【正文】 新的特點(diǎn),有助于解決電力系統(tǒng)中所面臨的許多新課題,主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:(1) HFT 作為一種高度可控的新型輸電設(shè)備,其原副方電壓的幅值和相位邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3均可控,且可關(guān)斷故障大電流,這一特點(diǎn)應(yīng)用到電力系統(tǒng)后,將有望大幅度提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(2) HFT 交直流環(huán)節(jié)兼有,所以可靈活地將各種分布式電源接入電力系統(tǒng)。(3) HFT 具有高度的可控性,廣泛應(yīng)用后,將能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流的實(shí)時(shí)靈活控制。(4) 與 HFT 相聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)異步化運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)短時(shí)異步化運(yùn)行而不會(huì)與系統(tǒng)解列,提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和供電可靠性。(5) 當(dāng)前電網(wǎng)中如諧波、電壓跌落、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題日趨嚴(yán)重,將HFT 用于配電系統(tǒng)后,將能夠起到電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的作用。（6）發(fā)展智能電網(wǎng)技術(shù),提高對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)控和調(diào)控能力,為大功率電力電子設(shè)備提供了廣泛的市場(chǎng)機(jī)遇。HFT 的作為智能設(shè)備,具有一定的思維判斷功能及執(zhí)行功能,能自動(dòng)適應(yīng)智能電網(wǎng)的控制需要。對(duì)分布式電源的智能管理,電能質(zhì)量的提高以及不斷完善目前的電網(wǎng)功能并逐步向智能電網(wǎng)趨近,有著非常重要的意義。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1970 年，美國(guó) GE 公司的 Murray 首先提出了一種具有高頻連接的 AC/AC 變換電路，這種高頻變換原理已成為后來(lái)基于直接 AC/AC 變換的高頻變壓器發(fā)展的基本思路。1980 年，美國(guó)海軍的一個(gè)研究項(xiàng)目提出了一種由 AC/AC 的降壓變換器構(gòu)成的固態(tài)變壓器(Solid State transformer)。其后，由美國(guó)電力科學(xué)研究院(EPRI)贊助的一個(gè)研究項(xiàng)目也研制出了另一種基于AC/AC 變換的固態(tài)變壓器。Koosuke Harada 等人在 1996 年又提出了一種智能變壓器( Intelligent transformer)，通過(guò)對(duì)高頻技術(shù)的使用，使得變壓器體積減小，并可實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流，功率因數(shù)校正等功能。其研究成果在200V，3kVA 的實(shí)驗(yàn)裝置上得到實(shí)現(xiàn)，開關(guān)頻率達(dá)到 15kHz，但其缺點(diǎn)在于效率較低，大約在 80%~90%左右。另外，美國(guó)德州 Aamp。M 大學(xué)提出了一種基于直接 AC/AC 變換的 HFT 的結(jié)構(gòu)。這種 HFT 的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是減小變壓器體積和重量并提高其整體效率, 其工作原理為: 工頻信號(hào)先被變換為中頻信號(hào)(600 Hz～ 112 kHz) 后通過(guò)中頻隔離變壓器耦合到其副邊, 中頻信號(hào)隨后又被同步還原為工頻信號(hào)。為邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4了減小器件開關(guān)過(guò)程中由于電流突變?cè)斐傻倪^(guò)電壓, 該方案采用了一種 4 級(jí)開關(guān)控制策略, 可使功率器件在無(wú)吸收電路的條件下安全換向。中頻隔離變壓器采用了常規(guī)的硅鋼鐵心變壓器。試驗(yàn)表明, 對(duì)于常規(guī)變壓器, 當(dāng)其工作頻率由60 Hz 提高到 110 kHz 后, 變壓器的輸送容量可提高 3 倍, 效率也有所提高。這種 HFT 的體積比同容量的常規(guī)變壓器小 1/3, 總體效率與常規(guī)變壓器相當(dāng), 其原理和控制較簡(jiǎn)單, 易于實(shí)現(xiàn)。但變壓器副邊波形基本是對(duì)原邊波形的還原, 可控性不高。