【正文】 活控制，可以滿足未來電力系統(tǒng)的很多新的要求。對新型高頻變壓器的原邊實施了 SPWM 調(diào)制策略，并對這種方案進行了 Matlab/sirnulink 仿真研究，并對仿真結(jié)果進行了分析，驗證了方案的正確性。與之相對的是，隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展，信息社會對供電質(zhì)量提出了新的挑戰(zhàn)，用戶對電能質(zhì)量以及供電可靠性提出了更高的要求。太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及小水電等分布式發(fā)電系統(tǒng)在整個能源結(jié)構(gòu)中的比重逐步上升，并有望將成為今后的主要能源來源。此外，傳統(tǒng)鐵芯變壓器過載時易導(dǎo)致輸出電壓下降、產(chǎn)生諧波；變壓器兩側(cè)發(fā)生故障時，故障電流、電壓容易通過電磁藕荷傳播，從而導(dǎo)致故障擴大；帶非線性負載時，畸變電流通過變壓器藕合進入電網(wǎng)，造成對電網(wǎng)的污染；電源側(cè)電壓受到干擾時，又會傳遞到負載側(cè)，導(dǎo)致對敏感負荷的影響；使用絕緣油造成環(huán)境污染；當系統(tǒng)瓦解或者過載時需要配套的相關(guān)設(shè)備對其進行保護。而隨著大功率電力電子元器件及其控制技術(shù)的發(fā)展，一種通過電力電子變換實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞的新型高頻變壓器得到了越來越多的關(guān)注。由于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，有理由相信這種新型變壓器能在不久的將來進入實際電力系統(tǒng)，逐步替代目前使用常規(guī)鐵芯式變壓器。將高頻變壓器應(yīng)用到電力系統(tǒng)后,將會給電力系統(tǒng)帶來很多新的特點,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學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3均可控,且可關(guān)斷故障大電流,這一特點應(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。當系統(tǒng)發(fā)生故障時,發(fā)電機可實現(xiàn)短時異步化運行而不會與系統(tǒng)解列,提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和供電可靠性。對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。Koosuke Harada 等人在 1996 年又提出了一種智能變壓器( Intelligent transformer)，通過對高頻技術(shù)的使用，使得變壓器體積減小，并可實現(xiàn)恒壓、恒流，功率因數(shù)校正等功能。這種 HFT 的首要設(shè)計目標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: 工頻信號先被變換為中頻信號(600 Hz～ 112 kHz) 后通過中頻隔離變壓器耦合到其副邊, 中頻信號隨后又被同步還原為工頻信號。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, 其原理和控制較簡單, 易于實現(xiàn)。 在變壓器的副邊, 高頻交流信號經(jīng)功率器件 S1′, S2′和 S3′同步還原為工頻交流輸出。這是一種降壓變壓器方案，其特點在于輸入級采用多級功率模塊串聯(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)單個功率模塊上所承受的電壓，各模塊內(nèi)部可不必串聯(lián)。此外，由于 HFT 還具體積小、重量輕、空載損耗小等優(yōu)點，它還可以應(yīng)用在對設(shè)備的體積、重量有特殊求的場合，如航海、航空、航天等領(lǐng)域。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 FACTS 理論的豐富和發(fā)展做出貢獻。其基本原理為在原方將工頻信號通過電力電子電路轉(zhuǎn)化為高頻信號，即升頻，然后通過中間高頻隔離變壓器耦合到副方，再還原成工頻信號，即降頻。 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。當相角 θ≠ 時，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。由于在其他條件不變的情況下，變壓器的體積同通過其的電流頻率成反比關(guān)系，因此當其工作頻率由 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。