CN110086355B - 一种高频控制补偿型可控交流配电变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频控制补偿型可控交流配电变压器，包括三相三绕组工频主变压器和高频集成变换器分。工频主变压器实现了大部分功率的传输，高频集成变换器部分实现少部分功率的补偿。本发明通过高频部分的电力电子器件将工频转换至高频，再通过高频变压器耦合到副边，在副边再采用电力电子器件进行变换将高频方波重新变为工频的信号，达到变压的目的。本发明高频控制补偿型可控交流配电变压器可通过电力电子器件的控制实现主变压器负载电压的稳定控制和电网电流的实时控制，提高电能质量，同比现有公开技术，不仅具备传统变压器的功能，而且达到电压电流可控的效果，另外地采用高频变压器又大大减小了现有技术工频隔离变压器的体积。

Description

一种高频控制补偿型可控交流配电变压器
技术领域
本发明属于变压器技术领域，具体涉及一种高频控制补偿型可控交流配电变压器。
背景技术
智能电网未来的发展趋势对于配电变压器提出了新的要求，除了拥有电压等级变换，电能传递等基本功能外，还应兼具功率因数校正、谐波抑制、无功补偿、不对称控制等多种功能。传统的电力变压器可以实现电压等级的变化和电气隔离，完成能量的传输，但是体积大重量大且可控性差，不能对电力变压器两侧功率因数进行调节，也不能对负载端电压电流进行控制，无法不能满足智能电网的需求。近年来，配电网智能化不断加快，此后出现了电力电子变压器、混合式变压器等新型配电变压器。电力电子变压器作为配电变压器能完成传统变压器的变压、隔离、能量传输等功能，也可以完成电能质量的调节、潮流控制等功能，但在容量大的情况下，整机装置效率低下，可靠性差。而混合式配电变压器具备了传统变压器的高效可靠的优点，而且提升了传统配电变压器的可控性，十分适合未来配电网智能化的发展需求，但其具有两个变压器组和变流器输出连接电感等，导致其分立磁器件过多，导致其体积过大，未来配电变压器需要向大容量、可控性好、高可靠性和小型集成化进行发展。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高频控制补偿型可控交流配电变压器，其以传统变压器为主体进行能量的传输，配置高频集成变换器对电能质量进行提高，具有体积小、容量大、效率高、可控性好的优点。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种高频控制补偿型可控交流配电变压器，包括三相三绕组工频主变压器和高频集成变换器；其中，
高频集成变换器包括依次串联的第一低通滤波器、电压控制PWM变流器、高压侧直流母线电容、第一单相PWM控制器、高频变压器、第二单相PWM控制器、低压侧直流母线电容、电流控制PWM变流器和第二低通滤波器；
三相三绕组工频主变压器包括A、B、C三相，每相包括一次侧绕组、负载绕组和补偿绕组，一次绕组首端接入高压交流电网，末端与高频集成变换器连接，经过高频集成变换器中的低通滤波器滤波后与电压控制PWM变流器交流侧相连，三相三绕组工频主变压器的补偿绕组通过第二低通滤波器滤波后与电流控制PWM变流器交流侧相连，并通过高频集成变换器的电压控制PWM变流器来进行三相三绕组工频主变压器一次侧电压补偿实现负载绕组电压的稳定控制，通过电流控制PWM变流器对补偿绕组电流的控制实现对三相三绕组工频主变压器电流的实时控制；三相三绕组工频主变压器用于传递大部分功率，高频集成变换器用于将补偿工频电能信号转换为高频信号进行传输，进一步转换为工频，完成工频-高频-工频的补偿回路。
本发明进一步的改进在于，电压控制PWM变流器用于将工频电压整流存储至高压侧直流母线电容，再由单相PWM变流器进行高频化，高频变压器用于将单相PWM变流器变换的高频交流耦合至复边，再由电流控制PWM变流器变流至工频。
