專利名稱：混合有載抽頭變換器和操作該抽頭變換器的方法
技術領域：
本發明特別但不是排他地涉及一種用于高壓交流電力傳輸的混合
有載抽頭變換器(hybrid on-load tap changer),以及一種操作這種抽頭 變換器的方法。
背景技術：
電力傳輸的特點是，超過200kV的交流(AC)電壓電平并伴有高 電平的浪涌和瞬時電壓以及電流。這些工作條件對用于這種傳輸的部件 的絕緣需求有特別的要求。
抽頭變換器是一種適用于變壓器以將變壓器的輸出電壓調節到所 需水平的設備。這種調節通常是通過選擇性連接到該變壓器的特定抽頭 從而控制初級或次級繞組的有效部分的匝數來實現的。
有載抽頭變換器用于在傳導電流時工作，并且要求在抽頭變換期間 不發生電流中斷。
圖1中示出了一種常規抽頭變換器的簡化示意圖。該常規抽頭變換 器10包括與變壓器16的初級繞組14串聯連接的第一選擇器12和第一 分流器18。該第一選擇器12和第一分流器18依靠油絕緣來達到最高功 率變壓器電壓所需的接觸-接觸絕緣水平。
該第一分流器18具有兩個支路(leg) 20、 22,每條都限定了相應 的電流通路，以及第一才幾電開關24。該第一才幾電開關24選擇性地將一 個支路20或另 一支路22連接到初級繞組以將由選擇器選擇的指定抽頭 選擇性連接到初級繞組14，從而將變壓器的輸出電壓調節到所需水平。
為了避免在抽頭變換期間經過初級繞組14的電流發生中斷，該第 一機電開關24具有一個"先接后斷(make before break )，，操作，從而 使得該開關短暫橋接兩個支路20、 22，如圖l所示。當這種橋接連接或 斷開時會發生高水平的電弧放電。
電弧放電會導致其中放置有第一分流器18的絕緣油的絕緣特性下 降。這就導致需要將用于第一分流器的油與用于主變壓器的油隔離，并 且還需要定期替換該分流器油。
這種布置的 一個變體使用 一種機械操作的真空開關以抑制該電弧 放電并進而減少維護需要。然而，包含機械操作的真空開關會增加復雜 性，這將相應地增加這種儀器的資本成本。此外，還需要定期替換機械 操作的真空開關。
在每個上述布置中，每次抽頭變換所需的時間是大約5秒，其中笫 一分流器18的操作占了大約150毫秒。因此，常規的抽頭變換器10將 花費例如超過2分15秒在-12到+ 12的抽頭范圍內完成步進式變換。
半導體開關的性能是很吸引人的，它可以在明確的電子指令后迅速 工作并且斷開(commutateoff)即切斷而不會產生電弧。
電力傳輸系統中的功率損失和浪涌電流水平意味著，希望在穩定狀 態工作期間使用例如機電開關將這種半導體開關與這種系統隔離。
因此，已知可以將半導體開關與機電開關組合以形成所謂的"混合" 有載抽頭變換器，如圖2所示。
該已知的混合有載抽頭變換器30包括被布置成與例如變壓器16的 初級繞組14串聯的第二選擇器32和第二分流器34 (用虛線表示)。該 已知的混合抽頭變換器30還包括用于控制該笫二分流器34的工作的第 一控制器36。
該第二選擇器32包括多個抽頭38,在所示例子中是3個，以及用 于選擇一個特定抽頭38的開關Sl、 S2、 S3。該第二選擇器32還可以包 括用于選擇性隔離該第二分流器34的給定支路的兩個第二機電開關 S4、 S5, /人而在其中旁通該半導體設備。
該第二分流器34具有兩個支路40、 42,每條限定各自的電流通路。 每個支路40、 42包括一對相對的第一和第二半導體開關44、 46。該半 導體開關44、 46被布置成選擇性地在該第二分流器34的指定支路40、 42中建立一條電流通路。
