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1、湖南大学毕业设计（论文）HUNAN UNIVERSITY毕 业 论 文论文题目 电力电子变压器在舰船供电 系统中的应用研究 学生姓名学生学号专业班级电气工程及其自动化1102班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015 年5月 25日 摘要近年来，电力电子技术取得了飞速发展，广泛地应用于电力系统领域。电力电子变压器(PET)是一种采用电力电子变换器和高频开关变压器的电能传输装置，基于电力电子变换技术和高频电磁感应原理，将一种电力特征的能量转变成另一种电力特征能量的静止电力设备。传统的变压器存在体积大、变压油污染环境、过负荷时输出电压下降、无法有效隔离故障、易产生谐波危害等方面的不足，因
2、此无法满足日益提高的电力系统需求。PET除了能实现传统变压器的功能外，还具有优化分布式电源配置，提高电力系统的稳定性、输电方式的灵活性，改善供电质量等功能。本文首先分析了电力电子变压器的基本原理以及几种典型的物理拓扑实现方案，建立了电力电子变压器的等效数学模型。由于舰船电力系统的特殊性和对供电可靠性、安全性等方面的要求，进而探讨了新型的电力电子变压器在舰船供电系统中的应用。具有结构简单、换流安全、单位输入功率因数、双向功率流动以及便于级联等特征，并给出了理论分析和MATLABSlMULlNK仿真分析。关键词：电力电子变压器，舰船供电系统，电能质量，高频信号AbstractThe power e
3、lectronics technology ,which has been applied in electric system fields, has developed rapidly in recent years. Power electronics transformer (PET) is a power transmission device using power electronics converter and high-frequency switch transformer. Based on power electronics transmission technolo
4、gy and high-frequency electromagnetic induction principle, PET is static electricity equipment which transfer one kind of energy of electric features to another. With the disadvantage of oversize volume, transformer oil pollution, the decrease of output voltage for overload, incapability in isolatin
5、g trouble and harmonic harm, traditional transformer can not meet the increasing requirement of electric system. Besides the function of traditional transformer, PET plays an important role in optimizing configuration of distributed power supply, raising the stability of power systems and flexibilit
6、y of power transmission mode, and improving power quality.This paper firstly analyzes the basic principle of PET and some typical physical topology schemes, and sets up an equivalent numerical simulation model. Due to the specificity of shipboard power systems and its requirements of power supply re
7、liability and safety, the application of novel PET in shipboard power systems is discussed. At last the paper makes a theoretical analysis and simulation analysis using MATLAB/Simulink.Key words: power electronics transformer; shipboard power system; power quality; high-frequency signal目录目录HUNAN UNI
8、VERSITY1摘要3Abstract4目录51 绪论61.1课题研究的背景及目的61.2电力电子变压器的研究状况71.2.1电力电子变压器的定义71.2.2电力电子变压器的发展概况71.3 舰船电力系统的研究状况91.3.1舰船综合电力系统的定义101.3.2舰船综合电力系统的发展概况101.4课题研究的主要内容112 电力电子变压器的基本原理及其典型拓扑结构132.1 电力电子变压器的优点：13PET的基本原理152.2 PET的几种拓扑172.2.1 AC/AC型PET172.2.2 AC/DC/AC型PET182.2.3 PET拓扑小结233电力电子变压器的建模243.1 单相交流供电
