电力电子技术在变压器中的应用

科技创新与应用Ｉ　２０１３年第３２期　科技创新　电力电子技术在变压器中的应用　黄仲安　（广西电力职业技术学院电力系，广西南宁５３０００７）　摘要：近几十年来，随着科学技术的不断进步，电力电子技术已快速成为一门的完善的学科。它作为集电路技术、功率半导　体器件、现代控制技术、计算机技术于一身的技术平台，已慢慢渗入国民经济发展的各个领域。本文就主要探讨电子电力技术在　变压器中的应用，从实例中反映电子电力技术广泛的应用前景。　关键词：电力电子技术；变压器；应用　新世纪电力电子技术不断提升，尤其是微电子技术的革新，使　得电力电子技术的世界日新月异，带动许多关键技术引领尖端科学　技术的潮流。电力电子技术发展迅猛，应用能力广泛，与其他学科的　用。其优势为传送容量增加，体积相对小，缺点为相关器件繁复，结　构复杂。　２．３反激式电力电子变压器　交叉应用性强，是Ｅｔ前颇具焦点性的一个专业领域。　通过半导体器件、计算机科技、电路科技、控制智能科技等等平　台构成电力电子技术，通过将近五十年时间的发展，其已经不断融　人生活、工作的方方面面，在新世纪中伴随电力电子技术新的理论、　实践应用发展，成为了关键性的技术。目前，电力电子技术相关的研　究，在国际上仍处于较为初级的阶段，虽然为我们带来了巨大的便　利，但其仍有许许多多方面的理论和实际应用有待人们的开发与研　究，相信在不久的将来，电力电子技术将成为我们生活中不可或缺　的一部分。　本文基于电力电子技术在变压器中的应用，通过其相关的理论　与原理的阐述，设计电力电子变压器的仿真，致力于提升电力质量，　实现电力电子变压器的优越性。　１相关定义与原理　１．１电力电子变压器定义　电力电子变压器，又叫做固态、柔性变压器，通过对目前在用的　电力电子变压器进行结构研究，可以阐述为电力电子变压器是一种　将带有电力特性的能量向另一种带有电力特性的能量进行转变的　设备，而上述的两种能量具有不同的频率、相位等等特征。　１．２电力电子变压器原理　电力电子变压器通过两种不同的功率变换器实现变频，属于　交一交式的转化。它的工作原理主要是将一种电压，经过一定的转换　器，变换为另一种交流的电压，利用高频电压进行耦合，经变换器转　换为所需电压。其可以利用增强变压器的功率实现体积的缩小。运　用目前的电力电子技术以及合理的工作技术，实现高频交流电的”　制造”，再利用电压器进行电压的交互，实现工频交流电的”制造”，　减少、减轻变压器的体积，如此往返，即为电力电子变压器的工作原　理。　当前，因在用的基本所有电力系统相关器件，耐压性与输电系　统方面都比较薄弱，因此电力电子变压器需要在配电领域进行一定　的技术开发，相较于常规的电力变压器，配电系统的变压器其电源　两侧的绕组将固定为一次侧，与高频电压器的绕组将固定为二次　侧，它们之间由高频变压器作为载体进行联结，详见图１。　商频隔离　一敬侧　二次蜒　图１配电用电力电子变压器基本原理　２电力电子变压器电路类型分析　２．１斩控式电力电子变压器　１９９５年，美国电科院首先研制出了电力电子变压器的斩控式样　机，它选取了ＢＵＣＫ结构的电路，其简单实用，易于调节变压，但缺　点是控制性不强，并不含有变频的功能，还不能进行电气隔离，以及　无法对输入的电流与功率进行相关的抑制作用，所以，该斩控式电　力电子变压器无法在输配电工作中发挥交大的作用。　２．２交一交一交变换电力电子变压器　Ｍ・Ｋａｎｇ（美国德州大学）在１９９９年，研制出一种新型交一交一交　变换电力电子变压器，其由初、次两级功率进行交互变频变压器组　成，通过两种功率的转换，连接功率器件，实现双向流动电能的作　一２８一　反激式电力电子变压器结构简洁，装置器件较少，避免了较多　的中介环节，因此比前面两种变压器结构有更大的进步。其优势为　相关器件少，电感与电容组成电路，简化了电能质量不足的缺陷。但　其开关反应能力偏大，很难在高电压环境下使用，还容易因漏感产　生交稿的尖峰电压，对电压应力造成较大的压力，因此电磁相关的　干扰颇为明显。　３电力电子变技术在变压器中的仿真应用　３．１电力电子变压器在改善电能质量中的应用　电能质量在国际上的基本既定为：运用电力相关设施设备无法　进入工作，以及使得其出现问题的电流、电压或者频率等等误差，其　基本内容以电压波动与闪变、频率偏移及短时供电中断等等内容为　主，其次还有电压的偏差、电流波形的畸变以及三相电压不平衡等　等问题，本文主要以前面两种为主要仿真目标进行研究。