电子电力变压器建模与仿真平台搭建电气工程专业.docx

第53页 目录 目录 Ⅰ 摘要 II ABSTRACT II 1 绪论 2 1.1 研究背景与意义 2 1.2 EPT的研究现状 2 1.3 EPT的应用前景 2 1.4 本文的主要工作 2 2 EPT的基本原理及结构 2 2.1 EPT的基本原理 2 2.2 EPT的拓扑结构 2 2.2.1 直接AC/AC型EPT 2 2.2.2 AC/DC/AC型EPT 2 2.3 本章小结 2 3 EPT建模与控制 2 3.1 EPT的输入级 2 3.1.1 VSR的拓扑结构 2 3.1.2 VSR的数学模型 2 3.1.3 VSR的控制策略 2 3.2 EPT的隔离级 2 3.2.1 级联型DAB的结构 2 3.2.2 级联型DAB的数学模型 2 3.2.3 级联型DAB的控制策略 2 3.3 EPT的输出级 2 3.2.1 VSI的结构 2 3.2.2 VSI的数学模型 2 3.2.3 VSI的控制策略 2 3.4 本章小结 2 4 EPT的仿真 2 4.1 输入级仿真 2 4.2 隔离级仿真 2 4.3 输出级仿真 2 4.4 EPT整体仿真 2 4.4.1 EPT开关频率的选择 2 4.4.2 EPT对电能质量仿真 2 4.5 本章小结 2 5 总结与展望 2 参考文献 2 致谢 2 附录 51 电子电力变压器建模与仿真平台搭建 摘要 电子电力变压器（Electronic Power Transformer，EPT）它是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合，实现电力特征转变的全新变电装置。电子电力变压器在满足常规变压器变压、隔离、能量传递等功能的同时，还能进行潮流控制和电能质量的调节，能显著提高电力设备智能化水平，满足智能电网的发展需求。 本文首先介绍了电子电力变压器发展及研究现状，分析比较了几种典型的EPT的原理及拓扑结构。基于前人的研究基础，重点研究了一种包含直流环节的级联式三级结构，即拥有输入级、隔离级、输出级的电子电力变压器。输入级采用三相电压型PWM整流器，采用整流输出和无功功率双闭环控制，实现单位功率因素控制和输出电压的稳定可控；隔离级采用ISOP型级联DAB结构，实现了高压到低压的直流变换，并且利用闭环控制实现了低压输出稳定可控及各模块的均压、均功率问题；输出级采用三相电压型PWM逆变器，利用V/F控制实现了将直流电压转化为稳定可控的三相工频交流电压。 基于上述的控制策略，利用PSCAD/ETMDC搭建了EPT的仿真模型。首先分别验证了各级模块的控制策略的有效性，然后对EPT进行整体仿真，通过对电网各种电能质量问题的模拟，验证了EPT在电能质量改善方面的优越性能。 关键字：电子电力变压器，级联结构，控制策略，电能质量 The Modeling and Simulation Platform of EPT ABSTRACT Electronic Power Transformer(EPT) is a brand-new kind of transformer devices, which can achieve the change of power characteristics. It combines power electronics transformation technology and power conversion technology based on electromagnetic induction principle. EPT can not only achieve voltage converter, insulation, energy transmission which conventional transformer can do, but also achieve power flow control and regulate power quality. It can significantly improve the intelligent level of power equipment to meet the development needs of smart grid. This paper firstly introduces the development and research status of EPT, and makes comparisons about several typical principle and topologies. Based on previous research, we propose a cascaded ternary structure with dc link for EPT, which consists of input stage, insolation stage and output stage. The input stage adopts a three phases voltage sourced rectifier(VSR). It can achieve the unit power factor control and stable the rectified output voltage with the closed-loop controls of reactive power and rectified output voltage. The insolation stage adopts a cascaded ternary ISOP structure of DAB, which can achieve high voltage to low voltage