9、PET模型243.1.1 单相AC/DC/AC前级电路243.1.2 单相AC/DC/AC后级电路243.2 三相交流供电PET模型253.2.1 三相四线制供电电源253.2.2 三相AC/DC/AC前级电路263.2.3 三相AC/DC/AC后级电路264电力电子变压器的控制策略285电力电子变压器的仿真与分析32结论36致谢381 绪论1.1课题研究的背景及目的电力变压器自 19 世纪问世以来，已经有一百多年历史。它主要用于实现电压等级的变换和隔离，在输电系统和配电系统中应用广泛，是电力系统的基本组成设备，装配数量巨大。目前，电力变压器通常采用铁芯浸油的形式，这种电力变压器制作工艺简单、
10、可靠性，但也存在着以下缺点： （1）体积大，空载损耗高； （2）变压器绝缘油会对周围环境造成影响； （3）负载过大会导致输出电压下降，产生谐波； （4）不管是原方或副方发生故障，另一侧均会受影响；（5）当铁芯磁饱和时，会引起系统中电压电流波形畸变，产生谐波，将其应用到电网中会出现较大的励磁涌流；（6）需要装设继电保护装置，以确保变压器故障不会造成系统损坏。随着大功率电力电子器件的发展，一种通过电力电子变换来实现电压变换和能量传递的新型变压器电力电子变压器受到了人们的关注。电力电子变压器是一种含有电力电子变换器，并通过高频变压器来实现磁耦合的变电装置。其突出的特点在于，它能实现原、副方电压幅值和
11、相位的控制，满足未来电力系统的要求。包括：更高的稳定性，更灵活的输电方式，整合分布式电源，实现电力市场下对功率潮流的实时控制等。舰船综合电力系统(Integrated Power System，IPS)是指将舰船发电、用电、推进供电、高能武器发射供电、大功率探测供电等综合于一体的电力系统，它是由发电模块、供配电网络及保护模块、变配电模块、推进模块、储能及能量管理模块等组成。IPS能对整个舰船上的电能进行综合利用和实时分配，有效提高舰船的生命力；减少主要的机械振动噪声，有效缓解声隐身问题，从而增强舰船的隐蔽性；同时降低燃油装载量和补给需求，提高了舰船的续航能力；并为高能武器上舰提供平台，增强舰船
12、的战斗力。随着舰船电力系统规模的日益扩大和综合电力系统概念的提出，相对于传统舰船电力系统，电力系统配置、网络结构、运行模式和控制策略等方面都发生了较大改变，也对电能质量、可靠性和生命力提出了更高的要求。因此，运用电力电子技术，从原理和结构上对变压器进行创新，提高变压器的可控性，优化电能质量，提高供电可靠性，使其满足舰船电力系统的需要，是一个非常有价值的理论和实践课题。1.2电力电子变压器的研究状况1.2.1电力电子变压器的定义 电力电子变压器(PET)是一种基于电力电子变换技术和高频电磁感应原理，将一种电力特征的能量转变成另一种电力特征能量的静止电力设备。电力特征包括电压、频率、相位以及电流的
13、幅值等。PET的突出特点就是利用电力电子变换技术对其一次侧和二次侧的电压幅值和相位进行实时控制，达到对电力系统电压、电流及功率灵活调节的目的。因此，PET除了能实现传统变压器的功能外，还具有优化分布式电源配置，提高电力系统的稳定性、输电方式的灵活性，改善供电质量等功能。1.2.2电力电子变压器的发展概况电力电子变压器的概念在 20 世纪 70 年代就被提出来了。1970 年，美国 GE 公司的 W.McMurray 在他的一项专利中提出了一种包含高频变压器在内的电力电子拓扑电路。20 世纪 90 年代，美国人Moonshik Kang 和 Enjeti 提出了一种基于直接 AC/AC 变换的电
14、力电子变压器结构。此后， Ronan 和Sudnoff 提出了一种三级结构的电力电子变压器拓扑模型。这种结构的特点在于输入级可串联多级功率模块，使输入电压被均分到每个模块上，从而降低单个功率模块上的电压应力。进入 21 世纪，电力电子变压器受到了更为广泛的推崇和重视。2010 年，Sabahi 和 M.Hosseini 等人设计出了一种零电压开关双向电力电子变压器，这种变压器通过恰当的参数设计，能实现零电压开关的工作状态，从而提高系统效率。此后他们又提出了灵活电力电子变压器(FPET)的概念，这种拓扑采用的是模块化结构，在低压侧设置储能电容。对于这些设计方案，由于受到大功率器件和电力电子技术的
15、限制等，都未能进入大规模实用阶段。 我国在电力电子变压器方面的研究起步较晚，起点较低。目前，国内参与其研究的单位也很少，主要是华中科技大学、东南大学等高校，研究的内容主要是理论方面，包括各个类型的拓扑结构和控制策略等。 在过去50年的时间里，si功率器件中，IGBT和MOSFET的发展尤为瞩目。在si功率器件中，IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。随着电压等级和输出容量的不断增大，IGBT在变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域得到了广泛的应用。随着IGBT技术的不断发展，其结构设计和工艺技术也发生了较大的变化，得到了不断改进和创新。在超大规模集成电路和功率器件技术的基础上，出现了分层辐照、薄片加工等特殊的加工技术，产品的技术性能也得到了很大提高。先后相继开发出平面穿通型IGBT(PTIGB