一種預期類型的半導體開關是晶閘管(thyristor) 48、 50。這種設 備具有較高的電壓和電流性能、高可靠性，并且能夠在超過15(TC的結 溫度下工作。此外，它們可以通過脈沖變壓器切換，從而不需要使用單 獨的輔助電源。而且，可使用光觸發晶閘管，其可以由通過光纖電纜傳 導的來自激光二極管的脈沖切換。
然而，盡管具有前述優點，晶閘管的缺點在于它會持續傳導直到陽 極電流被去除。這就造成了斷開這種設備的困難。一種斷開晶閘管的方法是使用所謂的"自然整流"。在自然整流期 間，作為例如AC周期期間的波動(其中陽極電流穿越零點，也就是被去除)的結果而自然去除陽極電流。因此，能夠在導通另一個支路42、 40中的晶閘管之前使得一個支路40 、 42中的晶閘管恢復到不導電狀態。
然而，晶閘管將會緩慢恢復，從而導致延遲，在該延遲期間，任一 支路40、 42都不能提供電流通路。因此，需要利用龐大而昂貴的無源 組件來橋接該支路以提供必要的連續電流，即避免電流中斷。該恢復的 時間(大約0.6ms)使得這些無源組件必須足夠大(因而龐大而昂貴) 以分流該電流和將該電壓維持在該晶閘管的額定值之內的水平。
第二種斷開晶閘管的方法使用了所謂的"共振強迫整流"。共振強 迫整流包括采取措施去除或分流該陽極電流以使得該晶閘管恢復到不 導電狀態。
然而，這種方法也需要利用龐大而昂貴的無源組件來橋接該支路40、 42以提供連續電流.
在上述每種方法中所需要的大量橋接組件造成了安裝困難。另外， 它們的高成本使得這種混合抽頭變換器的總成本增加到了 一個商業上 不可接受的水平。
另一種有載抽頭變換器是所謂的固態有載抽頭變換器60,如圖3 所示。該固態抽頭變換器60在切換布置中僅包括晶閘管62以形成各個 抽頭連接。該晶閘管62被布置在相對的對64、 66、 68中。這些抽頭變 換器不適用于電力傳輸應用，因為給定晶閘管的物理限制限制了它所能 承受的電壓和電流變化。
結合上述布置，提出了一種整流方法，包括導通一個不導電對66 中的晶閘管62從而引發由抽頭電壓驅動的循環電流CC。在理論上，當 該循環電流與流經導電晶閘管62 (也即流經被導通的導電對68中的晶 閘管62)的負載電流LC幅度相等^f旦方向相反時，該相對應的電流CC、 LC應該彼此抵消以使得該導電晶閘管62能夠斷開。該負載電流LC的 傳導將被該最初的不導電對66中被導通的晶閘管62保持。
然而，圖3所示的布置完全不適用于電力傳輸。
在電力傳輸應用中，抽頭變換器與變壓器的初級繞組相配合。這是 因為以這種方式布置該抽頭變換器連接會形成更少的絕緣困難。此外， 這種布置降低了電流水平，從而使得已有的機電開關運行更容易一些。
以前述方式布置的圖3所示類型的固態抽頭變換器將使得每個晶閘 管62處于超過40kV的電壓下。這樣的電壓超過了任何已知晶閘管的實 際工作規格。

發明內容
因此，本發明的總的目的是提供一種有載抽頭變換器，其允許使用 半導體開關而不會遇到與運行適當的半導體開關相關的固有困難。
根據本發明的第 一 方面，提供 一 種用于高壓交流電力傳輸的混合有 載抽頭變換器，包括
選擇器；
分流器，其具有分別限定各自的電流通路的兩個支路，每個支路包 括一對相對的第一和第二半導體開關；和
控制器，用于在該交流電周期的預定點選擇性地導通指定支路的第 一或第二半導體開關中的一個，從而按照預期斷開另一支路中的半導體 開關。
前述布置消除了對于龐大和昂貴的無源橋接組件的需要，從而將該 有載抽頭變換器的資本成本降低到了一個商業可接受的水平。
從而提高了該;由頭變:器的工作速度。'、5'0 、' 可選地，每個支路還包括布置成與該半導體開關對電連通的至少一 個保護元件。這就使得該半導體開關能夠在它們的正常工作限制內工作。
優選地，該保護元件是或者包括與每一第一和第二半導體開關對平
行布置的緩沖器(snubber)。這就限制了變換抽頭時該被斷開的半導體 開關兩端電壓的變化率，同時向負功率因子負載(negative power factor load)供電。
