杜新亚2012_毕业设计(论文)中期报告.doc

河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告毕业设计（论文）题目：电力电子变压器的设计与分析专业：电气工程与自动化专业学生信息：学号 087056、 姓名 杜新亚、 班级C087指导教师信息： 教师号 96023姓 名 曹淑瑛职 称 副教授报告提交日期：2010-5-13中期报告内容要求：（毕业设计中期报告要求提交阶段设计成果或实验结果；毕业论文中期报告要求提交实地（现场）调查研究报告。）篇幅要求：根据专业要求由系主任规定，但不可低于2000字编辑和打印格式：WORD文本，正文页眉 “河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告”，正文五号宋体。A4纸单面打印。电力电子变压器的设计与分析1 电力电子变压器概述电子电力变压器（简称EPT）是采用电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递的一种新型变压器。阐述了EPT的基本理论并对一种新的EPT实现方案进行了稳态特性仿真，以及4种情况下的动态特性仿真，结果表明可以保证原副方良好的电压、电流波形，具备良好的控制特性，并且具有电能质量调节器的功能，可以作为一种新型的电能质量调节装置。电力电子变压器主要由初、次级功率变换器以及联系二者之间的高频变压器组成。从电力电子变压器的输入输出特性看, 相当于交/交变换。其基本工作原理为输入的工频电压经过原边变换器调制为高频交流电压, 通过高频变压器耦合至副边, 再通过副边的功率变换器将其转换为所要求的电压。可以通过增加变压器的工作频率来减小其体积。利用现代电力电子技术和适当的控制方案, 将工频交流电调制为高频交流电, 然后经过高频变压器进行隔离和电压变换, 再把高频交流电变为工频交流电, 从而实现变压器的小型化和轻型化。电力电子变压器的几种电路类型：1. 斩控式电力电子变压器美国电科院于 1995 年制出第一台电力电子变压器实验样机, 其主电路拓扑如下图1, 该电力电子变压器采用 Buck 型主电路结构。该电路结构简单, 容易实现电压调节。但这种电路也有很多缺点: 电路包含串联器件, 难以控制; 没有实现变频; 没有电气隔离; 不能抑制输入的电流谐波和调整功率因数。因此, Buck 型电力电子变压器不能真正用于输配电系统。图1 Buck结构2. 交- 交- 交变换电力电子变压器1999 年美国德州大学 M.Kang 等人提出交交交电力电子变压器, 如图 2- 2 所示。该电路由初级、次级两个功率变换电路和高频变压器构成, 在两级功率变换电路中, 每个桥臂由上、下两个背对背的功率器件连接, 这种连接方式可以实现电能双向流动。这种电路的优点有: 变压器的传送容量及效率较 Buck 型电路有所提高; 变压器的体积和重量明显减小; 其原理也较简单。但该电路包含的器件较多,结构复杂, 而且控制时还必须保证原、副边同步。图2交交交结构3. 反激式电力电子变压器图 2- 3 为采用反激型变换器的电力电子变压器。该结构避免过多的中间阶段, 使结构简化, 从图中也可看出, 整个装置的开关器件只有 6 个, 大大少于前面两种结构。这种电路的显著优点是: 它所需要的开关器件较少；电源侧的电感和电容组成 LC 滤波电路, 可以在一定程度上解决电能质量问题。但是, 由于反激式变换电路主开关电压应力较大, 难以应用于输入电压较高的场合; 另外, 反激变换电路的变压器要加气隙, 所以漏感较大, 会在变压器上产生很高的尖峰电压, 从而进一步增加变压器上的电压应力, 并使电磁干扰较为严重。图3反激式结构图2为单相交-交-交变换型电力电子变压器主电路的拓扑结构,它由原、副边交-交变换器,以及联系两者之间的高频变压器和输出滤波器组成。每边的功率变换器由8个,各有两个IGBT和二极管相对连接的双向开关组成,可以使电流双向流动。交-交-交变换结构电力电子变压器的工作过程为:首先,输人的工频交流电压经过原边变换器调制为高频，,运行在开关状态实现的,其中，,同时导通和关断, ,同时导通和关断,两组之间的控制信号是占空比为50%的互补导通的高频脉冲信号;其次,高频变压器原边高频调制电压耦合至副边;然后,经过与原边结构完全相同的副边功率变换器反调制,输出高频电压,再经输出滤波器滤波将其转换为所要求的电压。电力电子变压器是输配电系统最基本的组成设备,其突出特点在于通过电压源变换器对其交流侧电压幅值和相位的实时控制,可实现变压器原副方电压、电流和功率的灵活调节。