杜新亞2023-畢業(yè)設(shè)計(論文)中期報告

河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：電力電子變壓器的設(shè)計與分析專業(yè)：電氣工程與自動化專業(yè)學(xué)生信息：學(xué)號087056、姓名杜新亞、班級C087指導(dǎo)教師信息：教師號96023姓名曹淑瑛職稱副教授報告提交日期：2023-5-13中期報告內(nèi)容要求：（①畢業(yè)設(shè)計中期報告要求提交階段設(shè)計成果或?qū)嶒灲Y(jié)果；②畢業(yè)論文中期報告要求提交實地（現(xiàn)場）調(diào)查研究報告。）篇幅要求：根據(jù)專業(yè)要求由系主任規(guī)定，但不可低于2000字編輯和打印格式：WORD文本，正文頁眉“河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告”，正文五號宋體。A4紙單面打印。電力電子變壓器的設(shè)計與分析1電力電子變壓器概述電子電力變壓器（簡稱EPT）是采用電力電子變換技術(shù)實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞的一種新型變壓器。闡述了EPT的基本理論并對一種新的EPT實現(xiàn)方案進行了穩(wěn)態(tài)特性仿真，以及4種情況下的動態(tài)特性仿真，結(jié)果表明可以保證原副方良好的電壓、電流波形，具備良好的控制特性，并且具有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的功能，可以作為一種新型的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置。電力電子變壓器主要由初、次級功率變換器以及聯(lián)系二者之間的高頻變壓器組成。從電力電子變壓器的輸入輸出特性看,相當于交/交變換。其基本工作原理為輸入的工頻電壓經(jīng)過原邊變換器調(diào)制為高頻交流電壓,通過高頻變壓器耦合至副邊,再通過副邊的功率變換器將其轉(zhuǎn)換為所要求的電壓。可以通過增加變壓器的工作頻率來減小其體積。利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和適當?shù)目刂品桨?將工頻交流電調(diào)制為高頻交流電,然后經(jīng)過高頻變壓器進行隔離和電壓變換,再把高頻交流電變?yōu)楣ゎl交流電,從而實現(xiàn)變壓器的小型化和輕型化。電力電子變壓器的幾種電路類型：1.斬控式電力電子變壓器美國電科院于1995年制出第一臺電力電子變壓器實驗樣機,其主電路拓撲如下圖1,該電力電子變壓器采用Buck型主電路結(jié)構(gòu)。該電路結(jié)構(gòu)簡單,容易實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。但這種電路也有很多缺點:電路包含串聯(lián)器件,難以控制;沒有實現(xiàn)變頻;沒有電氣隔離;不能抑制輸入的電流諧波和調(diào)整功率因數(shù)。因此,Buck型電力電子變壓器不能真正用于輸配電系統(tǒng)。圖1Buck結(jié)構(gòu)2.交-交-交變換電力電子變壓器1999年美國德州大學(xué)M.Kang等人提出交—交—交電力電子變壓器,如圖2-2所示。該電路由初級、次級兩個功率變換電路和高頻變壓器構(gòu)成,在兩級功率變換電路中,每個橋臂由上、下兩個背對背的功率器件連接,這種連接方式可以實現(xiàn)電能雙向流動。這種電路的優(yōu)點有:變壓器的傳送容量及效率較Buck型電路有所提高;變壓器的體積和重量明顯減小;其原理也較簡單。但該電路包含的器件較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且控制時還必須保證原、副邊同步。圖2交—交—交結(jié)構(gòu)3.反激式電力電子變壓器圖2-3為采用反激型變換器的電力電子變壓器。該結(jié)構(gòu)避免過多的中間階段,使結(jié)構(gòu)簡化,從圖中也可看出,整個裝置的開關(guān)器件只有6個,大大少于前面兩種結(jié)構(gòu)。