可選地，該保護元件是或者包括布置成串聯在該第一和第二半導體 開關對與該選擇器之間的電感器。包括該電感器有助于限制當進行抽頭 變換時流經指定的第 一和第二半導體開關對的電流升高。
有利地，每個支路還包括布置成與對應的該選擇器的機電隔離開關 成平行關系的電容器。每個電容器限制對應的半導體開關對兩端電壓的 變化率，從而幫助確保每個半導體開關在預期的工作條件下工作。
在本發明的一個優選實施例中，每個支路還包括布置成與對應的該
選擇器的才幾電隔離開關成平行關系的電壓浪涌放電器(voltage surge arrestor)。包括該相應浪涌放電器可以保護對應的第一和第二半導體開 關對在例如閃電時不會受電壓浪涌的影響。
可選地，該選擇器包括兩個才幾電隔離開關，用于選擇性地隔離該分 流器的相應支路以旁通其中的半導體開關。
在本發明的另 一優選實施例中，該選擇器的每個機電隔離開關包括 布置成與其串聯的電感器。該電感器限制了流經相應半導體開關對的電 流變化率，從而有助于確保所述半導體開關在預期的工作條件下工作。
根據本發明的第二方面，提供一種在高壓交流電力傳輸期間操作混 合有載抽頭變換器的方法，包括步驟
(i) 提供選擇器；
(ii) 提供具有兩個支路的分流器，每個限定相應的電流通路；
(iii) 為每個支路提供一對相對的第一和第二半導體開關；和
(iv) 在該交流電周期的預定點選擇性地導通指定支路的第一或第 二半導體開關中的一個，從而按照預期斷開另一支路中的半導體開關。
可選地，步驟(iii)包括提供布置成與該第一和第二半導體開關對 電連通的至少一個保護元件。
優選地，步驟(iii)包括提供布置成與每一第一和第二半導體開關
對平行的緩沖器。
可選地，步驟(iii)包括提供布置成串聯在該第一和第二半導體開 關對與該選擇器之間的電感器。
有利地，該方法還包括提供布置成與對應的該選擇器的機電隔離開 關成平行關系的電容器的步驟。
本發明的一個優選方法還包括提供布置成與對應的該選擇器的機 電隔離開關成平行關系的電壓浪涌放電器的步驟。每個浪涌放電器可以 保護對應的第一和第二半導體開關對在例如閃電時不會受電壓浪涌的 影響。
本發明的另 一 優選方法還包括為選擇器的每個機電隔離開關提供 布置成與其串聯的電感器的步驟。
本發明的方法也具有與本發明的設備的特性相對應的優點


現在將以非限制示例的方式參照附圖對本發明的優選實施例進行
簡要說明，其中
圖1示出了常規有載抽頭變換器的示意圖2示出了一種已知混合有載抽頭變換器的示意圖3示出了一種已知的固態抽頭變換器；
圖4示出了根據本發明的 一 個實施例的混合有載抽頭變換器的示意
圖5(a)(i)-5(e)(ii)示出了可能的整流條件；
圖6 ( a)示出了 一種抽頭降壓變4奐(tap down change )的Lissajous
圖6 ( b )示出了 一種抽頭升壓變換(tap up change )的Lissajous圖； 圖7 (a)和7 (b)示出了負載電流和循環電流的各自的組合效應； 圖8示出了用于高功率因子負載的Lissajous圖；和 圖9示出了在Lissajous圖上改變導通特定的不導電半導體開關的時 間的右爻應。
具體實施例方式
根據本發明的第一實施例的混合有載抽頭變換器被整體表示為參 考數字70，如圖4所示。
該混合抽頭變換器70包括第三選擇器72、笫三分流器74和第二控 制器76。該混合抽頭變換器具有與已知的混合抽頭變換器30相同的一 些特征。這些特征使用相同的參考數字表示。
該第三選擇器72具有多個抽頭78和相應的用于選擇特定抽頭78 的開關Sl、 S2、 S3。在所示例子中，包括三個抽頭。本發明的其他實 施例可以包括更多或更少的抽頭78。