本发明进一步的改进在于，电压控制PWM变流器直流侧与高压侧直流母线电容相连，同时高压侧直流母线电容作为第一单相PWM控制器的直流侧电源，第一单相PWM控制器的输出经过高频变压器后与第二单相PWM控制器的交流侧连接，第二单相PWM控制器直流输出侧与低压侧直流母线电容连接，低压侧直流母线电容作为电流控制PWM变流器的输入，电流控制PWM变流器输出后通过第二低通滤波器接入。
本发明进一步的改进在于，第一低通滤波器由电感L1、L2、L3和电容C1、C2组成，第二低通滤波器由电感L4、L5、L6和电容C3、C4组成；电压控制PWM变流器是由功率开关管51、52、53、54、55、56和功率开关管反并联二极管构成的三相全桥结构；第一单相PWM变流器由功率开关管71、72、73、74和与功率开关管反并联的二极管构成；第二单相PWM控制器由功率开关管91、92、93、94和与功率开关管反并联的二极管构成；电流控制PWM变流器是由功率开关管111、112、113、114、115、116和与功率开关管反并联的二极管组成的三相全桥逆变器；
设定端子5a、5b、5c分别是电压控制PWM变流器的三相桥臂的中点，设定端子U1、V1、W1分别与三相三绕组工频主变压器对应的一次侧绕组端子X、Y、Z连接，设定第一单相PWM变流器的桥臂中点分别为7a、7b，设定第二单相PWM控制器的桥臂中点分别为9a、9b，电流控制PWM变流器的三相桥臂中点分别为11a、11b、11c；
其中，三相三绕组工频主变压器的一次侧绕组的端子A、B、C分别与电网连接，第一低通滤波器的电感L1连接在与端子U1与5a之间、电感L2连接在端子V1和5b之间、电感L3连接在端子W1和5c之间，电容C1、C2分别连在端子U1和V1、V1和W1之间；端子U1、V1、W1的输入经过第一低通滤波器进行滤波后接入电压控制PWM变流器的三相桥臂的中点5a、5b、5c，作为电压控制PWM变流器的交流输入；电压控制PWM变流器输出接入高压侧直流母线电容的正极向上接入电压控制PWM变流器的功率开关管51、53、55的共集电极端相连接，高压侧直流母线电容的负极与功率开关管52、54、56的共射极端连接；第一单相PWM变流器的功率开关管71、73的共集电极端与高压侧直流母线电容的正极端相接，功率开关管72、74的共射极端与高压侧直流母线电容的负极端相接；高频变压器的一次侧绕组与第一单相PWM变流器连接于第一单相PWM变流器的桥臂中点在7a、7b；高频变压器的二次侧绕组与第二单相PWM控制器连接于9a、9b；第二单相PWM控制器的功率开关管91、93的共集电极端与低压侧直流母线电容的正极端相接，功率开关管92、94的共射极端与低压侧直流母线电容的负极端相接；低压侧直流母线电容的正极端接入电流控制PWM变流器的功率开关管111、113、115的共集电极端，负极端接入电流控制PWM变流器的功率开关管112、114、116的共射极端，作为电流控制PWM变流器的直流母线输入；电感L4连接在端子11a和U2之间，电感L5连接在端子11b和V2之间，电感L5连接在端子11c和W2之间；滤波后输出端子U2、V2、W2分别与三相三绕组工频主变压器的三次绕组即补偿绕组的端子x3，y3，z3相连接。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种高频控制补偿型可控交流配电变压器，其主电路分为工频部分即一个三相三绕组工频主变压器，高频部分包括一个高频变压器及电力电子电路。所述三相三绕组工频主变压器的每相包括一次绕组、负载绕组和补偿绕组。所述电力电子电路包括电压控制PWM变流器、电流控制PWM变流器、两个单相PWM变流器以及两个输出滤波器。电压控制PWM前接有低通滤波器，电流控制PWM变流器后也接有低通滤波器进行滤波。所述三相三绕组工频主变压器一次绕组承担电网额定电压，通过高频集成变换器部分的电力电子器件将工频转换至高频，再通过高频变压器耦合到副边，在副边再采用电力电子器件进行变换将高频信号重新变为工频的信号，达到变压的目的。通过高频集成变换器的电压控制PWM变流器来进行三相三绕组工频主变压器一次侧电压补偿实现负载绕组电压的稳定控制，通过电流控制PWM变流器对补偿绕组电流的控制实现对三相三绕组工频主变压器电流的实时控制。