這種電路的顯著優(yōu)點是:它所需要的開關(guān)器件較少；電源側(cè)的電感和電容組成LC濾波電路,可以在一定程度上解決電能質(zhì)量問題。但是,由于反激式變換電路主開關(guān)電壓應(yīng)力較大,難以應(yīng)用于輸入電壓較高的場合;另外,反激變換電路的變壓器要加氣隙,所以漏感較大,會在變壓器上產(chǎn)生很高的尖峰電壓,從而進一步增加變壓器上的電壓應(yīng)力,并使電磁干擾較為嚴重。圖3反激式結(jié)構(gòu)圖2為單相交-交-交變換型電力電子變壓器主電路的拓撲結(jié)構(gòu),它由原、副邊交-交變換器,以及聯(lián)系兩者之間的高頻變壓器和輸出濾波器組成。每邊的功率變換器由8個,各有兩個IGBT和二極管相對連接的雙向開關(guān)組成,可以使電流雙向流動。交-交-交變換結(jié)構(gòu)電力電子變壓器的工作過程為:首先,輸人的工頻交流電壓經(jīng)過原邊變換器調(diào)制為高頻，，,,,,,,運行在開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)的,其中，，,同時導(dǎo)通和關(guān)斷,,,,,同時導(dǎo)通和關(guān)斷,兩組之間的控制信號是占空比為50%的互補導(dǎo)通的高頻脈沖信號;其次,高頻變壓器原邊高頻調(diào)制電壓耦合至副邊;然后,經(jīng)過與原邊結(jié)構(gòu)完全相同的副邊功率變換器反調(diào)制,輸出高頻電壓,再經(jīng)輸出濾波器濾波將其轉(zhuǎn)換為所要求的電壓。電力電子變壓器是輸配電系統(tǒng)最基本的組成設(shè)備,其突出特點在于通過電壓源變換器對其交流側(cè)電壓幅值和相位的實時控制,可實現(xiàn)變壓器原副方電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)。與常規(guī)的鐵心式變壓器相比,PET的優(yōu)點為：①體積小,重量輕,無環(huán)境污染；②運行時可保持副方輸出電壓幅值恒定,不隨負載變化,且平滑可調(diào)；③可保證原方電壓電流和副方電壓為正弦波形,且原、副方功率因數(shù)可調(diào)；④變壓器原副方電壓、電流和功率均高度可控；⑤兼有斷路器的功能,大功率電力電子器件可瞬時(級)關(guān)斷故障大電流,也無需常規(guī)的變壓器繼電保護裝置。2變壓器的工作原理及特性通過調(diào)節(jié)變壓器原、副邊交-交變換其相應(yīng)觸發(fā)脈沖的相位,可以控制輸出交流電壓的幅值。在高頻環(huán)境下,變壓器電壓低次諧波分量的頻率較高,經(jīng)過較小的濾波器就可以得到良好的輸出波形?；诮?交-交變換的電力電子變壓器移相工作模式分析如下：圖2為基于交-交-交變換電力電子變壓器在一個電源電壓周期內(nèi)的工作模式,其中,變壓器的副邊變換器的觸發(fā)脈沖滯后原邊相應(yīng)脈沖時間為,一共有八種工作模式。當>0時,電力電子變壓器有四種工作模式:模式1(0-):，，,導(dǎo)通,,,,關(guān)斷；，，,關(guān)斷,,,,導(dǎo)通。模式2(）:，，,導(dǎo)通,,,,關(guān)斷；，，,導(dǎo)通,,,,關(guān)斷。模式3(）:，，,關(guān)斷,,,,導(dǎo)通；，，,導(dǎo)通,,,,關(guān)斷。模式4(）:，，,關(guān)斷,,,,導(dǎo)通；，，,關(guān)斷,,,,導(dǎo)通。當時,電力電子變壓器也有四種工作模式:模式5（）:，，,導(dǎo)通,,,,關(guān)斷；，，,關(guān)斷,,,,導(dǎo)通。模式6（）:，，,導(dǎo)通,,,,關(guān)斷；，，,導(dǎo)通,,,,關(guān)斷。模式7（）:，，,關(guān)斷,,,,導(dǎo)通；，，,導(dǎo)通,,,,關(guān)斷。模式8（）:，，,關(guān)斷，,,,導(dǎo)通；，，,關(guān)斷，,,,導(dǎo)通。輸入電壓和輸入電流可表示如下:其中:為輸入電壓幅值,為輸入電壓的頻率,為輸入基波電流的幅值，為電源功率因數(shù)角。