該第三選擇器72還包括兩個第二機電開關S4、 S5用于選擇性地隔 離該第三分流器74的指定支路，以隔離其中的半導體設備。
該第三分流器74具有兩個支路80、 82,每個分別限定一條電流通 路。每個支路80、 82包括一對P1、 P2相對的第一和第二晶間管84、 86。 該晶閘管84、 86纟皮布置成選^^性地在第三分流器74的指定支路80、 82 中建立電流通路。在本發明的其他實施例中，可以使用不同類型的半導 體開關。
第三分流器74的每個支路80、 82包括布置成與第一和第二晶間管 84、 86對P1、 P2平行的緩沖器88。每個緩沖器88包括布置成互相串
聯的緩沖器電阻90和緩沖器電容92。在使用中，每個緩沖器88限制相 應第一和第二晶閘管84、 86對P1、 P2兩端的電壓變化率。
第三分流器74的每個支路80、 82還包括布置成串聯在第一和第二 晶閘管84、 86對P1、 P2與第三選擇器72之間的電抗電感器94。在使 用中，每個電抗電感器94限制流經相應第一和第二晶閘管84、86對P1、 P2的電流變化率。
此外，每個支路80、 82包括布置成與第三選擇器72的對應第二機 電隔離開關S4、 S5平行的限制電容器96。在使用中，每個限制電容器 96協助進一步限制相應第一和第二晶閘管84、 86對P1、 P2兩端的電壓 變化率。
所示實施例的混合有載抽頭變換器72的每個支路80、 82還包括布 置成與對應的第二機電隔離開關S4、 S5平行的電壓浪涌放電器98。在 使用中，每個電壓浪涌放電器98保護相應第一和第二晶閘管84、 86對 P1 、 P 2在例如閃電期間不受電壓浪涌的影響。
每個第二機電隔離開關S4、 S5包括布置成與其串聯的選擇電感器 98。在使用中，每個選擇電感器98協助進一步限制流經相應第一和第 二晶閘管84、 86對P1、 P2的電流變化率。
在使用中，該第二控制器76在該交流電周期中的預定點選擇性導 通指定支路80、 82中的指定不導電對P1、 P2的第一或第二晶閘管84、 86中的一個，從而斷開另一支路80、 82中的另一對P1、 P2的預期的導 電晶閘管84、 86。
這種切換能夠按照需要增加或減少初級繞組14上的匝數，而不會 中斷負載電流LC。
在所示第三分流器74電路中，增加初級繞組上的匝數會執行抽頭 降壓變換，而減少該匝數則執行抽頭升壓變換。
在指定AC周期的一半期間，例如當供給電壓為正時，在圖4所示 的第三分流器74電路中會產生四個不同的抽頭電壓和負載電流LC狀 態。該四個狀態是(i)抽頭電壓和負載電流LC均為正；(ii)抽頭 電壓為負，負載電流LC為正；(iii)抽頭電壓和負載電流LC均為負； 和(iv)抽頭電壓為正，負載電流LC為負。
由于AC周期的兩半(即供給電壓分別為正和負時)是對稱的，所 以第二負半周期的另四個抽頭電壓和負載電流LC狀態基本上是前四個
狀態的復制。
此外，當發生回生(back generation)時，即當該負載再生功率時， 會出現另外四個抽頭電壓和負載電流LC狀態。這些中的每個對應于上 面列舉的四個不同抽頭電壓和負載電流LC狀態之一。
圖5(a)(i)示出了第一抽頭電壓和負載電流LC狀態。第二對86^的 第二晶閘管最初是導電即導通的，負載電流LC是有源的即來自變壓器 初級繞組14并且因而一皮認為是正的。
該供給電壓是正的，所以通過該第二對86^的第二晶閘管連接的第 一抽頭繞組15相對于其希望切換到的第二抽頭繞組17是正的。因此， 在這種狀態下，該抽頭電壓被認為是正的。
圖5(a)(ii)示出了圖5(a)(i)所示狀態的簡化圖。
