專利名稱：有載平滑調壓變壓器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力系統中的電壓調節技術，特別是配電系統中的變壓器副方電壓的調節。
背景技術：
電力變壓器是電力系統最基本的組成設備，在輸配電系統中起著十分重要的作用。電力系統中通常采用的是鐵芯式電力變壓器，它具有結構簡單，可靠性高，制造成本低等優點。但是，目前應用的鐵芯式電力變壓器存在缺點之一是變壓器副方電壓不可調，不能維持變壓器副方電壓恒定，在原方電壓一定時，隨著負載的增大，其副方電壓將下降。為了解決這個問題，變壓器設計者采用了在變壓器某一側繞組線圈上引出若干個分接頭的方法實現對變壓器電壓的調節，早期采用這種方法調節電壓時需首先將變壓器脫離開電網，再通過倒換分接頭的方法來變換繞組的有效匝數，從而實現調壓的目的，但采用這種方法變壓器每倒換一次分接就要停一次電，直接影響供電可靠性。后來出現了有載調壓技術，即在不切斷負荷電流的條件下，實現分接頭的切換，達到調壓的目的。但是，這種切換分接頭調壓方式的一個難以克服的缺點是它對電壓的調節是有級的，不能實現電壓的平滑調節；另外，切換分接頭通常是通過機械開關實現，開關動作時會產生電弧，影響開關和變壓器壽命，只用于穩態電壓調節。
從國內外這一領域的研究和應用情況看，針對機械式開關存在的缺點，近年來出現了采用電力電子開關(如晶閘管)實現的有載調壓技術，參見李曉明，黃俊杰，尹項根，等，平滑無沖擊電力電子有載調壓裝置。電力系統自動化，2003，27(20)45～48。這種技術通過適當選擇電力電子開關的通斷時刻和通斷配合，可以實現無弧，無沖擊有載調壓控制。但是，其對電壓的調節依舊是有級的。
發明內容
本發明提出一種有載平滑調壓變壓器，以實現變壓器副方電壓的平滑調節。
本發明提出一種有載平滑調壓變壓器，包括鐵芯式變壓器，其特征為電力電子變壓器的輸入端子和常規鐵芯式變壓器的副方相連接，電力電子變壓器的輸出端子分別和常規鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接，通過調節電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實現對副方電壓的調節。
所述的有載平滑調壓變壓器，對于一相電力變壓器，電力電子變壓器的兩個輸入端子分別和常規鐵芯式變壓器的副方兩個端子相連接，電力電子變壓器的兩個輸出端子分別和常規鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接。
所述的有載平滑調壓變壓器，對于三相電力變壓器，變壓器原副方是三角形接法或者是帶或不帶中性線的星形接法，相應的電力電子變壓器三個輸入端子分別和鐵芯式變壓器副方的三相接線端相連接，電力電子變壓器六個輸出端子則分別和鐵芯式變壓器的原方的三相接線端和各相任何一個分接頭相連接。
本發明提出的可實現變壓器副方電壓平滑調節的有載調壓技術的基本原理是在保持原有鐵芯式變壓器結構不變的條件下，加裝以電力電子變流技術為基礎的有載調壓裝置來實現電力變壓器副方電壓的平滑調節，既可用于新變壓器的有載調壓，且該新變壓器只需一個分接頭，大大減少了分接頭數量，也可直接用于現有的有載或無載調壓變壓器的技術改造，可以實現在穩態和暫態情況下付方電壓具有較好的性能。該裝置具有實現、維護簡單且使用壽命長的特點，對提高電網安全運行水平和電壓質量具有重要意義。
本方案相對現有的有載調壓技術具有以下優點1.可實現變壓器副方電壓的無級平滑調節，且調節特性可以根據需要任意設定。
2.可直接用于目前電網中的變壓器，無需改變常規變壓器的結構。
3.變換裝置體積小，無斷路器。
4.在暫態情況下也可保證付方電壓具有較好的性能。
5.需要時，可以實現按相平滑調節電壓。
圖1為本發明一相的電力變壓器副方電壓平滑調節的實現方案結構示意圖；圖2為三相電力變壓器副方電壓平滑調節的實現方案結構示意圖；圖3所示為電力電子變壓器基本原理框圖；圖4為本發明采用的一相電力電子變壓器的一種具體結構；圖5為本發明采用的一相電力電子變壓器的另一種具體結構；圖6為本發明采用的三相電力電子變壓器的一種具體結構。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明提出的一相電力電子變壓器1為一個有輸入和輸出端口的裝置，其輸入和輸出端均有兩個端子，其中，電力電子變壓器1的兩個輸入端子分別和常規鐵芯式變壓器2的副方兩個端子相連接，電力電子變壓器1的兩個輸出端子則通常分別和常規鐵芯式變壓器的原方的一個正常接線輸入端子(也可是其它任何一個端子或分接頭)和繞組最外端一個分接頭4(也可是其它任何一個端子或分接頭3)相連接。當變壓器副方電壓隨負載變化偏離設定值時，可通過調節電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實現對副方電壓的調節。
