專利名稱：具有ac和dc功率能力的混合配電變壓器的制作方法
技術領域：
本發明涉及變壓器并且更具體涉及一種利用功率電子器件的混合配電變壓器。
背景技術：
現代社會向數字時代的轉變需要開發高質量電力的更可靠供應。在向最終用戶供電時的不可或缺部件是配電變壓器。常規配電變壓器將一個電壓的電力轉換成值更高或者更低的另一電壓的電力。變壓器使用初級繞組和次級繞組來實現這一電壓轉換，各繞組纏繞于鐵磁芯上并且包括電導體的多匝。在如今的日常配電系統中運用的常規配電變壓器不能保護數字負載免受不良功率質量、比如衰落/浪涌/失真。估計電壓擾動讓全球工業每年耗費數以百萬計美元。系統有時連接到配電線路以提高功率質量。這樣的系統的示例包括動態電壓恢復器(DVR)和靜態VAR補償器(SVC)。DVR在電壓供應衰落或者峰值期間維持或者恢復操作電負載，而SVC在功率網絡上提供快速反應的電抗功率補償。DVR和SVC經常是連接到常規配電變壓器并且與這些變壓器一起使用的“附加”系統。近來已經提出組合電子器件與常規配電變壓器以提高功率質量。本發明涉及這樣的變壓器。
發明內容
根據本發明提供一種混合變壓器。該混合變壓器具有用于從電源接收輸入電壓和電流的初級側以及用于向負載提供輸出電壓和電流的次級側。混合變壓器包括AC-AC轉換器、鐵磁芯以及纏繞于芯周圍的第一、第二和第三繞組。第一、第二和第三繞組中的至少一個繞組是用于連接到電源的初級繞組，并且第一、第二和第三繞組中的至少一個繞組是用于連接到負載的次級繞組。AC-AC轉換器包括連接到第一繞組的第一切換橋接器、與第二繞組串聯連接的第二切換橋接器和連接于第一與第二切換橋接器之間的DC橋接器以及控制器。控制器可操作用于控制第一和第二切換橋接器以控制混合變壓器的初級側上的功率因子并且在輸入電壓改變的情況下減少輸出電壓的變化。根據本發明也提供另一混合變壓器，該混合變壓器具有用于從電源接收輸入電壓和電流的初級側以及用于向負載提供輸出電壓和電流的次級側。混合變壓器包括鐵磁芯以及纏繞于芯周圍的第一和第二繞組。第一繞組具有相對末端、設置于末端之間的多匝以及連接到匝之一的抽頭。抽頭有助于限定第一繞組的繞組部分。第一和第二繞組之一是用于連接到電源的初級繞組，并且第一和第二繞組中的另一繞組是用于連接到負載的次級繞組。功率電子模塊連接到第一繞組的抽頭。控制設備可操作用于控制功率電子模塊以調節輸出電壓的變化并且控制混合變壓器的初級側上的功率因子。
本發明的特征、方面和優點參照下文描述、所附權利要求和以下附圖將變得更好
4理解，其中圖1示出了根據本發明第一實施例構造的第一混合變壓器的示意電路；圖2示出了根據本發明第二實施例構造的第二混合變壓器的示意電路；圖3示出了在第一混合變壓器中使用的第一 AC-AC轉換器的示意電路；圖4示出了在第二混合變壓器中使用的第二 AC-AC轉換器的示意電路；圖5示出了通過脈寬調制形成的正弦波形的示意圖；圖6示出了鎖相環的功能框圖；圖7示出了用于電流a (和a虛)-dq變換的功能框圖；圖8示出了 d-q矢量控制的功能框圖；圖9示出了用于D-Q到a(a虛)變換的功能框圖；圖10示出了用于為第一 AC-AC轉換器生成門控信號的功能框圖；圖11示出了用于第二 AC-AC轉換器的門控信號的功能框圖；圖12示出了用于輸出電壓a-dq變換的功能框圖；圖13示出了用于d-q電壓控制的功能框圖；圖14示出了用于d-q參考電壓到abc軸的功能框圖；圖15示出了用于第一 AC-AC的SP麗調制；圖16示出了用于第二 AC-AC轉換器的SPWM調制；圖17示出了根據本發明第三實施例構造的第三混合變壓器的示意電路；圖18示出了根據本發明第四實施例構造的第四混合變壓器的示意電路；圖19示出了可以在圖17和圖18中所示第三和第四混合變壓器中使用的功率電子模塊的示意電路；圖20示出了具有IED和通信鏈路的混合變壓器的示意電路；圖21示出了具有電池組的第一 AC-AC轉換器的示意電路；圖22示出了根據本發明構造的三相混合變壓器的示意電路；圖23示出了本發明的仿真混合變壓器的瞬態電壓調節能力的繪圖；圖M示出了本發明的仿真混合變壓器的長時間(衰落)電壓調節能力的繪圖；圖25示出了本發明的混合變壓器應用于功率因子糾正；圖沈示出了本發明的混合變壓器應用于并行線路上的相移和功率流控制；以及圖27示出了本發明的混合變壓器應用于數據中心，其中AC和DC負載由混合變壓器供電。
