高频变压器的建模与仿真

1、高频变压器的建模与仿真毕业设计论文 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生的特点在于体积小、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

2、/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Abstract The high一 frequency Transformer is a convertible device whichcontains power Electronic converter and makes use oftransformer realizing

3、 the magnetism coupling , it converts voltage and transfers energy by Power electronic technology and the high - frequency transformer Its Prominent characteristic is smaller And lighter than the traditional transformer, a flexible control for the main and Subsidiary side voltage amplitude and Phase

4、 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 - frequency Transformer are Generalized in this paper, and the topology structu

5、re and control strategy of high frequency Transformer Subassembly are analyzed in detail.SPWM strategy has been Put in the main side of high - frequency Transformer, under the grid with non-ideal brought Out the feedforward and feedback compensation control, and carried out Matlab/Simulink emulation

6、. Key wordsHigh - Frequency Transformer HFT ; Topology ; Modeling and simulation 目 录? ?Abstract? n? ?1? 1.1 课题研究的背景和意义?7!?!?1 研究现状？?？?？3?' 高频变压器的应用及其前景?4?要?？ ?, 压器的拓扑结构及工作原理?6?理？?？?？?？?？?？?？'器的拓扑结构？?3?，高频变压器的电路结构及控制方式?构？?？?？?？?？?？?？， 路及控制方式？?.3?1电 路 及 控 制 方 式?3?1 及控制方式? 模 仿 真 及 结 果 分 析?1MATL

7、AP/Simulink简介?, 析？?统? ?3?7? 1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生O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由了新的挑战，用户对电能质量以及供电可靠性提由了更高的要求。如

8、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

9、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。止匕外，传统铁芯 变压器过载时易导致输由电压下降、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；当系时需要配套的相关设

10、备对其进行保护。统瓦解或者过载由此可见，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，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

11、电力系统中的电压变换和能量传递。其突生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

12、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由电压幅值恒定，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

13、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，具原副方电压的幅值和相位均可控，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

14、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年，美国 GE公司的W.Mc Murray首先提生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由了一种由AC/AC的降压变换器构成的固态变压器Sol

15、id 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由了另一种基于AC/AC变换的固态变压器。Koosuke Harada等人在1996年又提由了一种 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 8090 左右O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' , S和'S3'同步还原为工频交

16、流输由。,构成了 i L i C LC 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 由现尖 峰电压，且输由电压谐波较大。Ronan和Sudnoff于1999年提由了一种由输入级高压级、 隔离级和 输由级低压级三级结构组成的高频变压器。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

17、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，如电能传 输、隔离变换等，又具有抑制谐波向流动、防止负载侧由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 进行保护并给由报警信号和故障类型等特点

18、，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、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。止匕外，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

19、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 发展做由贡献。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由相关结论

20、，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；提由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。2高频变压器的拓扑结构及工作原理2.1高频变压器的工作原理 高频变压器（HFT）利用电磁感应原理进行工作， 是一种可以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变压器，基

21、本原理框图如图2.1所示。其基本原理为在原方将工频信号通过电力电子电路转化 为高频 信号，即升频，然后通过中间高频隔离变压器耦合 到副方，再还原成工频信号， 即降频。通过采用适当的控制方案来控制电力电子装置的工作， 从而将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、 电压、波形的电能。由于中间隔离 变压器的体积取决于铁芯材质的饱和磁 通密度以及铁芯和绕组的最大允许温升，而饱和磁通密度 与工作频率成反比，这样提高其工作频率就可提高铁芯的利 用率，从而减小变压器的体积并提高其整体效率。图2.1高频变压器基本原理框图根据在电力电子变换过程中是否存在直流环节，变压器的具体实现方案可分为两种形式一种是在

22、变换过程中不含直流环节，即直接AC/AC变换；另一种是在变换过程中存在直流环节，即AC/DC/AC变换。2.1.1应用 AC/AC 变换的高频变压器 直接 AC/AC 型 HFT的工作原理为输入的工频交流电在一次侧直接被变换为高频交流电，经高频变压器耦合到二次侧后，被直接还原 为工频交流电。如图2.2所示为直接 AC/AC变换的HFT原理框图，这 种方案具有变换 环节少，结构简单的特点，可以较大幅度 的减小变压器的体积和重量，但是其可控性不强。该结构为1970年美国GE公司的 W.McMurray首先提由， 其 变换电路图如图2. 3,工作原理为原方开关和以高频交替 导通，且通断1S 2 S时

23、间相同，这样低频交流或直流输入 信号就被调制成高频信号后再经过高频变压器耦合到副方，副方开关和的开通和关断与和同步，仅在相位上相 3 S4S 1 S 2 s差角度e,通过控制相移角 e即可控制变换器输由 电压的幅值。当开关为理想 开关且相移角e时，副方电压波形即是对 原方波形的还原。当相角e射，0 0需在变压器副方装设输由滤波器才能得到正弦波电压。低频交流高频交流高频变压器 高频交流低频 交流 交流输入 交流输由 图2.2直接 AC/AC 变换的 HFT原理框图 负载S4 S3 S1 S2 U图2.3具有高频连接 的变换电路 美国德州A输由线电压给 定为220v。输由滤波器为型滤波器，滤波电感

24、为lmH,滤波电容为 10000uF,仿真时间 0.1s。仿真结果图如下 图4.2原方输入电压、电流波形图 从 图4.2可以看由，高频变压器原边电压电流波形稳定，通过 滤波稳压电 路电压电流波形接近正弦波。应用六脉冲发生器、PWM波形脉冲控制调节控制灵活，也比较简单，能准确的达到要求。图4.3副方A相电压、电流输曲波形图 如图4.3为副 边A相电压电流输曲波形图， 从图上可以表明通过高频变压 器完成从1KV到220V的降压，中间电流频率从工频提高到 1KHz利用高频 变压器高频传送再降到工频输由。电压、电流基本稳定且相位相同，传输稳定。仿真结果表明高频变压器能稳定的完成电流变化及传 送，且在控

25、制方式上有很大选择和发展，电能传输效率得到极大提高，损耗得到减少。从各优化方面来说，高频变压器相对传统变压器的发展 会更迅速、更有前景。总 结 高频变压器是一种新型的变压器，与常规变压器 相比有许多新的特点。首 先在结构上是利用电力电子器件来完成的，其次在特 性上，除了实现电力系统电压的变换和能量的传递，它还具备电力电子装置的特性。因此，对高频变压 器的研究不仅涉及到电力系统的安全 稳定运行问题和电能质量改善问题；而且包括对电力电子器件的应用等问题，所以高频变压器的研制对电力系统具有 较 重大的意义，本文尝试在以下几个方面开展一些研究工 作1介绍了高频变压器的基本原理，阐述了高频变压器的研究起

26、因，简述了 高频变压器的发展历史。同时提由本文研究方向含直流AC/DC/AC高频变 压器三级电路结构研究。2对高频变压器的两种具体实现方案及拓扑结构进行 了详细的分析，阐 明了这两种实现方案的电路结构，三种 经典的拓扑电路。由此论证了高频变压 器的可行性，并提由了高频变压器 的研究方向。3提由一种新的三级结构的高频变压器实现方案，这种 结构包括输入级、隔离级和输由级。对新的结构的特点进行了讨论，同时分别对输入级、中 间隔 离变压器和输由级的结构进行了简要的分析。4本文对三级电路拓扑结构的高频变压器进行了仿真 研究。仿真结果表 明，该拓扑结构的高频变压器可以保证原副 方良好的电压、电流波形，并具

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