1、 毕 业 设 计 (论 文 )课 题 名 称 高 频 变 压 器 的 建 模 与 仿 真 学 生 姓 名 学 号 系 、 专 业 电 气 工 程 系 、 0 级 电 气 工 程 及 其 自 动 化 指 导 教 师 职 称 讲 师 2013 年 5 月 15 日邵阳学院毕业设计（论文）I摘要高频变压器是一种含有电力电子变换器且通过变压器实现磁耦合的变换装置，它通过电力电子变换技术和变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递。其区别于传统电力变压器突出的特点在于体积小、重量轻，可以实现对变压器原副方电压幅值和相位的灵活控制，可以满足未来电力系统的很多新的要求。因此，对其拓扑结构和控制策略开展研究是很
2、有必要的，具有十分重要的理论意义和应用价值。本文首先介绍了高频变压器的几种典型实现方案，即AC/AC、AC/DC/AC 两种拓扑形式。其中重点介绍了 AC/DC/AC 拓扑形式，并对其各组成部分的拓扑结构与控制策略进行了详细的分析。对新型高频变压器的原边实施了 SPWM 调制策略，并对这种方案进行了 Matlab/sirnulink 仿真研究，并对仿真结果进行了分析，验证了方案的正确性。关键词：高频变压器；拓扑；建模仿真邵阳学院毕业设计（论文）IIAbstractThe high 一 frequency Transformer is a convertible device which con
3、tains power Electronic converter and makes use of transformer realizing the magnetism coupling , it converts voltage and transfers energy by Power electronic technology and the high一 frequency transformer Its Prominent characteristic is smaller And lighter than the traditional transformer, a flexibl
4、e control for the main and Subsidiary side voltage amplitude and Phase can be also achieved respectively, it can Satisfy many new requests of future Power system. Therefore, it is necessary that Study its topology structure and the control schemes.Firstly, some typical schemes of the high 一 frequenc
5、y Transformer areGeneralized in this paper, and the topology structure and control strategy of high 一frequency Transformer Subassembly are analyzed in detail.SPWM strategy has been Put in the main side of high 一 frequency Transformer, under the grid with non-ideal brought Out the feedforward and fee
6、dback compensation control, and carried out Matlab/Simulink emulation. Key words：High 一 Frequency Transformer (HFT)；Topology；Modeling and simulation目 录摘要Abstract1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 当前国内外研究现状3 1.3 高频变压器的应用及其前景41.4 本文的主要工作52 高频变压器的拓扑结构及工作原理6 2.1 高频变压器的工作原理62.2 高频变压器的拓扑结构93 高频变压器的电路结构及控制方式123.1 高频变
7、压器的基本结构123.2 输入级电路及控制方式123.3 隔离级电路及控制方式183.4 输出级电路及控制方式214 建模仿真及结果分析284.1 MATLAP/Simulink 简介 284.2 建模仿真及分析29总结33参考文献34致谢37邵阳学院毕业设计（论文）11 绪论1.1 课题研究的背景和意义我国电网建设己经颇具规模，但总体而言结构还是较为薄弱，加上装机容量不足，负荷高峰时段电力系统往往处于零备用运行，电网安全受到极大威胁。同时，我国处于全国联网的初期，联网要经过一个由弱到强的过程，交流弱联系统的安全稳定问题十分突出。由于部分电网 500 千伏网架薄弱，为保证电网可靠性，被迫采用