具體實施例方式應當注意，在下文具體描述中，相同部件無論是否在本發明的不同實施例中示出它們都具有相同標號。也應當注意，為了清楚而簡潔地公開本發明，附圖可以未必按比例并且可以用有些示意的形式示出本發明的某些特征。本發明涉及一種可以在配電中使用的混合變壓器。該混合變壓器主要包括電磁變壓器和功率電子AC-AC轉換器。該電磁變壓器包括鐵磁芯、初級繞組結構和次級繞組結構， 各繞組纏繞于鐵磁芯上。初級繞組結構包括一個或者多個初級繞組，并且次級繞組結構包括一個或者多個次級繞組。電磁變壓器可以是液體填充的變壓器，其中芯以及初級和次級繞組結構浸入介電的流體中，或者電磁變壓器可以是干式變壓器，其中芯以及初級和次級繞組結構未浸入介電的流體中而代之以裝入介電樹脂中或者由惰性氣體或者簡單地由環境空氣包圍。混合變壓器可以是單相變壓器、三相變壓器或者多相(> 3相)變壓器。混合變壓器可以是極裝配的或者焊盤裝配的。在圖1和圖2中示出并且分別用標號10、100標明根據本發明構造的混合變壓器的兩個實施例。混合變壓器10、100包括與AC-AC轉換器14、114集成的電磁變壓器12、102。 電磁變壓器12、102包括鐵磁芯16和至少三個繞組。例如一個初級繞組和兩個次級繞組或者兩個初級繞組和一個次級繞組。混合變壓器10、100可以是功率額定值約為67kVA而電壓額定值約為7. 79kV至277V的單相變壓器。AC-AC轉換器14、114可以連接到初級繞組結構或者次級繞組結構中。如果AC-AC 轉換器14、114連接到初級繞組結構中，則初級繞組結構包括至少兩個初級繞組，而如果 AC-AC轉換器14、114連接到次級繞組結構中，則次級繞組結構包括至少兩個次級繞組。在末端連接到AC-AC轉換器14、114的一側(初級或者次級)上的繞組應當稱為鄰近繞組，而在該側上的其它一個或多個繞組應當稱為一個或多個遠端繞組。如圖1中所示，混合變壓器10包括電磁變壓器12，該變壓器具有初級繞組結構 18 (具有單個初級繞組20)和次級繞組結構22 (具有兩個次級繞組M、26)。AC-AC轉換器 14連接到次級繞組沈的末端并且與次級繞組M串聯連接。在次級繞組結構兩端的電壓 Vout等于在次級繞組M兩端的電壓V。utl加上在AC-AC轉換器14兩端的電壓V。ut2。在正常操作條件之下，次級繞組M產生向負載的輸出電壓的100%。在需要時，次級繞組沈可以產生向負載的輸出電壓的上至20%。可以構造混合變壓器10使得初級繞組20可以支持 8. 66kV的電壓、次級繞組M可以產生277V的電壓而次級繞組沈可以產生55. 4V的電壓 (這對應于繞組M的電壓的20% )。如圖2中所示，混合變壓器100包括電磁變壓器102，該變壓器具有初級繞組結構 104 (具有兩個初級繞組106、108)和次級繞組結構112 (具有單個次級繞組116)。AC-AC轉換器114連接到初級繞組108的末端并且與初級繞組106串聯連接。在初級繞組結構兩端的電壓Vin等于在初級繞組106兩端的電壓Vinl加上在AC-AC轉換器114兩端的電壓Vin2。 構造初級繞組結構104使得在正常條件之下初級繞組106支持輸入電壓的100%。在需要時，初級繞組108可以支持輸入電壓的20%。可以構造混合變壓器100使得初級繞組106 可以支持7. 97kV的電壓、初級繞組108可以支持1. 59kV的電壓、次級繞組116可以支持 277V的電壓并且有0. Ipu的漏電感。由于輸入電壓等于從AC-AC轉換器114輸出的電壓加上初級繞組106的電壓，所以對從AC-AC轉換器114輸出的電壓的控制對輸入電壓并且因此對輸出電壓進行控制。AC-AC轉換器14可以是具有圖3中所示結構的AC_DC_AC轉換器。在這一實施例中，AC-AC轉換器14包括通過DC鏈路或者橋接器32連接到第二切換橋接器34的第一切換橋接器30。第一切換橋接器30連接到次級繞組沈的末端。濾波器31可以連接于第一切換橋接器30與次級繞組沈之間。另一濾波器31也可以連接到第二切換橋接器34的輸出。第一和第二切換橋接器30、34中的各切換橋接器連接到控制器36并且由控制器36 控制。此外，第一和第二切換橋接器30、34中的各切換橋接器包括多個切換器件38。如圖 3中所示，第一和第二切換橋接器30、34中的各切換橋接器可以包括并聯連接的成對臂，各臂具有串聯連接的成對切換器件38。各切換器件38可以是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和反并聯二極管。DC橋接器32可以包括串聯連接的多個電容器。電容器可以具有相同或者不同的電容。如圖3中所示，DC橋接器32可以具有四個電容器40、42、44、46。多個DC抽頭連接到DC橋接器32并且提供不同的維持DC電壓電平。更具體而言，三個DC抽頭48、50、 52可以分別連接于成對電容器40、42、44、46之間并且可以已經維持12伏特、M伏特和100 伏特的電壓。這些抽頭48、50、52的組合可以用來獲得36、112、123和136伏特DC。也可以實施其它電壓電平。AC-AC轉換器114可以是具有圖4中所示結構的AC-DC-AC轉換器。