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu), 降低成本, Man jrekar Kieferndorf R 等人在buckboost 變換器的基礎(chǔ)上提出一種直接 AC/AC 變換結(jié)構(gòu)的 HFT?！? 這種變壓器的工作過(guò)程為: 輸入三相電源的線電壓通過(guò)功率開關(guān) S1, S2和 S3 被調(diào)制成高頻交流加載至高頻變壓器的原邊。 在變壓器的副邊, 高頻交流信號(hào)經(jīng)功率器件 S1′, S2′和 S3′同步還原為工頻交流輸出。 ， 構(gòu)成了iLiCLC 濾波器以減小變換器對(duì)電源注入的諧波電流。此方案的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單, 功率器件數(shù)少, 成本低, 但由于工作過(guò)程中電流斷續(xù), 會(huì)造成器件兩端出現(xiàn)尖峰電壓, 且輸出電壓諧波較大。Ronan 和 Sudnoff 于 1999 年提出了一種由輸入級(jí)(高壓級(jí))、隔離級(jí)和輸出級(jí)(低壓級(jí))三級(jí)結(jié)構(gòu)組成的高頻變壓器。這是一種降壓變壓器方案，其特點(diǎn)在于輸入級(jí)采用多級(jí)功率模塊串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，高壓側(cè)輸入電壓被均分到每一模塊上，從而可減小高壓側(cè)單個(gè)功率模塊上所承受的電壓，各模塊內(nèi)部可不必串聯(lián)。輸入級(jí)各模塊為單位功率因數(shù)整流器，但是這些實(shí)現(xiàn)方案，由于受當(dāng)時(shí)大功率電力電子器件以及電力電子技術(shù)發(fā)展水平的限制，而且這方面理論本身不成熟，因而都未能進(jìn)入實(shí)用化。 高頻變壓器的應(yīng)用及其前景高頻變壓器能夠應(yīng)用于電力系統(tǒng)的多個(gè)領(lǐng)域。將 HFT 應(yīng)用于輸電系統(tǒng)中取代發(fā)電機(jī)——變壓器組中的傳統(tǒng)變壓器后，利用其原副方電壓的幅值和相位均控，可關(guān)斷故障大電流的特點(diǎn)能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；當(dāng)將其應(yīng)用于配電系統(tǒng)中時(shí)，HFT 既具有變壓器的一般的功能，如電能傳輸、隔離變換等，又具有抑制諧波向流動(dòng)、防止負(fù)載側(cè)出現(xiàn)故障影響電源電壓、消除電壓跌落與升高以及過(guò)電壓、欠壓等電源側(cè)電壓的干擾對(duì)負(fù)荷的影響，對(duì)各種電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、顯示、分析處理來(lái)判各種異常情況,以對(duì)其自身和系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)并給出報(bào)警信號(hào)和故障類型等特點(diǎn)，因而可以通過(guò) HFT 向那些對(duì)電能質(zhì)量敏感負(fù)荷供電，如造紙廠、邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5紡織廠、擠塑機(jī)、生精密機(jī)械的汽車零件制造、大型泵體鍛造企業(yè)以及半導(dǎo)體制造業(yè)、銀行、電信、軍事、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。此外，由于 HFT 還具體積小、重量輕、空載損耗小等優(yōu)點(diǎn)，它還可以應(yīng)用在對(duì)設(shè)備的體積、重量有特殊求的場(chǎng)合，如航海、航空、航天等領(lǐng)域。自上世紀(jì)末以來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)電能的需求進(jìn)一步加強(qiáng)，對(duì)電網(wǎng)安全和線路承載能力的壓力也隨之加大，在這一背景之下，靈活交流輸電系統(tǒng)（Flexible AC Transmission System，F(xiàn)ACTS）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其主要內(nèi)涵為利用大功率電力電子元件替代傳統(tǒng)阻抗控制元件，功角控制元件和電壓控制元件上的機(jī)式控制開關(guān)，從而使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個(gè)重要參數(shù)電壓，阻抗及功率角以按照系統(tǒng)的需要迅速調(diào)整，在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使電網(wǎng)的功率輸送能力及潮流和電壓的可控性大為提高。該理論的一些重要應(yīng)用如可控串補(bǔ)，綜合潮控制器等器件在電力系統(tǒng)中正發(fā)揮著重要的作用。