HFT 的另外一類實現(xiàn)方式可以概括為在變換過程中含有直流環(huán)節(jié)，通常是在高頻變壓器原副方均采用 AC/DC/AC 變換，其典型的實現(xiàn)方案框圖如 圖所示, 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?。如圖 所示為一種帶直流環(huán)節(jié)的 HFT 的實現(xiàn)方案，這是一種雙直流結(jié)構(gòu)。圖 三級結(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，隔離級和輸出級。本方案是一種比較經(jīng)濟、實用、可行性較高的方案。V mS 1S 2L 1C 0R圖 buck 型交流變換器型高頻變壓器 該拓撲采用不隔離 buck 型變換器，圖 中的開關(guān)為交替導(dǎo)通的雙向流動開關(guān)。該類變換器的優(yōu)點是：能實現(xiàn)電壓的基本變換，結(jié)構(gòu)簡單，體積和重量均大幅下降。該策略通過適當?shù)目刂撇粌H可以實現(xiàn)輸入端的功率因數(shù)校正,還可以抑制諧波的雙向流動。(2)由于開關(guān)損耗過大,開關(guān)頻率受到限制。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）133 高頻變壓器的電路結(jié)構(gòu)及控制方式 高頻變壓器的基本結(jié)構(gòu)綜上文所述本文介紹輸入極，隔離極與輸出極連接起來如圖 所示，即為本文中制作的高頻變壓器的總體電路結(jié)構(gòu)。 輸入級電路及控制方式高頻變壓器的整流電路為將系統(tǒng)交流電轉(zhuǎn)換為直流，以便下一環(huán)節(jié)的高頻C1C2L1 L2L3R2R1UiIi邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）14調(diào)制。 PWM 整流器的結(jié)構(gòu)在圖 所示三相橋式 PWM 整流電路中，交流電源三相電壓 、()saVt、 經(jīng)電壓 L 和線路電阻 R 接到三相全控橋式變換器。 是 滯后 的功率因sI sI?sV?數(shù)角。圖 中，Ss? sI??I （）qdsjI????dqIj??????因此再利用（）式得到有功功率 P 和無功功率 Q： （）sdssiqsiP=3VIco=3V/Xn/?? （）q coQin?定義 是交流電源流入雙向變換器的電流， 是 滯后 的功率因數(shù)角，sI? sI?sV?圖中矢量關(guān)系為 滯后于 的角度為 角，即 為正值，因而滯后的無功電流s?s? ?為正值，滯后的無功功率 Q 為正值，表示電源輸出落后于電壓 的inqsI?? s?電流 電源向變換器輸出滯后的無功功率，若 超前 一個角度（ 在橫軸上? sI?s? sI?方） ，則 為負值，那時 為負值，Q 為負值，表示電源輸入超前于電壓 的qI sV?電流，電源向變換器輸出超前的無功功率，或交流電源從變換器處得到（輸入）滯后的無功率。因此，兩個交流電源如圖 中的和 ,它們之間的有功電流 、有功功率 P 總是從相位超前的電源流向相位sV?i dI滯后的電源。oV綜上所述，只要能對圖 中的 AC/DC 變換器進行實時、適當?shù)目刂?，能使變換器交流端的三相電壓為互差 的正弦波，控制三相變換器交流側(cè)電120?壓 的大小和相位，那么圖 所示的變換器就是一個理想的 AC—DC 雙向i?功率變換器。由于 的濾波作用， 脈動SLSi很小，可以忽略，所以當正弦信號波的頻率和電源頻率相同時， 也為與電源Si頻率相同的正弦波。圖 單相全橋電路負載LsRsV1VD13ABV2 V4VD2D4VD3邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）18整流運行狀態(tài)：當 0 時，由 、 、 、 和 、 、 、su2V4D1SL3V1D4分別組成了兩個升壓斬波電路。 三相 PWM 整流電路是最基本的 PWM 整流電路之一，電路圖如圖 所示。間接電流 控制也稱為相位和幅值控制，按整流運行的相量關(guān)系來控制整*du流橋交流輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為 1 的控制效果。指令信號和實際交流電流信號比較后，通過滯環(huán)對器件進行控制，便可使實際交流輸入電流跟蹤指令值。 中間變壓器中間變壓器由高頻變壓器充當，高頻隔離變壓器不僅要完成高、低壓的隔離，還要實現(xiàn)降壓變換。因此，變壓器的體積與mBf、J、成反比: （）ceA?mSBfJ??因此當電流密度和磁通密度一定的時候，提高工作頻率可以大大減小高頻變壓器的體積和重量，從而減小了高頻變壓器的體積和重量。在這里，我們選用的工作頻率為 1kHz 左右。非晶材料主要有鐵基非晶合金、鐵鎳基非晶合、鐵基納米合金( 超微晶合金) 等，其特點有：高強韌性，優(yōu)良的磁性及靈活的處理藝。另外，非晶合金具有優(yōu)良的耐磨性，再加上它們的磁性，可以制造各種磁頭。相對于超薄硅鋼片而言，非晶材料價格較貴，硬度較高、加工較困難，但其磁性較強(飽和磁感應(yīng)強度可達 )、軟磁性能優(yōu)于硅鋼片，較為適合邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21替代硅鋼片，作為用于中高頻變壓器的鐵芯。