说明其常　规变化与故障隔离等等作用，对电能质量进行一定的改善。　３．１．１电压波动与闪变　在电压波动与闪变的问题中，由于电力系统的母线出现非整数　倍的影响，假设ＰＥＴ一次侧的母线频率是１０Ｈｚ，幅值为１０％左右的　和谐波，使得母线电压有异常的波动，具体的仿真结果图如图２所　表示。　（１）ＰＥＴ输入相电压　（２）ＰＥＴ输出相电压　图２母线电压波动时的仿真结果　从图２可见，由于实验中有一定的间谐波影响，使得ＰＥＴ一次　侧的母线电压有较大明显的波幅，而另外的二次侧电压未受到一定　的影响，还是可以对负荷提供有效的供电，对母线电压闪变有交大　的影响。　３．１．２电压跌落及供电中断　本文所实验的仿真条件为０．２ｓ（１０周波）的持续时间，额定值为　４０％的跌幅，时间为０．３ｓ～０．５ｓ左右的跌落时间，电网电压跌落供电　中断的特定问题。按照美国电力研究协会的报告指出，电压跌落幅　值一般小于４０％，具体的实验仿真图详见图３，在电网电压出现跌　落的间隙，ＰＥＴ的相关数值仍然保持较为未定的状态，也就是其输　出电压并未受到影响，保证一定的输出。　（１）ＰＥＴ输入相电压　（２）ＰＥＴ输出相电压　图３电网电压跌落时仿真结果　根据上述的仿真实验图可得，电力电子不进可以操作电压器的　转换与系统的隔离等等功能，还能对电能质量起到良好的控制作　用。如图３（１）中显示，电网电压即使出现一定的闪变、不对称或者跌　科技创新　２０１３年第３２期Ｉ科技创新与应用　基于经验模态分解的数字水印技术研究　王岩　于凤沛　金盲　许莹　（黑龙江工程学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨１５００５０）　摘要：数字水印为了实现有效的知识产权保护提供了一条心的思路和手段，成为信息安全领域的一个热点，具有广阔的应用前　景。针对于二维经验模态算法（ＢＥＭＤ）ｆｉ￣将图像分解为若干个固有模态函数（ＩＦＭ）和一个剩余量ｒｅｓｉｄｕｅ，提出了一种基于ＢＥＭＤ　的灰度图像水印嵌入和提取算法。通过将水印嵌入到一个分解分量中，再将分解图像求和得到嵌入了水印的图像，完成水印的嵌　入，并且做了相关的实验，证明算法对噪声攻击和剪切攻击也具有较好的鲁棒性，并能进行一定程度的篡改。　关键词：二位经验模态分解；水印；嵌入算法；鲁棒性　１概述　如果所得的Ｉ　不满足ＩＭＦ的条件，可以将Ｉ　作为原图像，重　针对信息安全问题，近几年科技工作者提出了数字水印技术。　复步骤（１）至步骤（３），直到ＳＤ＞（ｒ；ｔｒ是自己选定的阈值，一般取值　它将具有特定意义的水印信号，利用数字嵌入的方法隐藏在数字作　范围为０．１－０．３。用原图像减第一层固有模态函数得第一层剩余量　品的空域或频域中，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴　Ｉ　，对剩余量重复步骤（１）至（４），直到图像中的极值数目小于等于１。　定、起诉非法侵权的证据；同时通过对水印的检测和分析来保证数　将各分解结果相加可得到原始图像，表示为：　字信息的完整可靠性『１１。ＢＥＭＤ算法用于图像处理问题上，有着很好　的应用，本文的思想是将ＢＥＭＤ算法应用于图像水印中，完成了水　，＝∑（ＩＭＦ）　＋，，　（２）　印的嵌入和提取，并通过实验证明了其有良好的鲁棒性。　ｉ＝１　２　ＢＥＭＤ算法　３水印算法　随着科学技术发展，ＥＭＤ算法被越来越多使用，并且应用在很　３．１水印的嵌人　多领域，国外研究人员将ＥＭＤ方法推广为二维，提出了二维经验　二维经验模态分解可以将原图像分解成若干个ＩＦＭ和一个　模式分解算法的思想，开辟了新的应用领域。在处理二维图像问题　ｒｅｓｉｄｕｅ，将水印嵌入先到一个分解分量中，再将分解图像求和得到　上，该方法有着较好的效果，对ＩＭＦ的条件要求和一维的情况相　嵌入了水印的图像，完成水印的嵌入，并且做了相关的实验证明了　同，应用ＢＥＭＤ对数字图像的二维分解具体步骤如下１２１：　可行性。　（１）对给定图像Ｉ曲面求曲面极值点，包括所有局部极小值和　表１各ＩＭＦ分量与原图像的相关系数　极大值。　