由上式可知:的低次諧波分量為450Hz和550Hz。如果取變壓器工作頻率為1000Hz,低次諧波分量為900Hz和1100Hz。圖表SEQ圖表\*ARABIC1電力電子變壓器原邊與副邊波形圖表SEQ圖表\*ARABIC2半個開關(guān)周期輸入、輸出電壓近似波形在變換器的開關(guān)頻率足夠高,且遠大于輸出濾波器的截止頻率時,可以認為在一個開關(guān)周期中,變壓器的原、副邊電壓的幅值不變。在半個開關(guān)周期中,輸入電壓和輸出電壓的波形可以近似為圖2所示。令電力電子變壓器的輸出電壓為,變比為N,在半個周期中,包圍的面積為；包圍的面積為。忽略交-交變換電路和變壓器的內(nèi)阻,根據(jù)面積等效原理,輸入電壓和輸出電壓在半個周期中包圍的面積相等。由上述兩式可得:其中、、都是恒值。3電力電子變壓器的模型控制結(jié)合上述對電力電子變壓器的輸入、輸出特性分析,本文采用基于有效值檢測的控制來實現(xiàn)輸出電壓幅值恒定,控制框圖如圖3。該電路控制策略的特點是:采用電壓單閉環(huán)控制方案,輸出電壓經(jīng)電壓互感器PT降壓后進入有效值計算電路,其輸出與電壓給定值Vref相比較產(chǎn)生誤差信號經(jīng)PI電壓調(diào)節(jié)器,輸出信號送至相移計算電路,即計算式中的變壓器副邊變換器的脈沖延遲時間Td,最后經(jīng)過驅(qū)動電路加到變壓器原、副邊的交-交變換電路。圖表SEQ圖表\*ARABIC3基本交—交—交電力電子變壓器控制框圖4仿真驗證為了驗證電力電子變壓器電路原理分析和所提出控制方案的正確性,本文用MATLAB6.5的Simulink和SimPowerSystems,對基于交-交-交變換的電力電子變壓器進行仿真。相關(guān)參數(shù)為:單相交流電源幅值為1000×V,頻率為50Hz,電源的等效電感為0.8mH,等效電阻為0.01Ω;變壓器額定容量為25kVA,額定工作頻率為1000Hz,等效電阻為0.02Ω,變比為1000V/400V;變壓器原、副邊交-交變換電路的控制脈沖頻率為1000Hz;負載為R、L串聯(lián)負載,其電阻為1Ω,電感為1mH;用Г型濾波器實現(xiàn)對輸出電壓高次諧波的濾波,濾波器電感L為1mH,電容C為1000μF。圖表SEQ圖表\*ARABIC4變壓器仿真波形此時的控制規(guī)律為:觀測器的引入,不影響由狀態(tài)反饋矩陣所配置的系統(tǒng)特征值也不影響已設(shè)計好的觀測器的特征值。因此,對于包含觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng),其設(shè)計可獨立進行。但是狀態(tài)觀測器的極點進行配置時,應(yīng)當考慮使其無阻尼自振角頻率避開系統(tǒng)的無阻尼自振角頻率以免引起共振。觀測器無阻尼自振角頻率應(yīng)當遠離系統(tǒng)無阻尼自振角頻率,一般取5-8倍為宜,而阻尼系數(shù)可以取和原系統(tǒng)相同。所以選取:下圖是在相同參數(shù)條件下,系統(tǒng)分別采用PID直接反饋控制和帶狀態(tài)觀測器重構(gòu)控制的效果比較圖:圖表SEQ圖表\*ARABIC5兩種控制方式下的氣隙變化曲線由上圖可以看出,系統(tǒng)在兩種不同的控制方式下,控制效果略有差別,其靜態(tài)誤差都在誤差限之內(nèi),但是,第二種控制方法解決了氣隙速度信號估算的難題,對于實際的控制系統(tǒng)來說,避免了對氣隙的變化量的測量,大大地提高了系統(tǒng)的控制效果。按照主電路拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù),在Simulink中建立了基于交-交-交變換的電力電子變壓器的模型,仿真時間為0.1s。圖4(a)為電源電壓波形;圖4(b)為負載電壓波形;圖4(c)為高頻變壓器原邊電壓波形（0.04s-0.08s）及其諧波分布。從仿真波形可以看出,50Hz的電源電壓經(jīng)過基于交-交-交變換電力電子變壓器的原邊變換器的高頻調(diào)制,得到1000Hz的高頻電壓,再通過變壓器副邊變換器和輸出濾波電路使變壓器輸出的高頻電壓解調(diào),得到50Hz的工頻交流電壓。本文詳細分析了交-