因此，有理由相信高頻變壓器將成為 FACTS 設(shè)備家族中的新成員，其理論研究成果也將會(huì) FACTS 理論的豐富和發(fā)展做出貢獻(xiàn)。 本文的主要工作本文的主要目的是在綜合了解國(guó)內(nèi)外高頻變壓器研究的基礎(chǔ)上，利用仿真的方式對(duì)高頻變壓器進(jìn)行研究并給出相關(guān)結(jié)論，對(duì)高頻變壓器進(jìn)行初步的研究和分析。本文的主要內(nèi)容為：（1）深入了解高頻變壓器的相關(guān)概念及結(jié)構(gòu),對(duì)國(guó)內(nèi)外高頻變壓器技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行全面的總結(jié),并分析和討論了高頻變壓器研究中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；提出高頻變壓器的工作原理與實(shí)現(xiàn)方案；（2）介紹了整流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)原理及其控制方法；（3）建立了高頻變壓器仿真模型；（4）應(yīng)用 Matlab 仿真軟件，搭建高頻變壓器及其控制系統(tǒng)模型，驗(yàn)證控制策略的正確性和有效性。邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）72 高頻變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理 高頻變壓器的工作原理高頻變壓器（HFT）利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作，是一種可以通過(guò)電力電子變換實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞的新型變壓器，基本原理框圖如圖 所示。其基本原理為在原方將工頻信號(hào)通過(guò)電力電子電路轉(zhuǎn)化為高頻信號(hào)，即升頻，然后通過(guò)中間高頻隔離變壓器耦合到副方，再還原成工頻信號(hào)，即降頻。通過(guò)采用適當(dāng)?shù)目刂品桨竵?lái)控制電力電子裝置的工作，從而將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能。由于中間隔離變壓器的體積取決于鐵芯材質(zhì)的飽和磁通密度以及鐵芯和繞組的最大允許溫升，而飽和磁通密度與工作頻率成反比，這樣提高其工作頻率就可提高鐵芯的利用率，從而減小變壓器的體積并提高其整體效率。圖 高頻變壓器基本原理框圖根據(jù)在電力電子變換過(guò)程中是否存在直流環(huán)節(jié)，變壓器的具體實(shí)現(xiàn)方案可分為兩種形式：一種是在變換過(guò)程中不含直流環(huán)節(jié)，即直接 AC/AC 變換；另一種是在變換過(guò)程中存在直流環(huán)節(jié)，即 AC/DC/AC 變換。 應(yīng)用 AC/AC 變換的高頻變壓器直接 AC/AC 型 HFT 的工作原理為：輸入的工頻交流電在一次側(cè)直接被變換為高頻交流電，經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)后，被直接還原為工頻交流電。如圖 所示為直接 AC/AC 變換的 HFT 原理框圖，這種方案具有變換環(huán)節(jié)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以較大幅度的減小變壓器的體積和重量，但是其可控性不強(qiáng)。該結(jié)構(gòu)為 1970 年美國(guó) GE 公司的 首先提出，其變換電路圖如圖 2. 3，工作原理為：原方開關(guān) 和 以高頻交替導(dǎo)通，且通斷1S2邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8時(shí)間相同，這樣低頻交流或直流輸入信號(hào)就被調(diào)制成高頻信號(hào)后再經(jīng)過(guò)高頻變壓器耦合到副方，副方開關(guān) 和 的開通和關(guān)斷與 和 同步，僅在相位上相3S41S2差角度 θ，通過(guò)控制相移角 θ 即可控制變換器輸出電壓的幅值。當(dāng)開關(guān)為理想開關(guān)且相移角 θ= 時(shí)，副方電壓波形即是對(duì)原方波形的還原。當(dāng)相角 θ≠ 時(shí)，0? 0?需在變壓器副方裝設(shè)輸出濾波器才能得到正弦波電壓。低頻交流高頻交流高頻變壓器高頻交流低頻交流交流輸入交流輸出圖 直接 AC/AC 變換的 HFT 原理框圖負(fù)載S 4S 3S 1S 2U圖 具有高頻連接的變換電路美國(guó)德州 Aamp。M 大學(xué)的 Moonshik Kang 和 Enjeti 提出了一種基于直接AC/AC 變的高頻電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)，其一相電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。