联连接并且与所述第二转换器并联连接的电子开关。
18.根据权利要求11所述的混合变压器，其中所述AC-AC转换器还包括具有至少一个电容器和一个或者多个DC抽头的DC母线。
19.根据权利要求18所述的混合变压器，其中所述一个或者多个DC抽头包括处于不同DC电压电平的多个抽头。
20.根据权利要求11所述的混合变压器，其中所述第一转换器使用所述抽头和所述第一绕组的末端来与所述绕组部分中的第一绕组部分并联连接。
21.根据权利要求11所述的混合变压器，其中所述抽头是第一抽头并且所述第一绕组还包括与所述第一绕组的所述匝中的另一匝连接的第二抽头；并且其中所述第一转换器使用所述第一和第二抽头来与所述绕组部分中的第一绕组部分并联连接。
22.根据权利要求10所述的混合变压器，还包括传感器和通过通信链路来连接到位于远处的控制中心的智能电子设备(IED)，所述IED包括所述控制器并且可操作用于从所述传感器接收操作数据、向所述控制中心发送所述操作数据并且从所述控制中心接收用于所述控制器的命令。
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