圖5(b)(i)和圖5(b)(ii)示出了第二狀態。負載電流LC被再生，即流 入到初級繞組14中，從而一皮認為是負的。第一抽頭繞組15相對于其希 望切換到的第二抽頭繞組17是正的。因此，該抽頭電壓被認為是正的。
圖5(c)(i)和圖5(c)(ii)示出了第三狀態。負載電流LC源自于初級繞 組14,從而被認為是正的。第二抽頭繞組17相對于其希望切換到的第 一抽頭繞組15是負的。因此，該抽頭電壓被認為是負的。
圖5(d)(i)和圖5(d)(ii)示出了第四狀態。負載電流LC被再生，從而 被認為是負的。第二抽頭繞組17相對于其希望切換到的第一抽頭繞組 15是負的，因此該抽頭電壓也是負的。
可以在Lissajous圖上表示電力傳輸系統的指定AC周期中任何特定 時刻的抽頭電壓和負載電流LC之間的關系。
每個Lissajous圖包括對應于各抽頭電壓和負載電流LC狀態的第 一、第二、第三和第四象限102、 104、 106、 108。
該第 一 到第四狀態的每 一 個中的抽頭電壓和負載電流L C狀態分別 對應于象限102、 104、 106、 108中的。因此，能夠將第一到第四狀態 的每個反應在Lissajous圖上。
第一Lissajous圖112 (圖6 (a))是關于抽頭降壓變換的，即通過 切換抽頭連接來減小變壓器次級繞組中的電壓從而增加初級繞組14中 的匝數。
對于電感負載(如圖所示)，抽頭電壓和負載電流LC之間的關系 隨著時間沿該第一 Lissajous圖112的軌跡逆時針方向變化。
電容負載(未示出)將使得抽頭電壓和負載電流LC之間的關系隨 著時間沿該第一 Lissajous圖112的軌跡順時針方向變化。
第二Lissajous圖114 (圖6 (b))示出了當執行抽頭升壓變換時， 即當減少初級繞組14中的匝數時，第三分流器電路74中的抽頭電壓和 負載電流LC之間的關系。
第二 Lissajous圖114是第一 Lissajous圖112關于垂直的零抽頭電 壓軸的鏡像圖像。
對于電感負載(如圖所示)，抽頭電壓和負載電流之間的關系隨著 時間沿該第二 Lissajous圖114順時針方向變化。
電容負載(未示出)將使得抽頭電壓和負載電流LC之間的關系隨 著時間沿該第二 Lissajous圖114逆時針方向變化。
每個Lissajous圖112、 114的軌跡穿過每個象限，而不論該抽頭變 換是降壓還是升壓。該抽頭變換的性質僅僅決定了每個Lissajous圖112、 114的軌跡保持在特定象限中的時間量。
由于該第一和第二狀態(圖5 (a)和5 (b))是關于抽頭降壓變 換的，所以它們對應于第一 Lissajous圖112。
在第一狀態中，負載電流和抽頭電壓都為正，所以它對應于第一 Lissajous圖112的第一象限102。在第二狀態中，負載電流為負而抽頭 電壓為正，所以它對應于第一 Lissajous圖112的第四象限108。
由于該第三和第四狀態(圖5 (c)和5 (d))是關于抽頭升壓變 換的，所以它們對應于第二 Lissajous圖114。
在第三狀態中，負載電流為正而抽頭電壓為負，所以它對應于第二 Lissajous圖114的第二象限104。在第四狀態中，負載電流和抽頭電壓 均為負，所以它對應于第二 Lissajous圖114的第三象限106。
每個圖5(a) -5(d)中的初級繞組14的電壓極性由在被考慮的 半周期期間為正的供給電壓設定。
在每個圖5 (a)和5 (b)中，該第二對P2中的一個晶閘管84P2、 86M最初是導電的，而第一對P1中的其它晶閘管84P1、 86^的每一個可 以被導通以導電，即它最初是不導電的。因此該抽頭電壓是正的。它與 負載電流LC是有源的還是再生的(也即是正的還是負的)相結合，決 定整流是否可能。