与常规的铁心式变压器相比,PET的优点为：体积小,重量轻,无环境污染；运行时可保持副方输出电压幅值恒定,不随负载变化,且平滑可调；可保证原方电压电流和副方电压为正弦波形,且原、副方功率因数可调；变压器原副方电压、电流和功率均高度可控；兼有断路器的功能,大功率电力电子器件可瞬时(级)关断故障大电流,也无需常规的变压器继电保护装置。2 变压器的工作原理及特性通过调节变压器原、副边交-交变换其相应触发脉冲的相位,可以控制输出交流电压的幅值。在高频环境下,变压器电压低次谐波分量的频率较高,经过较小的滤波器就可以得到良好的输出波形。基于交-交-交变换的电力电子变压器移相工作模式分析如下：图2为基于交-交-交变换电力电子变压器在一个电源电压周期内的工作模式,其中,变压器的副边变换器的触发脉冲滞后原边相应脉冲时间为,一共有八种工作模式。当0时,电力电子变压器有四种工作模式:模式1(0-):，,导通, ,关断；，,关断, ,导通。模式2(）:，,导通, ,关断；，,导通, ,关断。模式3(）: ，,关断, ,导通；，,导通, ,关断。模式4(）: ，,关断, ,导通；，,关断, ,导通。当时,电力电子变压器也有四种工作模式:模式5（）: ，,导通, ,关断；，,关断, ,导通。模式6（）: ，,导通, ,关断；，,导通, ,关断。模式7（）: ，,关断, ,导通；，,导通, ,关断。模式8（）: ，,关断，,导通；，,关断，,导通。输入电压和输入电流可表示如下:其中:为输入电压幅值,为输入电压的频率,为输入基波电流的幅值，为电源功率因数角。由上式可知:的低次谐波分量为450Hz和550Hz。如果取变压器工作频率为1000Hz,低次谐波分量为900Hz和1100Hz。图表 1电力电子变压器原边与副边波形 图表 2半个开关周期输入、输出电压近似波形在变换器的开关频率足够高,且远大于输出滤波器的截止频率时,可以认为在一个开关周期中,变压器的原、副边电压的幅值不变。在半个开关周期中,输入电压和输出电压的波形可以近似为图2所示。令电力电子变压器的输出电压为,变比为N,在半个周期中,包围的面积为；包围的面积为 。忽略交-交变换电路和变压器的内阻,根据面积等效原理,输入电压和输出电压在半个周期中包围的面积相等。由上述两式可得:其中、都是恒值。3 电力电子变压器的模型控制结合上述对电力电子变压器的输入、输出特性分析,本文采用基于有效值检测的控制来实现输出电压幅值恒定,控制框图如图3。该电路控制策略的特点是:采用电压单闭环控制方案,输出电压经电压互感器PT降压后进入有效值计算电路,其输出与电压给定值Vref相比较产生误差信号经PI电压调节器,输出信号送至相移计算电路,即计算式中的变压器副边变换器的脉冲延迟时间Td,最后经过驱动电路加到变压器原、副边的交-交变换电路。图表 3基本交交交电力电子变压器控制框图4仿真验证为了验证电力电子变压器电路原理分析和所提出控制方案的正确性,本文用MATLAB 6.5的Simulink和SimPowerSystems,对基于交-交-交变换的电力电子变压器进行仿真。相关参数为:单相交流电源幅值为1000 V,频率为50Hz,电源的等效电感为0.8mH,等效电阻为0.01;变压器额定容量为25kVA,额定工作频率为1000Hz,等效电阻为0.02,变比为1000V/400V;变压器原、副边交-交变换电路的控制脉冲频率为1000Hz;负载为R、L串联负载,其电阻为1,电感为1mH;用型滤波器实现对输出电压高次谐波的滤波,滤波器电感L为1mH,电容C为1000F。图表 4变压器仿真波形此时的控制规律为:观测器的引入,不影响由状态反馈矩阵所配置的系统特征值也不影响已设计好的观测器的特征值。因此,对于包含观测器的状态反馈系统,其设计可独立进行。但是状态观测器的极点进行配置时,应当考虑使其无阻尼自振角频率避开系统的无阻尼自振角频率以免引起共振。观测器无阻尼自振角频率应当远离系统无阻尼自振角频率,一般取5-8倍为宜,而阻尼系数可以取和原系统相同。所以选取:下图是在相同参数条件下,系统分别采用PID直接反馈控制和带状态观测器重构控制的效果比较图:图表 5两种控制方式下的气隙变化曲线由上图可以看出,系统在两种不同的控制方式下,控制效果略有差别,其静态误差都在误差限之内,但是,第二种控制方法解决了气隙速度信号估算的难题,对于实际的控制系统来说,避免了对气隙的变化量的测量,大大地提高了系统的控制效果。按照主电路拓扑结构和参数,在Simulink中建立了基于交-交-交变换的电力电子变压器的模型,仿真时间为0.1s。图4(a)为电源电压波形;图4(b)为负载电压波形;图4(c)为高频变压器原边电压波形（0.04s-0.08s）及其谐波分布。从仿真波形可以看出,50Hz的电源电压经过基于交-交-交变换电力电子变压器的原边变换器的高频调制,得到1000Hz的高频电压,再通过变压器副边变换器和输出滤波电路使变压器输出的高频电压解调,得到50Hz的工频交流电压。本文详细分析了交-交-交变换型