【正文】 變壓器的模型結(jié)構(gòu)圖高頻變壓器采用雙直流結(jié)構(gòu)其工作過程為：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中間變壓器；耦合到變壓器二次側(cè)后，高頻方波被整流成直流電壓，再逆變?yōu)樗璧慕涣鬏敵觥?4)輸出的三相負(fù)載通常處于不平衡狀態(tài),這就要求輸出具有共地端,即要求三相四線輸出。從總體上看,上述高頻變壓器的研究成果完成了輸電網(wǎng)電壓變換和電能傳輸?shù)幕竟δ?能夠抑制負(fù)載端和電網(wǎng)的電流諧波,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸出端電壓的穩(wěn)定。最具代表性的高頻變壓器為交直交直 交型雙直流環(huán)拓?fù)?，結(jié)構(gòu)圖如圖 所示已介紹。 隨后，美國(guó)得州大學(xué) 等人于 1999 年提出了原方調(diào)制、副方解調(diào)、中間通過高頻變壓器隔離的交交交高頻變壓器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。高頻變壓器按其基本原理,可將其拓?fù)浞譃橐韵聨追N形式:交交交變換器,交直交變換器和交直交直交雙直流變換器。輸入級(jí)各模塊為單位功率因數(shù)整流器。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。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。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)。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。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，通過控制相移角 θ 即可控制變換器輸出電壓的幅值。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。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。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。 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。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。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。中頻隔離變壓器采用了常規(guī)的硅鋼鐵心變壓器。另外，美國(guó)德州 Aamp。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)。（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。(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。與常規(guī)的鐵芯式變壓器相比，高頻變壓器具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 體積小，重量輕，無環(huán)境污染；(2) 運(yùn)行時(shí)可保持副方輸出電壓幅值恒定，不隨負(fù)載變化；(3) 始終保證原、副方電壓電流為正弦波形，并且原、副方功率因數(shù)任意可調(diào)；(4) 具有高度可控性，變壓器原副方電壓、電流的幅值和相位均可控；(5) 兼有斷路器的功能，大功率電力電子器件可以瞬時(shí)(微秒級(jí))關(guān)斷故障大電流，也無需常規(guī)變壓器的復(fù)雜繼電保護(hù)裝置。其突出特點(diǎn)在于它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器原副方電壓幅值和相位的靈活控制，可以滿足未來電力系統(tǒng)的很多新的要求，包括：更高的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更加靈活的輸電方式，整合各種交直流分布式電源，以及實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)下對(duì)功率潮流的實(shí)時(shí)控制。另外，由于無法控制流經(jīng)常規(guī)變壓器邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2電能的電流、電壓與頻率，傳統(tǒng)變壓器無法靈活地將各種分布式電源接入電力系統(tǒng)。電力變壓器自 19 世紀(jì)被發(fā)明以來，已經(jīng)成為輸配電系統(tǒng)的基本組成設(shè)備，數(shù)量巨大。另外，當(dāng)今世界對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展問題也日趨關(guān)注。同時(shí)，我國(guó)處于全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的初期，聯(lián)網(wǎng)要經(jīng)過一個(gè)由弱到強(qiáng)的過程，交流弱聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題十分突出。本文首先介紹了高頻變壓器的幾種典型實(shí)現(xiàn)方案，即AC/AC、AC/DC/AC 兩種拓?fù)湫问健?畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )課 題 名 稱 高 頻 變 壓 器 的 建 模 與 仿 真 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 系 、 專 業(yè) 電 氣 工 程 系 、 0 級(jí) 電 氣 工 程 及 其 自 動(dòng) 化 指 導(dǎo) 教 師 職 稱 講 師 2020 年 5 月 15 日邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I摘要高頻變壓器是一種含有電力電子變換器且通過變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合的變換裝置，它通過電力電子變換技術(shù)和變壓器實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞。其中重點(diǎn)介紹了 AC/DC/AC 拓?fù)湫问?，并?duì)其各組成部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的分析。由于部分電網(wǎng) 500 千伏網(wǎng)架薄弱，為保證電網(wǎng)可靠性，被迫采用 500 千伏與 220 千伏電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，電磁環(huán)網(wǎng)問題影響了輸電能力的充分發(fā)揮，使輸電斷面的穩(wěn)定水平降低。傳統(tǒng)的煤炭、石油等礦物能源儲(chǔ)量有限，在若干年后都將開采殆盡，積極利用新能源和可再生能源發(fā)電已成為社會(huì)發(fā)展的必然要求。目前，傳統(tǒng)的電力變壓器通常采用鐵芯油浸式，具有制作工藝簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)也十分明顯，包括：體積、重量大，空載損耗較高，變壓器油對(duì)環(huán)境存在威脅，其主要作用是變壓和隔離，功能比較單一，鐵芯飽和時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諧波，在投入電網(wǎng)時(shí)還會(huì)造成較大的勵(lì)磁涌流?；谝陨显?，國(guó)內(nèi)外研究人員近年來都在積極探索研究新型的電力變壓器。因此，作為輸配電系統(tǒng)最基本的組成設(shè)備，這種新型變壓器具備解決電力系統(tǒng)中面臨的許多新課題的潛力，有廣闊的應(yīng)用前景。(6）含有智能控制原件,一方面可以實(shí)現(xiàn)裝置的自檢測(cè)、自診斷、自保護(hù)、自修復(fù)等功能,另一方面可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信,對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化具有積極意義。(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。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。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。M 大學(xué)提出了一種基于直接 AC/AC 變換的 HFT 的結(jié)構(gòu)。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。　 這種變壓器的工作過程為: 輸入三相電源的線電壓通過功率開關(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。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。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 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。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。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。圖 高頻變壓器基本原理框圖根據(jù)在電力電子變換過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；另一種是在變換過程中存在直流環(huán)節(jié)，即 AC/DC/AC 變換。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。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)。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?。不過，隨著單個(gè)器件耐壓水平的提高，這種結(jié)構(gòu)在將來還是有應(yīng)用前景的。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。交流電壓通過輸入級(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)。最初的一臺(tái)高頻變壓器是由美國(guó)電力科學(xué)研究院于 1995 年完成的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),其拓?fù)淙鐖D 所示。負(fù)載U iABAS 1S 3S 1 `S 3 `S 4 S 2S 4 `S 2 `ABBAB圖 交交交變換型高頻變壓器圖 中開關(guān)均為雙向開關(guān)管，以保證能量的雙向流動(dòng)。工頻交流電通過三相 boost 變換器整流得到直流電,并經(jīng)過 DC/DC 變換后通過三相逆變得到三相交流電。但是,目前的高頻變壓器仍存在以下不足:(1)對(duì)于大功率三相整流裝置,通常采用全解耦三相功率因數(shù)校正電路抑制電流諧波,其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略過于復(fù)雜。通常采用 2 個(gè)電容串聯(lián)取其連接點(diǎn)作為三相輸出的共地端,但存在直流利用率過低的缺點(diǎn)。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用整體變換結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)明，功率器件相對(duì)較少；可以實(shí)現(xiàn)輸入端功率因數(shù)校正，同時(shí)可以抑制諧波的雙向流動(dòng)。同時(shí)，和晶閘管相控整流器一樣，其輸出直流電壓也可控。sV圖 三相橋式 PWM 整流電路則理想的交流——直流變換應(yīng)該是 )sin(2)(????wtItia 120?b邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15（） )120sin(2)( ??????wtItic式中 是交流電源流入雙向變換器的電流有效值。變換器交流輸入端電壓矢量 的 d 軸分量 和 q 軸為分量 為i? idiqV ()qsiid RIFKHOF????cos ()diiq XI