例如，對于圖5(a)(i〉和(ii)所示的狀態(即負載電流為正，抽頭電壓
為正)，導通該第一對P1中的第一不導電晶閘管84"會使得被初級繞 組14的電壓極性驅動的循環電流CC在電路中流動。
該循環電流CC增強了負載電流LC以得到總體增加的組合電流， 如圖7 (a)所示。
對于圖5(b)(i)和(ii)所示的狀態，導通該第一對P1中的第一不導電 晶閘管84W會使得被初級繞組14的電壓極性驅動的循環電流CC在電 路中流動。
該循環電流CC抵消了負載電流LC,如圖7(b)所示，從而使得 該導電晶間管(在這種情況下為第二對P2的第一導電晶閘管84P2)被 斷開。
同時，該新導通的晶閘管(第一對P1中的第一晶閘管84P1)能夠 傳導主負載電流，即該第一對P1中的第一晶閘管84W限定了該負載電 流的新流通路徑，如圖5(b)(i)中的虛線LC'所示。以這種方式來保持負 載電流流動，同時增加了初級繞組14上的匝數，即同時進行抽頭變換。
在每個圖5 (c)和5 (d)中，該第一對P1中的一個晶閘管84P1、 86W最初是導電的，而第二對P2中的其它晶閘管84P2、 86M的每一個可 以被導通以導電，即它最初是不導電的。因此該抽頭電壓是負的。它與 負載電流LC是有源的還是再生的(也即是正的還是負的)相結合，以 決定整流是否可能。
例如，對于圖5(c)(i)和(ii)所示的狀態，導通該第二對P2中的第二 不導電晶閘管86P2會使得被初級繞組14的電壓極性驅動的循環電流CC 在電^各中流動。
該循環電流CC^氐消了負載電流LC， 乂人而使得該導電晶閘管(在這 種情況下為第一對P1的第二導電晶閘管86P1)被斷開。
對于圖5(d)(i)和(ii)所示的狀態，導通該第二對P2中的第二不導電 晶閘管86M會使得被初級繞組14的電壓極性驅動的循環電流CC在電 路中流動。
該循環電流CC增強了負載電流LC以得到總體增加的組合電流。 因此，為了斷開所希望的導電晶閘管84P2、 86P1,需要在抽頭電壓 和負載狀態對應于特定狀態即該第一 Lissajous圖112的第四象限108中 的狀態以及笫二Lissajous圖114的第二象限104中的狀態時，導通特定 的不導電晶閘管84P1、 86P2。
從而，需要控制在AC周期期間何時導通特定的不導電晶閘管84P1 、 86P2。這是為了確保有足夠的時間來斷開特定的導電晶閘管84P2、 86P1, 同時該電力傳輸系統的負載電流和抽頭電壓對應于第二或第四象限 104、 108中的狀態。
每個第二或第四象限104、 108中導通該特定的不導電晶閘管84P1、 86P2的特定時刻被選擇，以最小化被每對晶閘管Pl、 P2經受的電流和 電壓變化率。
例如，希望導通該特定的不導電晶閘管84P1、 86P2，同時該抽頭電 壓較低以限制由各晶閘管對P1、 P2經受的電流增加。
在第一Lissajous圖112 (圖6 (a))的軌跡上顯示了當執行抽頭降 壓變換時(圖5 (a)和5 (b)),希望斷開特定的導電晶閘管84"的 第一時間周期122。
該周期被選擇以限制在整流期間由每對晶閘管Pl、 P2經受的電流 變化率。
限制整流期間的電流變化率可以減小所需的電抗電感器94的尺寸， 從而減少這種電感器的成本。較低的電流變化率發生在零抽頭電壓軸附近。
因此，通過在AC周期與零抽頭電壓軸鄰近時導通該第一對Pl的 第二不導電晶閘管86P1，能夠僅僅使用適當尺寸和不昂貴的電抗電感器 94,將由每對晶閘管P1、 P2經受的電流變化率限制到每個晶閘管84P1、 86P1、 84P2、 86P2的物理工作參數內。
如圖6 (b)的第二Lissajous圖114的軌跡所示，當執行抽頭升壓 變換時(圖5 (c)和5 (d))，希望在第二時間周期124期間斷開導 電晶閘管86P1。