在這一實施例中，AC-AC轉換器114是具有三個電平的中性點轉換器(NPC)。AC-AC轉換器114包括通過DC鏈路或者橋接器132連接到第二切換橋接器134的第一切換橋接器130。第一切換橋接器130連接到電壓源。濾波器31可以連接于第一切換橋接器130與電壓源之間。另一濾波器31可以連接于第二切換橋接器134與初級繞組108之間。第一和第二切換橋接器 130、134中的各切換橋接器連接到控制器136并且由控制器136控制。此外，第一和第二切換橋接器30、34中的各切換橋接器包括多個切換器件138。如圖4中所示，第一和第二切換橋接器130、134中的各切換橋接器可以包括并聯連接的成對臂，各臂具有串聯連接的四個切換器件138。在各臂中，鉗位二極管140連接于頂部成對切換器件138與底部成對切換器件138之間。各切換器件138可以是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和反并聯二極管。DC橋接器132可以包括串聯連接的多個電容器。如圖4中所示，DC橋接器132可以具有兩個電容器142、144。鉗位二極管140在電容器142、144之間(即在中點或者中性點(該處的電壓是在整個DC橋接器132兩端的電壓的一半))連接(鉗位)到DC橋接器132。抽頭150 也可以連接到中性點。如圖3中所示，各濾波器31包括分別連接到線路151、153中的電感器147。電容器149并聯連接于線路151、153之間。濾波器31有助于防止高頻諧波由于切換器件38、 138的切換而引入變壓器10、100的輸出電壓以及初級和次級繞組中的電流中。雖然濾波器 31表示為LC濾波器，但是應當理解可以使用其它類型的濾波器。例如可以使用L或者LCL 濾波器。雖然示出了 AC-AC轉換器14、114具有不同構造或者拓撲，但是應當理解它們可以均具有相同拓撲，該拓撲可以是上文針對AC-AC轉換器14描述的拓撲或者上文針對AC-AC 轉換器114描述的拓撲。還應當理解，其它AC-AC轉換器技術可以用于兩個AC-AC轉換器 14、114，只要其它拓撲具有DC鏈路或者橋接器。例如可以使用具有四個、五個等電平的NPC AC-AC轉換器。無DC橋接器的AC-AC轉換器可以用于無需DC輸出的那些應用。控制器36和136各自包括用于執行存儲于關聯存儲器中的程序的處理器。控制器36和136使用脈寬調制(PWM)來分別控制AC-AC轉換器14、114，其中切換器件38、138 打開和閉合，以產生電壓脈沖系列，其中平均電壓為峰電壓乘以占空周期，即脈沖的“接通” 和“切斷”時間。以這一方式，可以使用如圖5中所示寬度可變的正和負電壓脈沖系列來近似正弦波。可以通過改變PWM模式來改變正弦波的相位和幅度。在AC-AC轉換器14、114中的各轉換器中，控制器36、136控制第一切換橋接器30、 130以平衡從AC-AC轉換器14、114的有功功率傳送并且通過經過變壓器耦合向負載提供無功功率來控制初級側功率因子。控制器36、136基于d-q變換來控制第一切換橋接器30、
7130，該變換是坐標從三相靜止坐標系向dq旋轉坐標系的變換。通常在兩個步驟中進行這一變換1)從三相靜止坐標系向兩相(所謂ab)靜止坐標系的變換和2)從ab靜止坐標系向dq旋轉坐標系的變換。比如圖6中所示鎖相環可以用來提取初級側電壓的相角。用于單相轉換器的d_q變換類似于用于三相系統的d_q變換。然而由于僅有一個相變量，所以必須假設比實信號滯后90度的對應虛變量。實信號& = Xm cos ( ω t+ Φ )虛變量& = Xm sin ( ω t+ Φ )將旋轉變換矩陣T應用于靜止實變量和虛變量 T
cos(iy ) sin(fyi) 一 η(ω ) cos(at) D-Q旋轉坐標中的變量變成
X
=T
Xr X,
=X
M
COS(於) sin(沴) 從dq旋轉坐標向靜止實變量和虛變量的逆變換矩陣為廠1 =Tt 二
cos(a> ) - sin(iyi) sin(a^) cos(irf)在圖7中示出了用于當前a(和a虛)_dq變換的功能框圖。在圖7和圖8中，術語“整流器”是指DC橋接器32、132。控制器36、136控制在DC橋接器32、132兩端的電壓跟隨參考DC電壓以平衡有功功率。選擇參考DC電壓使得AC-AC轉換器可以補償上至預定數量的電壓浪涌和衰落，比如上至正常輸入電壓的15%的電壓浪涌和上至正常輸入電壓的35%的電壓衰落。在混合變壓器10的第一示例實施例中，參考DC電壓為0. 5kV，而在混合變壓器100的第一示例實施例中，參考DC電壓為4.5kV。此外，控制器36、136控制初級側電流的q軸分量為零，這意味著向混合變壓器10、100的輸入的單位功率因子。在圖8中示出了用于d-q矢量控制的功能框圖。