进一步，所述三相三绕组工频主变压器一次绕组与电压控制变流器交流输入前的低通滤波器连接，电压控制PWM变流器直流侧与高压侧直流母线电容相连，同时高压侧直流母线电容作为单相PWM变流器的直流源，单相PWM变流器的输出经过高频变压器后与另一个单相PWM变流器的交流侧连接，后一个单相PWM变流器直流输出侧与低压侧直流母线电容连接。低压侧直流母线电容作为另一个电压控制PWM变流器的输入，电流控制PWM变流器经过滤波器与主变压器的补偿绕组相接。
进一步，本发明一种高频控制补偿型可控交流配电变压器，也可通过对功率开关管的控制进行电能质量的调节和无功补偿等功能。高频集成变换器中高压侧直流母线电容和低压侧直流母线电容相互独立对外提供了多个彼此独立的直流电源，同时两个单相PWM变流器采用了一个高频变压器，将工频信号转换为高频信号进行传输，高频化使控制变压器的体积和重量大大减小，进一步提升了变压器的功率密度。
附图说明
图1是本发明一种高频控制补偿型可控交流配电变压器的基本结构示意图。
图2是三相三绕组工频主变压器的结构示意图。
图3是高频变压器及电力电子电路采用的拓扑结构示意图。
附图标记说明：
1-三相三绕组工频主变压器，2-高频集成变换器，3-第一低通滤波器，4-第二低通滤波器，5-电压控制PWM变流器，6-高压侧直流母线电容，7-第一单相PWM控制器，8-高频变压器，9-第二单相PWM控制器，10-低压侧直流母线电容，11-电流控制PWM变流器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种高频控制补偿型可控交流配电变压器，包括三相三绕组工频主变压器1和高频集成变换器2。其中，高频集成变换器2包括依次串联的第一低通滤波器3、电压控制PWM变流器5、高压侧直流母线电容6、第一单相PWM控制器7、高频变压器8、第二单相PWM控制器9、低压侧直流母线电容10、电流控制PWM变流器11和第二低通滤波器4；三相三绕组工频主变压器1包括A、B、C三相，每相包括一次侧绕组、负载绕组和补偿绕组，一次绕组首端接入高压交流电网，末端与高频集成变换器2连接，经过高频集成变换器2中的低通滤波器滤波后与电压控制PWM变流器5交流侧相连，三相三绕组工频主变压器1的补偿绕组通过第二低通滤波器4滤波后与电流控制PWM变流器11交流侧相连，并通过高频集成变换器2的电压控制PWM变流器5来进行三相三绕组工频主变压器1一次侧电压补偿实现负载绕组电压的稳定控制，通过电流控制PWM变流器11对补偿绕组电流的控制实现对三相三绕组工频主变压器1电流的实时控制；三相三绕组工频主变压器1用于传递大部分功率，高频集成变换器2用于将补偿工频电能信号转换为高频信号进行传输，进一步转换为工频，完成工频-高频-工频的补偿回路。
如图2所示，具体来说，三相三绕组工频主变压器1包括A，B，C三相，每相分别为三个绕组，一次绕组为接入电网的绕组，二次绕组作为负载绕组，三次绕组作为补偿绕组，具体结构为A相一次绕组1a、B相一次绕组1b，C相一次绕组1c(首末端子依次为A/X，B/Y，C/Z)。A相二次绕组2a、B相二次绕组2b，C相二次绕组2c(首末端子依次为a2/x2，b2/y2，c2/z2)，A相三次绕组3a、B相三次绕组3b，C相三次绕组3c(首末端子依次为a3/x3，b3/y3，c3/z3)。
如图3所示，所述高频集成变换器2包括第一低通滤波器3和第二低通滤波器4，一个电压控制PWM变流器5，第一单相PWM控制器7、第二单相PWM控制器9和高频变压器8，一个电流控制PWM变流器11，一个高压侧直流母线电容6，以及一个低压侧直流母线电容10。