對于三相電力變壓器，如圖2所示(變壓器原副方也可是三角形接法或者是帶或不帶中性線的星形接法)，相應的電力電子變壓器1的輸入端有三個端子，輸出端有六個端子，其三個輸入端子分別和鐵芯式變壓器2副方的三相接線端相連接，六個輸出端子則分別和鐵芯式變壓器的原方的三相接線端和各相最外端一個分接頭3、4、5(也可是其它任何一個分接頭)相連接。對于三相系統，本發明的電力電子變壓器可以實現對三相電壓的獨立控制。
電力電子變壓器基本原理框圖可如圖3所示，輸入工頻交流信號經過第一電力電子變換器6成為高頻信號，該高頻信號經高頻變壓器7耦合后，再由第二電力電子變換器8變換為工頻交流信號輸出，高頻變壓器7和第一電力電子變換器6之間有控制器9；電力電子變壓器的具體結構可如圖4或圖5所示，也可是其它方式。
圖4所示的電力電子變壓器的電路結構可描述如下電力電子變壓器由8個雙向開關組成，輸入端雙向開關為Sw1，Sw2，Sw3，Sw4，輸出端雙向開關為Sw1’，Sw2’，Sw3’，Sw4’。每個開關由兩個帶續流二極管的功率開關器件反向串聯構成，輸入和輸出端間由高頻變壓器7耦合。其工作原理為首先，變壓器副方的工頻電壓信號經輸入端被調制為中高頻交流電壓信號；接著，高頻交流電壓信號通過高頻變壓器7耦合到其副方；隨后，高頻交流電壓信號在輸出端被反調制后得到高頻電壓，輸出端開關信號與輸入端對應開關信號相同，只是滯后一個相角，通過對滯后相角的控制即可實現對輸出電壓幅值的調節。最后，高頻電壓信號經輸出濾波器濾波后得到所需幅值的工頻電壓信號。
如上所述，當變壓器副方電壓隨負載變化偏離設定值時，可通過調節電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實現對副方電壓的調節。
圖5所示的電力電子變壓器的電路結構可描述如下輸入級由4只帶續流二極管的開關器件組成單相全控橋；隔離級可分為三個部分，分別為高頻調制部分，高頻變壓器7，還原部分，其中隔離級靠輸入級側部分為高頻調制部分，它將輸入的直流電壓轉換為5～10k赫茲高頻方波信號，還原部分則將高頻方波信號被還原為直流電壓信號。高頻調制/還原部分均為由4只帶續流二極管的開關器件組成的單相全控橋；輸出級由四只帶續流二極管的開關器件組成單相全控橋。其工作原理為變壓器副方的工頻電壓信號在輸入端首先經AC/DC變換成直流，隨后直流被調制為高頻信號再經高頻變壓器耦合到副方，最后在輸出端進行DC/AC變換同樣，當變壓器副方電壓隨負載變化偏離設定值時，可通過調節電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實現對副方電壓的調節。
圖6所示的電力電子變壓器的電路結構可描述如下輸入級由6只帶續流二極管的開關器件組成三相全控橋；隔離級可分為三個部分，分別為高頻調制，高頻變壓器，還原部分，其中隔離級靠輸入級側部分為高頻調制部分，該部分由4只帶續流二極管的開關器件組成單相全控橋。高頻變壓器原方一個繞組，副方有三個繞組，隔離級靠輸出級側部分為還原部分，由12只二極管組成3個獨立的單相整流橋。輸出級由12只帶續流二極管的開關器件組成3個獨立的單相全控橋，輸出三相交流電。
下面，對本發明的具體實施方式
舉例進行說明。
例一100kVA，6300V/380V，以圖4為基礎的單相降壓變壓器。
電力電子變壓器輸入級由4個雙向開關組成，每個雙向開關由兩個1200V/100A的一單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊反向串聯構成，通過輸入級，工頻交流電壓被調制成為6k赫茲的高頻交流電壓；高頻變壓器按10kVA，開關頻率6k赫茲設計；電力電子變壓器輸出級由4個雙向開關組成，每個雙向開關由兩個3300V/100A的一單元IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)模塊反向串聯構成，高頻交流電壓通過輸出級被還原為工頻電壓。
例二100kVA，10000V/380V，以圖5為基礎的單相降壓變壓器。
電力電子變壓器輸入級由2個1200V/100A的兩單元IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)模塊組成單相全控橋，通過輸入級，工頻交流電壓被整流為直流電壓；隔離級靠輸入級側部分為高頻調制部分，由2個1200V/100A的兩單元IGBT模塊構成，通過這一級，直流電壓被調制成為5k赫茲的高頻方波；高頻變壓器按10kVA，開關頻率5k赫茲設計，隔離級靠輸出級側部分為還原部分，由兩個3300V/100A的兩單元IGBT模塊構成，通過這一級，高頻方波被還原為直流電壓；電力電子變壓器輸出級由2個3300V/100A的兩單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊組成單相全控橋，通過輸出級，直流電壓被逆變為工頻交流電壓。
