高频变压器的建模与仿真论文定稿

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日邵阳学院毕业设计（论文）I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出的特点在于体积小、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/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；建模仿真邵阳学院毕业设计（论文）IIAbstractThehigh一frequencyTransformerisaconvertibledevicewhichcontainspowerElectronicconverterandmakesuseoftransformerrealizingthemagnetismcoupling,itconvertsvoltageandtransfersenergybyPowerelectronictechnologyandthehigh一frequencytransformerItsProminentcharacteristicissmallerAndlighterthanthetraditionaltransformer,aflexiblecontrolforthemainandSubsidiarysidevoltageamplitudeandPhasecanbealsoachievedrespectively,itcanSatisfymanynewrequestsoffuturePowersystem.Therefore,itisnecessarythatStudyitstopologystructureandthecontrolschemes.Firstly,sometypicalschemesofthehigh一frequencyTransformerareGeneralizedinthispaper,andthetopologystructureandcontrolstrategyofhigh一frequencyTransformerSubassemblyareanalyzedindetail.SPWMstrategyhasbeenPutinthemainsideofhigh一frequencyTransformer,underthegridwithnon-idealbroughtOutthefeedforwardandfeedbackcompensationcontrol,andcarriedoutMatlab/Simulinkemulation.Keywords：High一FrequencyTransformer(HFT)；Topology；Modelingandsimulation目录摘要···············································································ⅠAbstract···········································································Ⅱ1绪论··············································································11.1课题研究的背景和意义·····················································11.2当前国内外研究现状························································31.3高频变压器的应用及其前景···············································41.4本文的主要工作·····························································52高频变压器的拓扑结构及工作原理·······································62.1高频变压器的工作原理····················································62.2高频变压器的拓扑结构····················································93高频变压器的电路结构及控制方式·····································123.1高频变压器的基本结构··················································123.2输入级电路及控制方式··················································123.3隔离级电路及控制方式··················································183.4输出级电路及控制方式··················································214建模仿真及结果分析·······················································284.1MATLAP/Simulink简介··················································284.2建模仿真及分析···························································29总结···············································································33参考文献·········································································34致谢···············································································37邵阳学院毕业设计（论文）11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出。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出了新的挑战，用户对电能质量以及供电可靠性提出了更高的要求。如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。此外，传统铁芯变压器过载时易导致输出电压下降、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；当系统瓦解或者过载时需要配套的相关设备对其进行保护。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。邵阳学院毕业设计（论文）2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电力系统中的电压变换和能量传递。其突出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出电压幅值恒定，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,其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。邵阳学院毕业设计（论文）3(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节器的作用。（6）发展智能电网