首先在d軸循環中比較DC鏈路(DC橋接器32、132)電壓與參考DC電壓并且向比例積分(PI)調節器饋送差值，該調節器生成Id_ref。然后比較整流器(DC橋接器32、 132)的Id與Id_ref并且向另一 PI調節器饋送差值以生成Vd_ref。在q軸循環中比較源電流的Iq與0并且向PI調節器饋送差值，該調節器生成用于次級側整流器的Iq_ref。然后比較Iq_reCtifier與Iq_ref并且向另一 PI調節器饋送差值以生成Vq_ref。將d_q電壓(Vdref和Vqref)變換成A和a_虛軸以生成用于正弦PWM(SWPM)的調制信號。然后向第一切換橋接器30、130的切換器件發送門控信號。在圖9中示出了用于D-Q到a(a虛) 變換的功能框圖。在圖10中示出了用于為AC-AC轉換器14生成門控信號的功能框圖，并且在圖11中示出了用于AC-AC轉換器114的門控信號的功能框圖。在AC-AC轉換器14、114中的各AC-AC轉換器中，控制器36、136控制第二切換橋接器34、134以將輸出電壓維持于設置值或者參考輸出電壓(比如480V/sqrt (3) RMS)處并且為干凈的正弦波形。因此在電壓衰落的情況下，控制器36、136增加AC-AC轉換器14、114 的電壓輸出，并且在電壓浪涌的情況下，控制器減少AC-AC轉換器14、114的電壓輸出。為了完全利用次級繞組M并且避免循環電流，控制器36控制AC-AC轉換器14的輸出電壓以與次級繞組M的電壓同相。類似地，為了完全利用輸入電壓并且避免循環電流，控制器136 控制AC-AC轉換器114的輸出電壓以與初級繞組106的電壓同相。控制器36、136也基于d_q變換來控制第二切換橋接器34、134。首先使用來自用于初級側電壓的鎖相環的相角將混合變壓器10、100的輸出電壓從abc (a和a虛軸)向d_q 軸變換。在圖12中示出了用于輸出電壓a-dq變換的功能框圖。然后分別比較輸出的d_q 電壓與參考輸出d_q電壓，并且分別向PI調節器饋送差值以生成用于AC-AC轉換器的d-q 電壓參考。控制器36、136的目標在于將變壓器輸出電壓調節成l.Opu。因此比較矢量量值與1. Opu、即Vd_ref設置成1. Opu，這意味著將混合變壓器10、100的輸出電壓調節成480V/ sqrt (3) RMS0 Vq_ref設置成0，從而對于AC-AC轉換器14而言AC-AC轉換器14的輸出電壓與初級側電壓和次級繞組M同相并且對于AC-AC轉換器114而言，AC-AC轉換器114的輸出電壓與源電壓和初級繞組106同相。在圖13中示出了用于d-q電壓控制的功能框圖。 將d-q電壓參考變換成a (和a虛)軸，該軸然后用于SPWM控制的調制信號。在圖14中示出了用于d-q參考電壓到abc軸的功能框圖。在圖15中示出了用于AC-AC轉換器14的 SP麗調制，并且在圖16中示出了用于AC-AC轉換器114的SPWM調制。在混合變壓器10、100中保護AC-AC轉換器14、114免受短路故障。在混合變壓器10中，控制器36監視混合變壓器10的輸入電壓和輸出電流。如果輸出電流超過預定限制(由此表明該輸出中的短路故障)或者輸入電壓降至某一電平以下 (由此表明該輸入中的短路故障)，則控制器36停止所有切換器件38的脈寬調制，即切斷 (打開)切換器件38，由此將負載從電源斷開。以這一方式，AC-AC轉換器14充當斷路器。在混合變壓器100中，有可能的是AC-AC轉換器114可能在短路故障的情況下受到整個電壓。為了保護AC-AC轉換器114免受這一增加的電壓，控制器136監視AC-AC轉換器114的電壓。如果電壓增至預定電平以上(由此表明故障)，則控制器136接通(閉合) 第一切換橋接器130中的四個切換器件38 (稱為Sla、Slb、S2a、S2b(或者底部四個切換器件(稱為S3a、S!3b、S^、S4b)))，由此使AC-AC轉換器114被旁路。為了提供附加保護，斷路器170可以連接于電源與AC-AC轉換器114之間。斷路器170可以是固態斷路器或者機電斷路器。取代斷路器170，旁路開關172可以在AC-AC轉換器114與初級繞組106之間與 AC-AC轉換器114并聯連接。如上文所述，混合變壓器10、110各自具有三個繞組。應當理解，根據本發明實施的混合變壓器可以具有少于三個繞組、即可以具有單個初級繞組和單個次級繞組。下文描述的混合變壓器討、74是兩個這樣的示例。現在參照圖17，混合變壓器討包括電磁變壓器56，該變壓器具有單個初級繞組58 和單個次級繞組57 (具有一個或者多個抽頭)。各抽頭在次級繞組57的末端之間連接到次級繞組57的一匝。內抽頭59將次級繞組57劃分成兩個繞組部分60和62。繞組部分 60由內抽頭59和次級繞組57的第一極端或者代之以另一外抽頭來形成。