所述第一低通滤波器3由电感L1、L2、L3和电容C1、C2组成，第二低通滤波器4由电感L4、L5、L6和电容C3、C4组成。三相三绕组工频主变压器1的一次侧绕组的端子A、B、C分别与电网连接，图3所示第一低通滤波器3的电感L1连接在与端子U1与5a之间、电感L2连接在端子V1和5b之间、电感L3连接在端子W1和5c之间。端子5a、5b、5c分别是电压控制PWM变流器5的三相桥臂的中点。电容C1、C2分别连在端子U1和V1、V1和W1之间。端子U1、V1、W1分别与三相三绕组工频主变压器1对应的一次侧绕组端子X、Y、Z连接。
所述电压控制PWM变流器5是由功率开关管51、52、53、54、55、56和功率开关管反并联二极管构成的三相全桥结构。端子U1、V1、W1的输入经过第一低通滤波器3进行滤波后接入电压控制PWM变流器5的三相桥臂的中点5a、5b、5c，作为电压控制PWM变流器5的交流输入。电压控制PWM变流器5输出接入高压侧直流母线电容6的正极向上接入电压控制PWM变流器5的功率开关管51、53、55的共集电极端相连接，高压侧直流母线电容6的负极与功率开关管52、54、56的共射极端连接。
所述第一单相PWM变流器7由功率开关管71、72、73、74和与功率开关管反并联的二极管构成。第一单相PWM变流器7的桥臂中点分别为7a、7b。第一单相PWM变流器7的功率开关管71、73的共集电极端与高压侧直流母线电容6的正极端相接，功率开关管72、74的共射极端与高压侧直流母线电容6的负极端相接。高频变压器8的一次侧绕组与第一单相PWM变流器7连接于第一单相PWM变流器7的桥臂中点在7a、7b。
高频变压器8的二次侧绕组与第二单相PWM控制器9连接于9a、9b。高频变压器8对原边和副边进行了隔离，原边首先采用了电力电子变换电路将交流电变换为高频信号，通过高频变压器8耦合到副边，在副边再采用电力电子器件进行变换将高频方波重新变为工频的信号，达到变压的目的。
所述第二单相PWM控制器9由功率开关管91、92、93、94和与功率开关管反并联的二极管构成。第二单相PWM控制器9的桥臂中点分别为9a、9b。连接高频变压器8的二次侧。第二单相PWM控制器9的功率开关管91、93的共集电极端与低压侧直流母线电容10的正极端相接，功率开关管92、94的共射极端与低压侧直流母线电容10的负极端相接。
所述电流控制PWM变流器11是由功率开关管111、112、113、114、115、116和与功率开关管反并联的二极管组成的三相全桥逆变器。电流控制PWM变流器11的三相桥臂中点分别为11a、11b、11c。低压侧直流母线电容10的正极端接入电流控制PWM变流器11的功率开关管111、113、115的共集电极端，负极端接入电流控制PWM变流器11的功率开关管112、114、116的共射极端，作为电流控制PWM变流器11的直流母线输入。第二低通滤波器4由电感L4、L5、L6和电容C3、C4组成。电感L4连接在端子11a和U2之间，电感L5连接在端子11b和V2之间，电感L5连接在端子11c和W2之间。滤波后输出端子U2、V2、W2分别与三相三绕组工频主变压器1的三次绕组即补偿绕组的端子x3，y3，z3相连接。
以上所述，仅是的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是对以上实例做简单的修改、变更和等效结构变化，均属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种高频控制补偿型可控交流配电变压器，其特征在于，包括三相三绕组工频主变压器（1）和高频集成变换器（2）；其中，
高频集成变换器（2）包括依次串联的第一低通滤波器（3）、电压控制PWM变流器（5）、高压侧直流母线电容（6）、第一单相PWM变流器（7）、高频变压器（8）、第二单相PWM变流器（9）、低压侧直流母线电容（10）、电流控制PWM变流器（11）和第二低通滤波器（4）；