DC conversion. And it can also achieve the control of output voltage and solve the average voltage and power problem of each module. The output stage adopts a three phases voltage sourced Inverter(VSI), which can convert DC voltage to stable and controllable three-phase power frequency AC voltage with the V/F control. Based on the above control strategy, the simulation model of EPT is put up using PSCAD/ETMDC. Firstly, we verify the effectiveness of the control strategy in each stage. And then we have an overall simulation of EPT. Through the simulation of various power quality problems, we verify the superior performance of EPT in improving power quality career. Key words: EPT, cascaded structure, control strategy, power quality 1 绪论 1.1 研究背景与意义 电力变压器作为电力系统中使用最广泛、也是最基本的输变电设备之一。自其被发明以来，经过一百多年的发展，它在导磁材料和铁芯结构上有了巨大的改进，传输效率及可靠性也有了巨大的提升，但是它的基本原理却一直没有发生变化。而与之相对的电力系统在这一百多年里却发生了巨大的变化：以化石能源为主体的传统电网面临着能源匮乏和环境污染的双重压力；分布式交直流能源的大量接入使系统结构变得更加复杂，控制也更加困难；大量涌入的非线性、冲击性负荷导致用户电能质量迅速恶化；大量的工业用户对电能质量提出了更高的要求。在这样的环境下，传统变压器显现出许多不足之处：隔离变压的单一功能；二次设备配置复杂其运行维护复杂；匝数固定，无法灵活调节变比；无法阻隔一次侧畸变电流对二次侧的影响[1]。 因此，如何从结构、功能、控制策略等方面对电力变压器进行革新，使电力变压器能满足现代乃至未来智能电网的发展要求，是广大科研工作者面临的一个新挑战[2]。随着大功率器件的发展及电力电子变换技术的逐渐成熟，学者们提出了一种新型的电力变压器——电子电力变压器(Electronic Power Transformer，EPT)，又被成为固态变压器（Solid State Transformer，SST），它是一种将电子电力变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合，实现电力特征转变的全新变电装置[3, 4]。它能有效解决传统变压器在新时期电网下的大量不足，为电力变压器的发展开辟了一条新的道路，对电网的智能化、数字化、网络化具有十分重要的意义。现将EPT与传统变压器的功能对比如表1.1所示。 表1.1 电子电力变压器与传统变压器功能对比 功能特点 常规变压器（CT） 电子电力变压器（EPT） 电气隔离 ● ● 电压调节 ◎ ● 新能源并网 ◎ ● 无功支撑 ○ ● 输出补偿 ○ ● 谐波抑制 ○ ● 能量存储 ○ ● 直流电源接口 ○ ● 电压平衡及闪变抵御 ○ ● 注: ●有 ○无 ◎部分 除了表1.1所述的优势之外，电子电力变压器还具有如下特性：利用电子电力器件实时的开断能够对原、副边电力特征的进行实时控制；还能对原边电能质量问题起到隔离抑制作用，减少对副边的影响，提高输出电能的品质；高频变压器的应用使EPT的体积和重量都大幅下降；减少了变压器油对环境造成的污染；通过功率开关可以实现断路器功能，无需配备复杂继电保护装置；功率因数可调，同时具有高度的可控性；还能通过智能单元的控制实现自检测、自恢复、自保护、自诊断等功能[5]，能显著提高电力设备智能化水平。 1.2 EPT的研究现状 国外研究学者在 20 世纪 70 年代首先开始了EPT的研究工作，但是早期EPT的研究工作受到电力电子器件和变换技术的发展限制，所提出的各种设计方案都未能进入实用阶段[6]。20世纪末期，随着电子电力器件的飞速发展及控制技术的日趋完善，EPT的研究工作也有了新的突破，研究学者们提出了很多新的方法、结构和控制策略，并制作出了适用于配电网等级的实验室样机。国外学者通过对EPT多年的研究，取得了许多具有代表性的成果，如表1.2所示。 表1.2 国外EPT的研究代表性成果 时间 学者 结构 优势 1970 W. McMurray 高频连接的AC/AC变换电路 早期电子电力变压器发展的基础模型[7] 1980 US Navy 基于AC/AC变换的EPT 由Buck变换器构成[8] 1988 Koosuke Harada 高频连接的AC/AC变换器 应用于不间断电源UPS系统中[9] 1995 EPRI 基于AC/AC变换的EPT 通过占空比调节电压，并制作了实验样机[9] 1999 Moonshik Kang 基于AC/AC变换的EPT结构 大幅度减少了变压器的重量和体积[10] 1999 Ronan、Sudnoff 三级模块化级联结构组成的EPT 使用了模块化的串并联技术，可行性极高[11] 国内对EPT的研究工作直到21世纪初期才逐渐开展起来，并且主要由华中科技