類似地，繞組部分62由內抽頭59和次級繞組57的第二極端或者代之以另一外抽頭來形成。初級和次級繞組纏繞于鐵磁芯64周圍。功率電子模塊65連接于次級繞組57的繞組部分62兩端。電壓“AC輸出，，等于在次級繞組的繞組部分60兩端的電壓加上在功率電子模塊65兩端的電壓。由于輸出電壓等于從功率電子模塊65輸出的電壓加上繞組部分60的電壓，所以對從功率電子模塊65輸出的電壓控制對混合變壓器M的輸出電壓進行控制。如下文將描述的那樣，功率電子模塊65包括可以用來在DC負載連接到混合變壓器M的DC輸出端子66時向DC負載供電的DC母線。可選能量存儲設備如電池67可以使用開關68來連接于DC輸出端子66兩端。現在參照圖18，混合變壓器74包括電磁變壓器76，該變壓器具有單個次級繞組78 和單個初級繞組79 (具有一個或者多個抽頭)。各抽頭在初級繞組79的末端之間連接到初級繞組79的一匝。內抽頭81將初級繞組79劃分成兩個繞組部分80和82。繞組部分80 由內抽頭81和初級繞組79的第一極端或者代之以另一外抽頭來形成。類似地，繞組部分 82由內抽頭81和初級繞組79的第二極端或者代之以另一外抽頭來形成。初級和次級繞組纏繞于鐵磁芯75周圍。功率電子模塊65連接到初級繞組79的繞組部分82。電壓Vin等于在繞組部分80兩端的電壓加上在功率電子模塊65兩端的電壓。由于輸入電壓等于從功率電子模塊65輸出的電壓加上繞組部分80的電壓，所以對從功率電子模塊65輸出的電壓的控制對混合變壓器74的輸入電壓并且因此對其輸出電壓進行控制。現在參照圖19，功率電子模塊65包括AC-AC轉換器、兩個開關84和86以及故障電流限制組件，該組件包括阻抗88和電子開關90。各開關84、86可以是機械開關、電子開關或者混合機械/電子開關。開關84、86和電子開關90由AC-AC轉換器的控制器控制。 AC-AC轉換器可以是AC-AC轉換器14、AC-AC轉換器114或者具有另一不同類型的拓撲的 AC-AC轉換器。在混合變壓器M中，功率電子模塊65可以利用AC-AC轉換器14，而在混合變壓器74中，功率電子模塊65可以利用AC-AC轉換器114。如果功率電子模塊65利用 AC-AC轉換器14，則功率電子模塊65的DC母線包括DC橋接器32。如果功率電子模塊65 利用AC-AC轉換器114，則功率電子模塊65的DC母線包括DC橋接器132。在功率電子模塊65的正常操作期間，開關84閉合而開關86打開。如果功率電子模塊65出故障，則可以通過打開開關84而閉合開關86來產生旁路。在正常操作期間，電子開關90打開并且負載電流流過AC-AC轉換器的DC-AC轉換器(第二切換橋接器34或者 134)。在網絡相到地或者相到相故障期間阻塞DC-AC轉換器而閉合開關90從而迫使故障電流通過阻抗88。通過在故障期間引入阻抗88來限制故障電流以保護變壓器和上游設備。 阻抗88可以是電阻或者電感型。應當理解，混合變壓器10、100可以具有布置相同(相對于AC-AC轉換器14、114) 并且以與上文針對混合變壓器M、74描述的相同方式操作的開關84、86以及阻抗88和電子開關99。在混合變壓器10、100、54、74中的各混合變壓器中，控制器36、136可以是智能電子設備(IED)或者可以與IED接口連接，其中IED除了控制AC-AC轉換器14、114之外還控制和監視混合變壓器10、100、54、74的操作方面。在圖20中示出了這樣的IED 160裝配于混合變壓器10、100、54、74上或者鄰近于混合變壓器10、100、54、74。IED 160包括用戶接口、處理器、存儲器和通信端口。除了控制AC-AC轉換器14、114及其附屬設備之外，IED 160還監視混合變壓器10、100、54、74的操作并且通過通信鏈路164向位于遠處的控制中心 162傳達操作信息，該通信鏈路可以是物理硬接線鏈路、衛星鏈路、蜂窩鏈路、調制解調器或者電話線鏈路、因特網鏈路或者任何其它無線或者廣域或者共享局域網鏈路。例如，為了與 IED 160通信而連接的傳感器可以測量初級和/或次級繞組的電流、電壓和溫度。IED 160 可以通過通信鏈路164向控制中心162定期或者持續發送這些電流、電壓和溫度的值和/或如果值超過某些預定限制則可以通過通信鏈路164向控制中心162發送警報。除了發送關于初級和/或次級繞組的信息之外，IED 160還可以通過通信鏈路164向控制中心162發送關于AC-AC轉換器14、114的操作的信息。另外，IED 160可以從控制中心162接收和實施用于改變AC-AC轉換器14、114的操作的控制命令。除了與控制中心16通信之外，IED 160還可以與其它IED通信。例如IED 160可以與安裝于其它混合變壓器10、100、54、74(相同配電網絡的部分)中的其它IED 160通信。IED 160可以直接或者通過位于控制中心162中的數據服務器(未示出)來相互通信。 在前一情況下，IED 160可以經由射頻收發器、有線或者無線局域網(LAN)或者通信總線來相互直接通信。在后一情況下，通過通信鏈路164發生在各IED 160與數據服務器之間的