這種高頻電力電子變壓器的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是減小變壓器的體積和重量并提高其整體效率，其工作原理為：工頻信號(hào)首先被變換為高頻信號(hào)（600Hz 到）后通過(guò)隔離變壓器耦合到其副方，高頻信號(hào)隨后又被同步還原為工頻信號(hào)。由于在其他條件不變的情況下，變壓器的體積同通過(guò)其的電流頻率成反比關(guān)系，因此當(dāng)其工作頻率由 60Hz 提高到 后，變壓器的輸送容量可提高 3 倍，效率也有所提高。同 所提出的高頻變換相似，這也是一種相控變換器，當(dāng)調(diào)整相移角 θ 時(shí)也可以有限度的改變輸出電壓基波的幅邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9值，但當(dāng) θ≠ 時(shí)，也需額外加裝輸出濾波器。但這種方案使用的器件數(shù)較多，0?相應(yīng)成本高，器件的電壓、電流應(yīng)力較大，同時(shí)可控性不高，變壓器副方波形基本是對(duì)原方波形的還原，難以對(duì)電能質(zhì)量的改善作出貢獻(xiàn)，并且原方功率因數(shù)不可調(diào)。負(fù)載U iABAS 1S 3S 1 `S 3 `S 4 S 2S 4 `S 2 `ABBAB圖 直接 AC/AC 變換的 HFT 結(jié)構(gòu)圖 應(yīng)用 AC/DC/AC 變換的高頻變壓器中間變換含有直流環(huán)節(jié)的 HFT 的工作原理為：工頻交流輸入經(jīng)整流器變換為直流，再通過(guò)逆變電路被調(diào)制成為高頻方波后加載至高頻變壓器一次側(cè)繞組，并被耦合到高頻變壓器的二次側(cè)繞組，隨后，高頻方波被整流成直流電壓，再逆變?yōu)樗璧慕涣鬏敵?。HFT 的另外一類實(shí)現(xiàn)方式可以概括為在變換過(guò)程中含有直流環(huán)節(jié)，通常是在高頻變壓器原副方均采用 AC/DC/AC 變換，其典型的實(shí)現(xiàn)方案框圖如 圖所示, 其工作過(guò)程為：工頻交流輸入經(jīng)三相全控整流器變換為直流，再通過(guò)一個(gè)單相全橋逆變電路被調(diào)制成為高頻方波后加載至高頻變壓器；在變壓器副方，高頻方波還原為直流電壓后再逆變?yōu)樗璧慕涣鬏敵?。圖 含直流環(huán)節(jié)的 HFT 框圖該方案由于采用了整體變換結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)明，功率器件數(shù)相對(duì)較少。但同時(shí)要求高壓側(cè)功率器件有較高的電壓等級(jí)并且需多級(jí)串聯(lián)，使相應(yīng)的交流輸入 低 頻交 流 直 流 直 流 高 頻交 流 高 頻交 流 直 流 直 流 低 頻交 流高 頻 變 壓 器 二 次 側(cè) 電 力 電 子 變 換 器一 次 側(cè) 電 力 電 子 變 換 器 交流輸出邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10成本提高，設(shè)計(jì)難度加大。不過(guò)，隨著單個(gè)器件耐壓水平的提高，這種結(jié)構(gòu)在將來(lái)還是有應(yīng)用前景的。如圖 所示為一種帶直流環(huán)節(jié)的 HFT 的實(shí)現(xiàn)方案，這是一種雙直流結(jié)構(gòu)。這種方案由于采用了整體變換結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)明，功率器件相對(duì)較少。但這種結(jié)構(gòu)只適應(yīng)于低壓應(yīng)用場(chǎng)合，如果要用于較高電壓等級(jí)場(chǎng)合，則要求電力電子器件有較高的耐壓水平，并且需要多只串聯(lián)使用，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度加大。圖 基于 AC/DC/AC 變換器的 HFT 結(jié)構(gòu)圖1999 年 Ronan 和 Sudnoff 提出的一種降壓變壓器方案如圖 所示是三級(jí)結(jié)構(gòu)組成的 HFT。圖 三級(jí)結(jié)構(gòu)的 HFT 結(jié)構(gòu)圖它是一種模塊化的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括：輸入級(jí)，隔離級(jí)和輸出級(jí)。輸入部分由若干模塊串聯(lián)而成，這樣均分到每一模塊上電壓比較低，采用低壓器件即可滿足要求。輸入級(jí)各模塊為單位功率因數(shù)整流器。交流電壓通過(guò)輸入級(jí)變換為直流，隔離級(jí)將直流變換為高頻方波經(jīng)高頻變壓器后又還原為直流，隔離級(jí)的輸入直流信號(hào)并聯(lián)后接入輸出級(jí)，輸出級(jí)將直流逆變?yōu)楣ゎl信號(hào)。本方案是一種比較經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可行性較高的方案。 高頻變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11根據(jù)文獻(xiàn),國(guó)外對(duì)高頻變壓器電力電子變壓器的研究已有近 10 年歷史,國(guó)內(nèi)目前還處于起步階段。高頻變壓器按其基本原理