ＩＭＦｌ　ＩＭ　２　Ⅱ　Ｆ３　ＩＭＦ４　ＩＭＦ５　（２）对各极小值点和极大值点进行曲面拟合，插值处理后得到　ｑ　Ｏ．３７ｏ０　０．４０８７　０．３９９７　Ｏ．６６２５　０．５３３６　各自的包络面，极小值点曲面包络Ｅ　和极大值点曲面包络Ｅ一。　（３）将两类包络曲面数据求平均得到均值包络曲面，求得的均　在本文中将原始图像经过ＢＥＭＤ分解得到四个ＩＦＭ分量和一　值包络曲面为：Ｅ＝（Ｅ　＋Ｅ　／２，再将原始曲面减去均值包络曲面得　个剩余量，然后去除其中一幅分解得到的图像将剩下的图像合并得　到处理后的包络面，为：Ｉ　＝Ｉ—Ｅ。　到回复后的ｌｅｎａ图像，实验结果如图２所示。图中，图（ａ）为原始图　（４）计算获得的包络面终止条件ＳＤ；　像，（ｂ）～（ｅ）表示将原始图像经过ＢＥＭＤ方法分解后，去除里面的一　个分量后，再将其他的分量组合求和得到的图像，它们分别表示为　＝娄喜　㈩　缺少第１、２、３、４个ＩＭＦ后组合的图像，图（ｆ）表示缺少ｒｅｓｉｄｕｅ后组　成的图像；由实验结果可以看出，缺少ＩＭＦ１、ＩＭＦ２、ＩＭＦ３、ＩＭＦ４、　落，二次侧的输出电压仍然保持相对稳定的状态，进行可靠的供电　极同步电机等等。　功能。　作为一种新型的、智能型的变压器，电力电子变压器运用相关　３．２电力电子变压器进行微电网孤岛应用研究　器件以及高频交流变压器进行交互，充分展示了不同于传统型的电　从上述的研究可得，如电压短时供电不足，或者出现一定的跌　力变压器的工作效用和功能，最大限度的保持了下述三种优势：（１）　落，电力电子变压器的输出仍然处于稳定的状态，对于点电能的质　给予较为稳定、安全的二次侧输出电压，不受负荷的影响，输出电压　量也能给予满足。通过对电能质量的影响研究，发现频率偏差，将大　可控性强，稳定性强；（２）如一次侧电压有一定的故障、电压跌落、闪　幅度的影响电能的质量，尤其是电网中出现可再生能源的时候。　动、暂停等问题，也不会受太大的影响，恒定性强，保障性强；（３）不　近年来，我国对于可再生能源的重视可见一斑，不断的有新的　断吸收、发出武功，使得无功率处于电网中有较小的线损，降低成　可再生能源进入电网中，另外微电网、发电等科研技术广泛的得到　本。　发展，其在电网出现故障以及电能的质量无法达到用电需求的期　时代不断进步，社会不断发展，不同的、新型的变压器层出不　间，能够运用孤岛方案，持续不间断的功能，对供电的安全性和可靠　穷，要使得电能质量有一定的保障、电的负荷得到保障，尤其的配电　性提供了很大的保证，基本微电网结构图见图４。　系统的质量保障，是目前变压器相关研究中最为重要的问题。电力　电子变压器在上述问题中均能得到较好的体现，解决了许多以前存　在的问题，通过无功补偿、ＡＰＦ等等功能进行电能质量的调节。相信　不久的将来，电力电子变压器将更加良好的运用于配电系统中，这　将在很大程度上帮助调节电能质量，降低相关费用，取得良好的收　益。　风力　参考文献　发电　『１］王忠勇．电力电子变压器多指标非线性控制研究［Ｊ］．武汉理工大学　学报ｆ交通科学与工程版），２０１１，３５（５）：１０７２—１０７６．　图４微电网的基本结构　『２１曹解围，毛承雄，陆继明，范澍．电力电子变压器在改善电力系统动　由于微电网的容量不大，功率波动性大，使得其频率的控制偏　态特性中的应用ｆＪ１．电力自动化设备，２００５，２５（４）：６５—６８．　繁复，尤其是主网和微电网分开以后，其功率的波动性就很大，稳定　『３１顾和荣，杨子龙，邬伟扬．并网逆变器输出电流滞环跟踪控制技术　性不强，对于频率要求高、敏感性强的功能负荷带来比较严重的影　研究『Ｊ１．中国电机工程学报，２００６，２６（９）：１０８一ｌ１２．　响。　ｆ４１　Ｒｏｂｅｒｔ　Ｈ．Ｂｉｓｈｏｐ著，乔瑞萍，林欣等译．Ｌａｂ　ＶＩＥｗ　７实用教程　通过对可再生能源的研究，主要的一种能源即为风能，通过风　『Ｍ１．北京：电子工业出版社。２００５．　能发电，在可再生能源的比例占据越来越高的比重。其中，风力发电　作者简介：黄仲安（１９８２．０５），男，广西南宁人，广西电力职业技　机有风能和风机相关理论、异步发电机的参数以及电路设计等等问　术学院，本科。研究方向：电气自动化技术。　题，风力发电主要包含了双馈感应发电机、普通异步发电机以及多　一２９—