ififn。IED 160可以支持IEC61850標準并且在這樣做時定義用于變電站的抽象對象模型和用于通過網絡訪問這些模型的方法。模型可以映射到包括Manufacturing Message Specification (MMS)、Generic Object Oriented Substation Events (GOOSE)、Generic Substation Status Event (GSSE)和 Sampled Measured Values (SMV)的多個協議。這些協議可以運行于TCP/IP網絡和/或使用高速切換以太網的LAN之上。取代使用IED以向位于遠處的控制中心發送操作信息，發送器可以用來這樣做。 發送器可以連接到傳感器并且可以向經由可以是無線或者硬接線的通信鏈路向遠程位置 (比如控制中心16 發送傳感器測量的值。DC抽頭48、50、52、150可以被連接成向用來監視和發送與混合變壓器10、100、54、 74的操作有關的數據的傳感器、發送器和其它通信設備提供DC功率。DC抽頭48、50、52、 150也可以被連接成向控制器36、136和/或IED 160提供DC功率。根據混合變壓器10、 100,54,74的應用，DC抽頭可以被連接成向與應用關聯的設備提供DC功率。在AC-AC轉換器14、114中的各AC-AC轉換器中，如針對AC-AC轉換器14在圖21 中所示，電池組162和關聯開關可以與DC橋接器32、132并聯連接。當IED 160檢測到電壓衰落或者中斷時，IED 160可以閉合開關并且將電池組162連接到第二切換橋接器34以便向第二切換橋接器；34提供DC功率以補償損失或者衰落。連接到DC橋接器32的穩定充電器或者浮接充電器可以在未利用電池組162時保持電池組完全充電。取代讓電池組162 與DC橋接器32、132并聯連接，電池組162可以連接到DC橋接器32、132中并且可以取代電容器。比如圖17、18中所示，又一選項是在混合變壓器10、100、54、74的DC輸出端子兩端連接電池組67。三個單相混合變壓器10、100、54、74可以連接以形成三相變壓器。連接可以是 Υ-Υ、γ- Δ、Δ -Y或者Δ - Δ。在這一實施例中，用于混合變壓器10、100、54、74的控制器 36,136將同步以提供均衡三相功率。現在參照圖22，可以提供具有三相電磁變壓器202和三相AC-AC轉換器的三相混合變壓器200。在混合變壓器200中，相同電壓調節和功率因子糾正原理保持與上文針對單相混合變壓器10、100、54、74描述的原理相同。AC-AC轉換器可以包括三個單元206a、 206b、206c(—個單元用于相應各相)，其中除了用于三相混合變壓器的控制器適于控制三相電流和電壓而不是單相電流和電壓之外各單元206具有與AC-AC轉換器14或者AC-AC 轉換器114基本上相同的構造。
應當理解，可以提供具有多于三相的多相混合變壓器。對于這樣的多相混合變壓器，相同電壓調節和功率因子糾正原理保持與上文針對單相混合變壓器10、100、54、74描述的原理相同。本發明的混合變壓器10、100、54、74提供多個益處。AC-AC轉換器14、114可操作用于控制在混合變壓器10、100的初級側上的功率因子。對照而言，在常規變壓器的初級側上的功率因子依賴于負載。此外，AC-AC轉換器14、114可操作用于在輸入電壓衰落或者浪涌的情況下減少混合變壓器10、100、54、74的輸出電壓波動。例如，在輸入電壓增加或者減少15%的情況下，AC-AC轉換器14、114可以保持輸出電壓波動少于5%。混合變壓器10、 100、M、74的輸入電流也小于常規變壓器的輸入電流，因為混合變壓器10、100、54、74生成所有所需無功功率、因此電壓源僅向負載提供有功功率。混合變壓器10、100、54、74可以使用于數據中心、海軍推進系統、汽車制造設施、藥廠、醫院、聚合物加工長、造紙廠和風場中。在圖23至圖27中示出了根據本發明實施例實施的混合變壓器可以如何用來更高效地取代常規功率系統的示例。現在參照圖23，示出了瞬態電壓調節的仿真結果。初級電壓具有士20%波動，這些波動由混合變壓器補償以獲得調節的次級電壓。現在參照圖24，示出了 20%長時間電壓衰落的仿真結果。初級電壓下降由混合變壓器補償以獲得調節的次級電壓。在這一情況下，混合變壓器表現負載上的分接開關功能。