8、500 千伏与 220 千伏电磁环网运行，电磁环网问题影响了输电能力的充分发挥，使输电断面的稳定水平降低。与之相对的是，随着信息技术飞速发展，信息社会对供电质量提出了新的挑战，用户对电能质量以及供电可靠性提出了更高的要求。如何在现有电网结构的基础上尽量避免故障，保证供给用户可靠和合乎标准的电能，确保用户电气设备的安全经济运行已成为急需解决的课题。另外，当今世界对环境保护和可持续发展问题也日趋关注。传统的煤炭、石油等矿物能源储量有限，在若干年后都将开采殆尽，积极利用新能源和可再生能源发电已成为社会发展的必然要求。太阳能发电、风力发电以及小水电等分布式发电系统在整个能源结构中的比重逐步上升，并有望
9、将成为今后的主要能源来源。分布式电源容量小，分布广，交直流电源兼有，且电源电压或频率具有较大的波动性,如何有效可靠地将它们融入电力系统也是今后需要解决的问题之一。电力变压器自 19 世纪被发明以来，已经成为输配电系统的基本组成设备，数量巨大。目前，传统的电力变压器通常采用铁芯油浸式，具有制作工艺简单、可靠性高等优点，但是缺点也十分明显，包括：体积、重量大，空载损耗较高，变压器油对环境存在威胁，其主要作用是变压和隔离，功能比较单一，铁芯饱和时，会产生谐波，在投入电网时还会造成较大的励磁涌流。此外，传统铁芯变压器过载时易导致输出电压下降、产生谐波；变压器两侧发生故障时，故障电流、电压容易通过电磁藕
10、荷传播，从而导致故障扩大；带非线性负载时，畸变电流通过变压器藕合进入电网，造成对电网的污染；电源侧电压受到干扰时，又会传递到负载侧，导致对敏感负荷的影响；使用绝缘油造成环境污染；当系统瓦解或者过载时需要配套的相关设备对其进行保护。由此可见，在电网结构薄弱，受到扰动影响较大时，传统变压器无法起到抑制扰动，增大系统阻尼，提高电能质量，满足用户的要求的作用。另外，由于无法控制流经常规变压器邵阳学院毕业设计（论文）2电能的电流、电压与频率，传统变压器无法灵活地将各种分布式电源接入电力系统。基于以上原因，国内外研究人员近年来都在积极探索研究新型的电力变压器。而随着大功率电力电子元器件及其控制技术的发展，
11、一种通过电力电子变换实现电力系统中的电压变换和能量传递的新型高频变压器得到了越来越多的关注。该类高频变压器是一种含有电力电子变换器且通过高频变压器实现磁耦合的变电装置，它通过电力电子变换技术和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递。其突出特点在于它可以实现对变压器原副方电压幅值和相位的灵活控制，可以满足未来电力系统的很多新的要求，包括：更高的稳定性，实现更加灵活的输电方式，整合各种交直流分布式电源，以及实现电力市场下对功率潮流的实时控制。因此，作为输配电系统最基本的组成设备，这种新型变压器具备解决电力系统中面临的许多新课题的潜力，有广阔的应用前景。由于电力电子技术的快速发展，有理由相信这
12、种新型变压器能在不久的将来进入实际电力系统，逐步替代目前使用常规铁芯式变压器。因此，对其拓扑结构和控制规律以及在电力系统中的应用开展研究是很有必要的，具有十分重要的理论意义和应用价值。与常规的铁芯式变压器相比，高频变压器具有如下优点：(1) 体积小，重量轻，无环境污染；(2) 运行时可保持副方输出电压幅值恒定，不随负载变化；(3) 始终保证原、副方电压电流为正弦波形，并且原、副方功率因数任意可调；(4) 具有高度可控性，变压器原副方电压、电流的幅值和相位均可控；(5) 兼有断路器的功能，大功率电力电子器件可以瞬时(微秒级)关断故障大电流，也无需常规变压器的复杂继电保护装置。(6）含有智能控制原
13、件,一方面可以实现装置的自检测、自诊断、自保护、自修复等功能,另一方面可以实现联网通信,对于实现电网的智能化具有积极意义。将高频变压器应用到电力系统后,将会给电力系统带来很多新的特点,有助于解决电力系统中所面临的许多新课题,主要表现在如下几个方面:(1) HFT 作为一种高度可控的新型输电设备,其原副方电压的幅值和相位邵阳学院毕业设计（论文）3均可控,且可关断故障大电流,这一特点应用到电力系统后,将有望大幅度提高系统的稳定性。(2) HFT 交直流环节兼有,所以可灵活地将各种分布式电源接入电力系统。(3) HFT 具有高度的可控性,广泛应用后,将能够在保证系统稳定性的条件下实现对潮流的实时灵活