例三100kVA，10000V/380V，以圖6為基礎的三相降壓變壓器。
電力電子變壓器輸入級由3個1200V/100A的兩單元IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)模塊組成三相全控橋，通過輸入級，工頻交流電壓被整流為直流電壓；隔離級靠輸入級側部分為高頻調制部分，由2個1200V/100A的兩單元IGBT模塊構成，通過這一級，直流電壓被調制成為5k赫茲的高頻方波；高頻變壓器按10kVA，原方一個繞組，副方三個繞組，開關頻率5k赫茲設計，隔離級靠輸出級側部分為還原部分，由六個3300V/100A的兩單元IGBT模塊構成，通過這一級，高頻方波被還原為直流電壓；電力電子變壓器輸出級由6個3300V/100A的兩單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊組成三個單相全控橋，通過輸出級，直流電壓被逆變為三路各自獨立的工頻交流電壓。
權利要求
1.一種有載平滑調壓變壓器，包括鐵芯式變壓器，其特征為電力電子變壓器的輸入端子和常規鐵芯式變壓器的副方相連接，電力電子變壓器的輸出端子分別和常規鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接，通過調節電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實現對副方電壓的調節。
2.權利要求1所述的有載平滑調壓變壓器，其特征為對于一相電力變壓器，電力電子變壓器的兩個輸入端子分別和常規鐵芯式變壓器的副方兩個端子相連接，電力電子變壓器的兩個輸出端子分別和常規鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接。
3.權利要求2所述的有載平滑調壓變壓器，其特征為所述電力電子變壓器包括8個雙向開關，輸入端4個雙向開關，輸出端4個雙向開關，每個雙向開關由兩個帶續流二極管的功率開關器件反向串聯構成，輸入和輸出端間由高頻變壓器耦合。
4.權利要求2所述的有載平滑調壓變壓器，其特征為所述電力電子變壓器由輸入級、隔離級和輸出級構成，輸入級由4只帶續流二極管的開關器件組成單相全控橋；隔離級可分為高頻調制部分、高頻變壓器和還原部分，其中隔離級靠輸入級側部分為高頻調制部分，還原部分則將高頻方波信號被還原為直流電壓信號，高頻調制/還原部分均為由4只帶續流二極管的開關器件組成的單相全控橋；輸出級由四只帶續流二極管的開關器件組成單相全控橋。
5.權利要求1所述的有載平滑調壓變壓器，其特征為對于三相電力變壓器，變壓器原副方是三角形接法或者是帶或不帶中性線的星形接法，相應的電力電子變壓器三個輸入端子分別和鐵芯式變壓器副方的三相接線端相連接，電力電子變壓器六個輸出端子則分別和鐵芯式變壓器的原方的三相接線端和各相任何一個分接頭相連接。
6.權利要求5所述的有載平滑調壓變壓器，其特征為所述電力電子變壓器由輸入級、隔離級和輸出級構成，輸入級由6只帶續流二極管的開關器件組成三相全控橋；隔離級分為高頻調制部分、高頻變壓器和還原部分，其中隔離級靠輸入級側部分為高頻調制部分，該部分由4只帶續流二極管的開關器件組成單相全控橋，高頻變壓器原方一個繞組，副方有三個繞組，隔離級靠輸出級側部分為還原部分，由12只二極管組成3個獨立的單相整流橋；輸出級由12只帶續流二極管的開關器件組成3個獨立的單相全控橋，輸出三相交流電。
全文摘要
有載平滑調壓變壓器，涉及電力系統中的電壓調節技術，以實現變壓器副方電壓的平滑調節。電力電子變壓器的輸入端子和常規鐵芯式變壓器的副方相連接，電力電子變壓器的輸出端子分別和常規鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接，通過調節電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實現對副方電壓的調節。既可用于新變壓器的有載調壓，且該新變壓器只需一個分接頭，大大減少了分接頭數量，也可直接用于現有的有載或無載調壓變壓器的技術改造，可以實現在穩態和暫態情況下付方電壓具有較好的性能。該裝置具有實現、維護簡單且使用壽命長的特點，對提高電網安全運行水平和電壓質量具有重要意義。
文檔編號H02M5/00GK1560989SQ20041001273
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月18日 優先權日2004年2月18日
發明者毛承雄, 陸繼明, 范澍, 王丹 申請人:華中科技大學