在圖25(a)中示出了用于功率因子糾正的常規功率系統250。功率系統250包括常規電磁變壓器260和可切換電容器組270。按照遞增步長切換電容器組270以提供負載功率因子糾正所需要的無功功率。這一方法的特征在于響應緩慢并且覆蓋區大。圖25(b) 中所示混合變壓器10、100、54、74提供功率因子糾正所需要的無功功率輸出的連續和快速改變。它提供一種需要更少電容器額定值和有限覆蓋區的集成解決方案。在圖沈中，功率系統300使用兩個并行線路330和340來連接兩個網絡310和 320。在實踐中，并行線路不具有相同的阻抗，并且在一條線路中流動的功率大于在另一線路中流動的功率。在重負載條件之下，線路330、340之一可能受到熱超負荷、由此引起線路衰落和機械應力。當混合變壓器10、100、54、74與線路330串聯放置時，它允許通過對輸出電壓施加相移來控制經過線路330的功率流。混合變壓器10、100、54、74可以與兩條線路 330和340串聯放置并且控制該過道上的功率流。在圖27(a)中示出了用于數據中心的常規功率系統400。功率系統400包括常規電磁變壓器402、常規不間斷電源(UPQ 404、電池組406和整流器408。UPS 404和變壓器 402連接到AC電壓源并且向AC負載提供調控的AC功率。UPS 404連接到電池組406以在電壓源失效的情況下提供AC功率。整流器408將調控的AC功率轉換成用來向DC負載如計算機供電的DC功率。常規功率系統400可以由混合變壓器10、100、54、74的一個實施例取代，該實施例具有經過開關68在混合變壓器的DC輸出端子兩端連接的電池組67。如圖27(b)中所示， DC負載連接到混合變壓器10、100、54、74的DC輸出端子。在正常條件之下，電池組67維持于完全充電，但是開關68打開。從AC-AC轉換器14、114向DC負載提供DC功率。在出現斷電時，開關68閉合并且從電池組67向DC負載供應DC功率直至恢復AC功率或者啟動本地發電機單元。
具有電池組67的混合變壓器10、100、54、74提供與常規功率系統400相同的益處，但是更高效并且設備更少。如本領域技術人員將理解的那樣并且如前文提到的那樣，本發明可以實施為控制和監視前述混合變壓器的方法、具有配置成實現這些方法的程序代碼的計算設備或者系統、在計算機可用或者計算機可讀介質上(具有在該介質中實施的計算機可用程序代碼) 的計算機程序產品或者采用這些方法、計算設備或者系統、計算機程序產品這樣的形式。計算機可用或者計算機可讀介質可以是任何如下介質，該介質可以包含、存儲、傳達、傳播或者傳送用于由指令執行系統、裝置或者設備使用或者與指令執行系統、裝置或者設備結合使用的程序并且可以例如是但不限于電子、磁、光學、電磁、紅外線或者半導體系統、裝置、 設備或者傳播介質或者甚至是程序印刷于其上的紙張或者其它適當介質。計算機可讀介質的更具體示例(非窮盡列舉)將包括便攜計算機盤、硬盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPR0M或者閃存)、光纖、便攜致密光盤只讀存儲器 (CD-ROM)、光學存儲設備、傳輸介質(比如支持因特網或者內部網的傳輸介質)或者磁存儲設備。可以用任何適當編程語言編寫用于實現本發明操作的計算機程序代碼或者指令，只要它允許實現前述技術結果。程序代碼可以完全在用戶的計算設備上執行、部分在用戶的計算設備上作為獨立軟件包執行、部分在用戶的計算機上而部分在遠程計算機上執行或者完全在遠程計算機或者服務器上執行。在后一場景中，遠程計算機可以通過局域網(LAN) 或者廣域網(WAN)連接到用戶的計算機，或者可以進行與外部計算機的連接(例如通過使用因特網服務提供商的因特網)。將理解前述一個或多個示例實施例的描述旨在于僅舉例說明而不是窮舉本發明。 本領域普通技術人員將能夠對公開的主題內容的一個或多個實施例進行某些添加、刪除和 /或修改而不脫離如所附權利要求書的本發明精神實質或者其范圍。
1權利要求
1.一種混合變壓器，具有用于從電源接收輸入電壓和電流的初級側以及用于向負載提供輸出電壓和電流的次級側，所述混合變壓器包括鐵磁芯；第一、第二和第三繞組，纏繞于所述芯周圍，其中所述第一、第二和第三繞組中的至少一個繞組是用于連接到所述電源的初級繞組，并且所述第一、第二和第三繞組中的至少一個繞組是用于連接到所述負載的次級繞組；以及AC-AC轉換器，包括第一切換橋接器，連接到所述第一繞組；第二切換橋接器，與所述第二繞組串聯連接；DC橋接器，連接于所述第一與第二切換橋接器之間；以及控制器，可操作用于控制所述第一和第二切換橋接器以控制所述混合變壓器的初級側上的功率因子并且在所述輸入電壓改變的情況下減少所述輸出電壓的變化。
