【正文】 ()diiq XIMNEV?n如果忽略電阻 R，則 qsiidIV?co ()無功電流 ()?sin/)s(/)( ??????isidsq IXXVI ()diiq?n邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16有功電流 XVIiiqd?sn?復(fù)數(shù)功率 的定義是：電壓矢量 與電流共軛矢量 的乘積。理想的三相橋式變換器交流側(cè)相電壓應(yīng)是： )sin(2)(????wtVtvia （）120?iib )()(?ttiic式中 是三相橋式交流輸入端相電壓有效值，δ 是 落后 的相位落后角，iV sI?sV?各矢量關(guān)系如 圖。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。 ~ 為 6 個(gè)()sbVtsct 1T有反并聯(lián)二極管的自關(guān)斷器件。同時(shí)，和晶閘管相控整流器一樣，其輸出直流電壓也可控。目前采用的常規(guī)整流環(huán)節(jié)多為二極管不控整流或者晶閘管相控整流電路，因而對(duì)電網(wǎng)注入了大量的諧波以及無功，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染” 。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)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：原方輸入電流的相位可調(diào)，可以運(yùn)行于單位功率因數(shù)，且電流波形諧波較小，對(duì)電網(wǎng)污染不大；整個(gè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)鐵芯變壓器的隔離原副方與電壓等級(jí)變換的功能，容量一定時(shí)體積比傳統(tǒng)變壓器減小；當(dāng)副方輸出逆變器采用 SPWM 脈寬波控制時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)調(diào)制比來穩(wěn)定副方輸出電壓。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)。(3)上述研究成果沒有較好地解決多重化中的模塊均壓問題,當(dāng)電網(wǎng)脈動(dòng)或負(fù)載切換時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。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。但是,每個(gè)獨(dú)立單元使用 20 只功率管,若采用多重化串聯(lián)技術(shù),則會(huì)造成電路成本升高,控制復(fù)雜,并且電路的故障點(diǎn)增多,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高。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。但該方案邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12可控性不高，電壓電流應(yīng)力大，副方電壓波形僅僅是對(duì)原方電壓波形的還原，電壓波形的還原還必須保證整流模塊和逆變模塊開關(guān)同步。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)。該拓?fù)涞奶攸c(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但存在的不足是每個(gè)開關(guān)都承受原邊電壓和輸出副邊電流，使得開關(guān)的驅(qū)動(dòng)、絕緣和控制都變得困難；同時(shí)，拓?fù)錄]有實(shí)現(xiàn)電氣隔離，電路不能抑制輸入的電流諧波和調(diào)整功率因數(shù)。最初的一臺(tái)高頻變壓器是由美國電力科學(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。 高頻變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11根據(jù)文獻(xiàn),國外對(duì)高頻變壓器電力電子變壓器的研究已有近 10 年歷史,國內(nèi)目前還處于起步階段。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)。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。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。這種方案由于采用了整體變換結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)比較簡明，功率器件相對(duì)較少。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 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)比較簡明，功率器件數(shù)相對(duì)較少。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?。? 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。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)。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德州 Aamp。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。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)。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。通過采用適當(dāng)?shù)目刂品桨竵砜刂齐娏﹄娮友b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。邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6邵陽學(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。 本文的主要工作本文的主要目的是在綜合了解國內(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。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。自上世紀(jì)末以來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，世界各國對(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。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、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。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。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。 ， 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。　 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。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。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。為邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4了減小器件開關(guān)過程中由于電流突變?cè)斐傻倪^電壓, 該方案采用了一種 4 級(jí)開關(guān)控制策略, 可使功率器件在無吸收電路的條件下安全換向。M 大學(xué)提出了一種基于直接 AC/AC 變換的 HFT 的結(jié)構(gòu)。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。其后，由美國電力科學(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。 當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1970 年，美國 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基于直接 AC/AC 變換的高頻變壓器發(fā)展的基本思路。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。(5) 當(dāng)前電網(wǎng)中如諧波、電壓跌落、閃變等電能質(zhì)量問題日趨嚴(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。(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。(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)。(6）含有智能控制原件,一方面可以實(shí)現(xiàn)裝置的自檢測、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。因此，對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制規(guī)律以及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用開展研究是很有必要的，具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。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。該類高頻變壓器是一種含有電力電子變換器且通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合的變電裝置，它通過電力電子變換技術(shù)和高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞。基于以上原因，國內(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。由此可見，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，受到擾動(dòng)影響較大時(shí)，傳統(tǒng)變壓器無法起到抑制擾動(dòng)，增大系統(tǒng)阻尼，提高電能質(zhì)量，滿足用戶的要求的作用。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。分布式電源容量小，分布廣，交直流電源兼有，且電源電壓或頻率具有較大的波動(dòng)性,如何有效可靠地將它們?nèi)谌腚娏ο到y(tǒng)也是今后需要解決的問題之一。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。如何在現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上盡量避免故障，保證供給用戶可靠和合乎標(biāo)準(zhǔn)的電能，確保用戶電氣設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已成為急需解決的課題。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。關(guān)鍵詞：高頻變壓器；拓?fù)?；建模仿真邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IIAbstractThe high 一 frequency Transformer is a convertible device which contains power Electronic converter and makes use of transformer realizing the magism coupling , it converts voltage and transfers energy by Power electronic technology and the high一 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 can be also achieved respectively, it can Satisfy many new request