因此，全橋變換器的輸出也為 1000Hz的高頻方波。如果不考慮高頻變壓器的過渡過程，中間隔離級可以看作一個比例放大器： 12dcdcuk?（）式中：k 為高頻變壓器變比。同理，b 和 c 點也是根據(jù)4T 2/DoVv??上下管導(dǎo)通情況決定其電位的。在圖 中 120 度寬的方波幅值為 ，若令 的時間坐標零點取為 NDVabv點，縱坐標為 Ny，則 120 度寬方波電壓瞬時值的傅立葉分析結(jié)果為： ?????? ???? .13sinsi17sin5si1in32)( tttttVtvDab ????（）線電壓基波幅值 ??（）無三次諧波，僅有更高階奇次諧波，n 次諧波的幅值為基波幅值的 1/n。 原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 將圖 、 b、c 、d 所示的脈沖作為輸入，加在圖 所示的 RL 電路上，設(shè)其電流 i(t)為電路的輸出，圖 給出了不同窄脈沖時 i(t)的響應(yīng)波形。 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形。由于計算法比較繁瑣，當需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。高頻變壓器 PWM 逆變電路可分為電壓型和電流型兩種，目前實際應(yīng)用的邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）26PWM 逆變電路幾乎都是電壓型電路，因此我在本文應(yīng)用的是電壓型單相橋式PWM 逆變電路、三相橋式 PWM 逆變電路。 關(guān)斷時，負載電流1V40udU4通過 和 續(xù)流， =0。在 的負半周，310 0u讓 保持通態(tài)， 保持斷態(tài)， 和 交替通斷，負載電壓 可以得到 和2 3V4 dU零兩種電平。在 的正負半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。 圖 三相橋式 PWM 型逆變電路V1VD1 V5VD5V2VD2V4VD4調(diào) 制電 路 D3V6VD6CCUd/2Ud/2 3UVWNurVrWuc邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）28圖 三相橋式 PWM 逆變電路波形 三相橋式 PWM 逆變電路（調(diào)制法） ，采用雙極性控制方式。 和 的驅(qū)動信號始終是互補的。 NUu?V?NW? d輸出線電壓 PWM 波由177。1 和 3 或臂 4 和 6 導(dǎo)通時， =0。39。為了防止上下兩個臂直通而造成短路，切換時要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。 當前流行的 MATLAB 和三十幾種工具包(Toolbox )。 MATLAB 和 Mathematica、Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C， FORTRAN，C++ ，JAVA 的支持。在其下提供了豐富的仿真模塊。 Simulink 為用戶提供了一個圖形化的用戶界面（GUI） 。包含主回路和控制回路的高頻變壓器仿真模型如圖 所示。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）32邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）33圖 高頻變壓器仿真模型圖邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）34仿真的基本參數(shù)設(shè)置為：原邊整流電路：三相對稱電源電壓值em=1414v；電網(wǎng)頻率 fo=50Hz； L=lmH、C=2020uF；輸出電壓給定為1414V。輸出線電壓給定為 220v。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）35 圖 副方 A 相電壓、電流輸出波形圖如圖 為副邊 A 相電壓電流輸出波形圖，從圖上可以表明通過高頻變壓器完成從 1KV 到 220V 的降壓，中間電流頻率從工頻提高到 1KHz 利用高頻變壓器高頻傳送再降到工頻輸出。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）36總 結(jié)高頻變壓器是一種新型的變壓器，與常規(guī)變壓器相比有許多新的特點。(2) 對高頻變壓器的兩種具體實現(xiàn)方案及拓撲結(jié)構(gòu)進行了詳細的分析，闡明了這兩種實現(xiàn)方案的電路結(jié)構(gòu)，三種經(jīng)典的拓撲電路。(4) 本文對三級電路拓撲結(jié)構(gòu)的高頻變壓器進行了仿真研究。另外，在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。由于我的學(xué)術(shù)、技術(shù)水平有限，所做研究論文難免有不足之處，懇請各位老師和學(xué)友批評指正 致謝人： 2020 年 5 月 15 日