14、控制。(4) 与 HFT 相联的同步发电机可实现异步化运行。当系统发生故障时,发电机可实现短时异步化运行而不会与系统解列,提高系统的安全稳定性和供电可靠性。(5) 当前电网中如谐波、电压跌落、闪变等电能质量问题日趋严重,将HFT 用于配电系统后,将能够起到电能质量调节器的作用。（6）发展智能电网技术,提高对电网的监控和调控能力,为大功率电力电子设备提供了广泛的市场机遇。HFT 的作为智能设备,具有一定的思维判断功能及执行功能,能自动适应智能电网的控制需要。对分布式电源的智能管理,电能质量的提高以及不断完善目前的电网功能并逐步向智能电网趋近,有着非常重要的意义。1.2 当前国内外研究现状1970
15、 年，美国 GE 公司的 W.Mc Murray 首先提出了一种具有高频连接的 AC/AC 变换电路，这种高频变换原理已成为后来基于直接 AC/AC 变换的高频变压器发展的基本思路。1980 年，美国海军的一个研究项目提出了一种由 AC/AC 的降压变换器构成的固态变压器(Solid State transformer)。其后，由美国电力科学研究院(EPRI)赞助的一个研究项目也研制出了另一种基于AC/AC 变换的固态变压器。Koosuke Harada 等人在 1996 年又提出了一种智能变压器( Intelligent transformer)，通过对高频技术的使用，使得变压器体积减小，并
16、可实现恒压、恒流，功率因数校正等功能。其研究成果在200V，3kVA 的实验装置上得到实现，开关频率达到 15kHz，但其缺点在于效率较低，大约在 80%90%左右。另外，美国德州 A 在变压器的副边, 高频交流信号经功率器件 S1, S2和 S3同步还原为工频交流输出。 ， 构成了iLiCLC 滤波器以减小变换器对电源注入的谐波电流。此方案的特点是结构和控制简单, 功率器件数少, 成本低, 但由于工作过程中电流断续, 会造成器件两端出现尖峰电压, 且输出电压谐波较大。Ronan 和 Sudnoff 于 1999 年提出了一种由输入级(高压级)、隔离级和输出级(低压级)三级结构组成的高频变压器
17、。这是一种降压变压器方案，其特点在于输入级采用多级功率模块串联的结构，高压侧输入电压被均分到每一模块上，从而可减小高压侧单个功率模块上所承受的电压，各模块内部可不必串联。输入级各模块为单位功率因数整流器，但是这些实现方案，由于受当时大功率电力电子器件以及电力电子技术发展水平的限制，而且这方面理论本身不成熟，因而都未能进入实用化。1.3 高频变压器的应用及其前景高频变压器能够应用于电力系统的多个领域。将 HFT 应用于输电系统中取代发电机变压器组中的传统变压器后，利用其原副方电压的幅值和相位均控，可关断故障大电流的特点能够提高系统稳定性；当将其应用于配电系统中时，HFT 既具有变压器的一般的功能
18、，如电能传输、隔离变换等，又具有抑制谐波向流动、防止负载侧出现故障影响电源电压、消除电压跌落与升高以及过电压、欠压等电源侧电压的干扰对负荷的影响，对各种电量进行监测、显示、分析处理来判各种异常情况,以对其自身和系统进行保护并给出报警信号和故障类型等特点，因而可以通过 HFT 向那些对电能质量敏感负荷供电，如造纸厂、邵阳学院毕业设计（论文）5纺织厂、挤塑机、生精密机械的汽车零件制造、大型泵体锻造企业以及半导体制造业、银行、电信、军事、医疗、化工等领域，进而产生巨大的社会和经济效益。此外，由于 HFT 还具体积小、重量轻、空载损耗小等优点，它还可以应用在对设备的体积、重量有特殊求的场合，如航海、航
19、空、航天等领域。自上世纪末以来，随着社会经济的高速发展，世界各国对电能的需求进一步加强，对电网安全和线路承载能力的压力也随之加大，在这一背景之下，灵活交流输电系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）技术应运而生。其主要内涵为利用大功率电力电子元件替代传统阻抗控制元件，功角控制元件和电压控制元件上的机式控制开关，从而使电力系统中影响潮流分布的三个重要参数电压，阻抗及功率角以按照系统的需要迅速调整，在不改变网络结构的基础上，使电网的功率输送能力及潮流和电压的可控性大为提高。该理论的一些重要应用如可控串补，综合潮控制器等器件在电力系统中正发挥着重要的作用。因
20、此，有理由相信高频变压器将成为 FACTS 设备家族中的新成员，其理论研究成果也将会 FACTS 理论的丰富和发展做出贡献。1.4 本文的主要工作本文的主要目的是在综合了解国内外高频变压器研究的基础上，利用仿真的方式对高频变压器进行研究并给出相关结论，对高频变压器进行初步的研究和分析。本文的主要内容为：（1）深入了解高频变压器的相关概念及结构,对国内外高频变压器技术的研究和发展现状进行全面的总结,并分析和讨论了高频变压器研究中的关键技术问题；提出高频变压器的工作原理与实现方案；（2）介绍了整流环节、逆变环节结构原理及其控制方法；（3）建立了高频变压器仿真模型；（4）应用 Matlab 仿真软件，搭建高频变压器及其控制系统模型，验证控制策略的正确性和有效性。邵阳学院毕业设计（论文）6