2.根據權利要求1所述的混合變壓器，其中所述第一和第二繞組是次級繞組而所述第三繞組是初級繞組。
3.根據權利要求1所述的混合變壓器，其中所述第一和第二繞組是初級繞組而所述第三繞組是次級繞組。
4.根據權利要求1所述的混合變壓器，其中所述DC橋接器包括多個電容器和用于向 DC負載提供DC功率的一個或者多個抽頭。
5.根據權利要求4所述的混合變壓器，還包括與所述DC橋接器并聯連接的常開開關和電池組，其中當所述輸入電壓出現中斷時所述開關閉合、由此從所述電池組向所述第二切換橋接器提供DC功率。
6.根據權利要求4所述的混合變壓器，還包括傳感器和用于監視所述混合變壓器的操作的監視設備，所述監視設備連接到所述一個或者多個抽頭以從所述DC橋接器接收DC功率。
7.根據權利要求6所述的混合變壓器，其中所述監視設備是從所述傳感器接收所述混合變壓器的操作數據的智能電子設備(IED)，所述操作數據包括所述第一、第二和第三繞組中的電流、電壓和溫度。
8.根據權利要求7所述的混合變壓器，其中所述IED包括所述控制器。
9.根據權利要求8所述的混合變壓器，其中所述IED通過通信鏈路連接到位于遠處的控制中心并且可操作用于向所述控制中心發送所述操作數據并且從所述控制中心接收用于所述控制器的命令。
10.一種混合變壓器，具有用于從電源接收輸入電壓和電流的初級側以及用于向負載提供輸出電壓和電流的次級側，所述配電變壓器包括鐵磁芯；第一和第二繞組，纏繞于所述芯周圍，所述第一繞組具有相對末端、設置于所述末端之間的多匝和連接到所述匝之一的抽頭，所述抽頭有助于限定所述第一繞組的繞組部分，并且其中所述第一和第二繞組之一是用于連接到所述電源的初級繞組，并且所述第一和第二繞組中的另一繞組是用于連接到所述負載的次級繞組；功率電子模塊，連接到所述第一繞組的抽頭；以及控制設備，可操作用于控制所述功率電子模塊以調節所述輸出電壓的變化并且控制所述混合變壓器的初級側上的功率因子。
11.根據權利要求10所述的混合變壓器，其中所述功率電子模塊包括AC-AC轉換器，所述AC-AC轉換器包括第一和第二轉換器，所述第一轉換器使用所述抽頭來與所述繞組部分中的第一繞組部分并聯連接，而所述第二轉換器與所述繞組部分中的第二繞組部分串聯連接。
12.根據權利要求11所述的混合變壓器，其中所述第一繞組是所述初級繞組而所述第二繞組是所述次級繞組。
13.根據權利要求11所述的混合變壓器，其中所述第一繞組是所述次級繞組而所述第二繞組是所述初級繞組。
14.根據權利要求11所述的混合變壓器，還包括第一和第二開關，所述第一開關與所述第一轉換器串聯連接，而所述第二開關與所述第二轉換器并聯連接。
15.根據權利要求14所述的混合變壓器，其中所述第一和第二開關中的各開關是機械開關、電子開關或者混合電子/機械開關。
16.根據權利要求14所述的混合變壓器，其中所述第一和第二開關由所述控制設備控制使得當確定所述AC-AC轉換器正常操作時所述第一開關維持于閉合位置并且所述第二開關維持于打開位置而當確定所述AC-AC轉換器未正常操作時所述第一開關打開并且所述第二開關閉合、由此使所述AC-AC轉換器被旁路。
17.根據權利要求14所述的混合變壓器，還包括與電感器串聯連接并且與所述第二轉換器并聯連接的電子開關。
18.根據權利要求11所述的混合變壓器，其中所述AC-AC轉換器還包括具有至少一個電容器和一個或者多個DC抽頭的DC母線。
19.根據權利要求18所述的混合變壓器，其中所述一個或者多個DC抽頭包括處于不同 DC電壓電平的多個抽頭。
20.根據權利要求11所述的混合變壓器，其中所述第一轉換器使用所述抽頭和所述第一繞組的末端來與所述繞組部分中的第一繞組部分并聯連接。
21.根據權利要求11所述的混合變壓器，其中所述抽頭是第一抽頭并且所述第一繞組還包括與所述第一繞組的所述匝中的另一匝連接的第二抽頭；并且其中所述第一轉換器使用所述第一和第二抽頭來與所述繞組部分中的第一繞組部分并聯連接。
22.根據權利要求10所述的混合變壓器，還包括傳感器和通過通信鏈路來連接到位于遠處的控制中心的智能電子設備(IED)，所述IED包括所述控制器并且可操作用于從所述傳感器接收操作數據、向所述控制中心發送所述操作數據并且從所述控制中心接收用于所述控制器的命令。
全文摘要
提供一種包括電磁變壓器和AC-AC轉換器的混合配電變壓器，該AC-AC轉換器具有DC橋接器。AC-AC轉換器可操作用于保持混合變壓器的輸入電壓和電流基本上同相并且在輸入電壓增加或者減少的情況下減少混合變壓器的輸出電壓波動。
文檔編號H02M5/45GK102308461SQ201080006857
公開日2012年1月4日 申請日期2010年2月5日 優先權日2009年2月6日
發明者L·唐, M·Y·哈杰-瑪哈希, R·古蒂瑞茲, S·巴拉 申請人:Abb研究有限公司