為了限制在整流期間由每對晶閘管Pl、 P2經受的電流變化率，希 望在抽頭電壓較低即鄰近零抽頭電壓軸時進行整流。然而，為了在預期 的象限內進行整流，例如該第二Lissajous圖114的第二象限104,必須 在抽頭電壓到達零伏之前進行。
因此，在每對晶閘管P1、 P2兩端的電壓變化率較高。
為了限制每對晶閘管P1、 P2經受該電壓變化率的程度，希望包括 與每對晶閘管P1、 P2平行的緩沖器88。
該AC周期的每一半的對稱意味著，當進行抽頭降壓變換時，也能
夠在第二半負周期的期間斷開導電晶閘管86P2，如圖5(e)(i)和(ii)所示。 在該周期期間的負載電流和抽頭電壓狀態對應于第一 Lissajous圖
112的第二象限104 (圖6 (a))。在第一 Lissajous圖112的軌跡上顯
示了希望斷開該導電晶閘管86^的第三時間周期123。
類似地，當進行抽頭升壓變換時，也能夠在第二半負周期期間斷開
該導電晶閘管。
在該周期期間的負載電流和抽頭電壓狀態對應于笫二 Lissajous圖 114的第四象限108的(圖6 (b))。
因此，能夠在每個半周期期間斷開對應的導電晶閘管(即在該第二 和第四象限104、 108的每個中的一個導電晶閘管)。這意味著第三分 流器的切換在每個AC周期期間會發生兩次。
因此，根據第三選擇器72的選擇性能，即選擇特定抽頭所需的時 間，能夠在每個AC周期期間執行兩次抽頭變換。
當如上所述導通不導電晶閘管時，需要將該電力傳輸系統的負載電 流和抽頭電壓狀態保持在預定象限104、 108內達到足夠的時間以進行 整流。預定象限104、 108所需的最小時間由指定的導電晶閘管斷開即 恢復到不導電狀態所花費的時間決定。通常大約650ps。
這就對該負載電流和抽頭電壓之間的相位關系或者該系統的所謂 "功率因子"進行了限制。
圖8示出了第四到第六Lissajous圖126、 128、 130。
該第四和第五Lissajous圖126、 128是關于負載電流和抽頭電壓之 間的+0.98和-0.98的相位關系。"+"和"分別指抽頭降壓和抽頭升 壓變換。
例如該第四Lissajous圖126處于第二象限104中的軌跡的時間周 期，用第四時間周期132表示，是650ius。因此，+/-0.98的功率因子負 載是使得整流完全在預定象限104、 108內發生的最高功率因子。
負載電流和抽頭電壓之間的更大相位關系即更高的功率因子，會導 致更窄的Lissajous圖，其在預定象限104、 108中花費少于650ps的時 間，如第六Lissajous圖130所示，其是單位，即+ 1.0的功率因子負載。
可以通過在越過零抽頭電壓軸之前和進入第三象限106之前，導通 該不導電晶閘管(即啟動整流)來克服對該相位關系的限制，如第五時 間周期134所示。
優選地，這種切換發生在越過該零抽頭電壓軸之前的大約半個晶閘
管恢復時間即325|us時。
在這種工作模式期間，該電抗電感器94,當供給電壓反轉時該變壓 器的自感和該初級繞組14的電壓極性(即該抽頭電壓)的切換，都有 助于限制所形成的短路導致的電流增加。
當執行抽頭降壓變換時，越過零抽頭電壓軸時抽頭電壓的切換形成 了圖5 ( e )中所示的狀態。這就生成了循環電流CC以抵消負載電流LC, 從而使得該導電晶閘管86^斷開。
在越過該零抽頭電壓軸之前導通不導電晶閘管86P1會調節該 Lissajous圖(如圖9所示)以改變其軌跡進入預定象限104、 108 (在此 情況下為第四象限108)的點，從而在該預定象限108內提供足夠的時 間來進行整流。
權利要求