三相三绕组工频主变压器（1）包括A、B、C三相，每相包括一次侧绕组、负载绕组和补偿绕组，一次绕组首端接入高压交流电网，末端与高频集成变换器（2）连接，经过高频集成变换器（2）中的低通滤波器滤波后与电压控制PWM变流器（5）交流侧相连，三相三绕组工频主变压器（1）的补偿绕组通过第二低通滤波器（4）滤波后与电流控制PWM变流器（11）交流侧相连，并通过高频集成变换器（2）的电压控制PWM变流器（5）来进行三相三绕组工频主变压器（1）一次侧电压补偿实现负载绕组电压的稳定控制，通过电流控制PWM变流器（11）对补偿绕组电流的控制实现对三相三绕组工频主变压器（1）电流的实时控制；三相三绕组工频主变压器（1）用于传递大部分功率，高频集成变换器（2）用于将补偿工频电能信号转换为高频信号进行传输，进一步转换为工频，完成工频-高频-工频的补偿回路；
第一低通滤波器（3）由电感L1、L2、L3和电容C1、C2组成，第二低通滤波器（4）由电感L4、L5、L6和电容C3、C4组成；电压控制PWM变流器（5）是由功率开关管51、52、53、54、55、56和功率开关管反并联二极管构成的三相全桥结构；第一单相PWM变流器（7）由功率开关管71、72、73、74和与功率开关管反并联的二极管构成；第二单相PWM变流器（9）由功率开关管91、92、93、94和与功率开关管反并联的二极管构成；电流控制PWM变流器（11）是由功率开关管111、112、113、114、115、116和与功率开关管反并联的二极管组成的三相全桥逆变器；
设定端子5a、5b、5c分别是电压控制PWM变流器（5）的三相桥臂的中点，设定端子U1、V1、W1分别与三相三绕组工频主变压器（1）对应的一次侧绕组端子X、Y、Z连接，设定第一单相PWM变流器（7）的桥臂中点分别为7a、7b，设定第二单相PWM变流器（9）的桥臂中点分别为9a、9b，电流控制PWM变流器（11）的三相桥臂中点分别为11a、11b、11c；
其中，三相三绕组工频主变压器（1）的一次侧绕组的端子A、B、C分别与电网连接，第一低通滤波器（3）的电感L1连接在与端子U1与5a之间、电感L2连接在端子V1和5b之间、电感L3连接在端子W1和5c之间，电容C1、C2分别连在端子U1和V1、V1和W1之间；端子U1、V1、W1的输入经过第一低通滤波器（3）进行滤波后接入电压控制PWM变流器（5）的三相桥臂的中点5a、5b、5c，作为电压控制PWM变流器（5）的交流输入；电压控制PWM变流器（5）输出接入高压侧直流母线电容（6）的正极向上接入电压控制PWM变流器（5）的功率开关管51、53、55的共集电极端相连接，高压侧直流母线电容（6）的负极与功率开关管52、54、56的共射极端连接；第一单相PWM变流器（7）的功率开关管71、73的共集电极端与高压侧直流母线电容（6）的正极端相接，功率开关管72、74的共射极端与高压侧直流母线电容（6）的负极端相接；高频变压器（8）的一次侧绕组与第一单相PWM变流器（7）连接于第一单相PWM变流器（7）的桥臂中点在7a、7b；高频变压器（8）的二次侧绕组与第二单相PWM变流器（9）连接于9a、9b；第二单相PWM变流器（9）的功率开关管91、93的共集电极端与低压侧直流母线电容（10）的正极端相接，功率开关管92、94的共射极端与低压侧直流母线电容（10）的负极端相接；低压侧直流母线电容（10）的正极端接入电流控制PWM变流器（11）的功率开关管111、113、115的共集电极端，负极端接入电流控制PWM变流器（11）的功率开关管112、114、116的共射极端，作为电流控制PWM变流器（11）的直流母线输入；电感L4连接在端子11a和U2之间，电感L5连接在端子11b和V2之间，电感L5连接在端子11c和W2之间；滤波后输出端子U2、V2、W2分别与三相三绕组工频主变压器（1）的三次绕组即补偿绕组的端子x3，y3，z3相连接。
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