1. 一種用于高壓交流電力傳輸中的混合有載抽頭變換器，包括選擇器；分流器，其具有限定相應電流通路的兩個支路，每個支路包括相對的第一和第二半導體開關對；和控制器，配置成在該交流電周期的預定點導通指定支路的第一或第二半導體開關中的一個，從而斷開另一支路中的預期的半導體開關。
2. 如權利要求1所述的混合有載抽頭變換器，其中每個支路還包 括布置成與該半導體開關對電連通的至少一個保護元件。
3. 如權利要求2所述的混合有載抽頭變換器，其中該保護元件是 或者包括與每一第一和第二半導體開關對平行布置的緩沖器。
4. 如權利要求2或3所述的混合有載抽頭變換器，其中該保護元 件是或者包括布置成串聯在每個第一和第二半導體開關對與該選擇器 之間的電感器。
5. 如前面任何一項權利要求所述的混合有載抽頭變換器，其中每 個支路還包括布置成與對應的該選擇器的機電隔離開關平行的電容器。
6. 如前面任何一項權利要求所述的混合有載抽頭變換器，其中每 個支路還包括布置成與對應的該選擇器的機電隔離開關平行的電壓浪 涌放電器。
7. 如前面任何一項權利要求所述的混合有載抽頭變換器，其中該 選擇器包括兩個才幾電隔離開關，用于選擇性地隔離該分流器的相應支路 以旁通其中的半導體開關。
8. 如權利要求7所述的混合有載抽頭變換器，其中該選擇器的每 個機電隔離開關包括布置成與其串聯的電感器。
9. 一種在高壓交流電力傳輸期間操作混合有載抽頭變換器的方法， 包括步驟(i )提供選擇器；(ii) 提供具有兩個支路的分流器，每個限定相應的電流通路；(iii) 為每個支路提供相對的第一和笫二半導體開關對；和(iv) 在該交流電周期內的預定點選擇性地導通指定支路的第一或 第二半導體開關中的一個，從而斷開另一支路中的預期的半導體開關。
10. 如權利要求9所述的操作混合有載抽頭變換器的方法，其中步 驟(iii )還包括提供布置成與該第一和第二半導體開關對電連通的至 少一個〗呆護元件。
11. 如權利要求10所述的操作混合有載抽頭變換器的方法，其中 步驟(iii)包括提供布置成與每一對第一和第二半導體開關平行的緩 沖器。
12. 如權利要求10或11所述的操作混合有載抽頭變換器的方法， 其中步驟(iii)包括提供布置成串聯在每個第一和第二半導體開關對 與該選擇器之間的電感器。
13. 如權利要求9 - 12中任一項所述的操作混合有載抽頭變換器的 方法，還包括提供布置成與對應的該選擇器的機電隔離開關平行的電容 器的步驟。
14. 如權利要求9 - 13中任一項所述的操作混合有載抽頭變換器的 方法，還包括提供布置成與對應的該選擇器的機電隔離開關平行的電壓 浪涌放電器的步驟。
15. 如權利要求9 - 14中任一項所述的操作混合有載抽頭變換器的 方法，還包括為選擇器的每個機電隔離開關提供布置成與其串聯的電感 器的步驟。
16. —種基本如這里參照附圖4-9所述的用于高壓交流電力傳輸 的混合有載抽頭變換器。
17. —種基本如這里參照附圖4-9所述的在高壓交流電力傳輸期 間操作混合有載抽頭變換器的方法。
全文摘要
一種用于高壓交流電力傳輸的混合有載抽頭變換器(70)，包括選擇器(72)和具有分別限定各自的電流通路的兩條支路(80，82)的分流器(74)。每條支路(80，82)包括一對(P1，P2)相對的第一和第二半導體開關(84，86)。該混合有載抽頭變換器(70)還包括控制器(76)，配置成在該交流電周期的預定點導通指定支路(80，82)的第一或第二半導體開關(84，86)中的一個，從而斷開另一條支路(80，82)中的預期的半導體開關(84，86)。
文檔編號G05F1/14GK101395555SQ200780007980
公開日2009年3月25日 申請日期2007年3月6日 優先權日2006年3月8日
發明者D·C·M·奧特斯, M·薩拉沃萊 申請人:阿雷瓦T&D股份有限公司