摘 要

随着社会的高速发展，对配电网输入电源质量要求越来越高的精密仪器大量涌现，对交流接入电源的稳压精度要求更加苛刻。然而，当前市电电压往往波动较大，远远无法满足高精度负载的电能质量要求。为了提高电能质量改善电源稳压精度，交流稳压电源应运而生，通过在市电和负载之间加入交流稳压电源，从而满足高精度负载对电压的稳压精度要求。

本文首先阐述各种三相交流稳压源的工作原理，通过分析比较各自优缺点，进而选择变压器补偿三相稳压源，并且运用可视化仿真软件MATLAB /Simulink仿真建模，实现对电网电压的仿真分析，并记录在不同电网波动值下经过补偿后电网的稳压范围，最终实现对于舰船综合电力系统的三相交流稳压电源AC-AC仿真建模。使得该装置的额定容量为50kW，输入交流线电压等于10kV，输出线电压400V。输入电压波动范围：85%-115%，输出电压波动范围：95%-105%,并将仿真和仿真结果整理在论文中表述。

关键词：补偿变压器；三相稳压电源；大功率电源；MATLAB /Simulink

Abstract

With the rapid development of the society, a large number of precision instruments have become more and more demanding on the quality of the input power supply of the network, and the voltage regulation accuracy of the AC power supply is more demanding. However, the current mains voltage tends to fluctuate greatly, far from meeting the power quality requirements of high-precision loads. In order to improve the power quality and improve the power supply voltage regulation accuracy, the AC stabilized power supply came into being. By adding an AC stabilized power supply between the mains and the load, the accuracy requirements of the high-precision load on the voltage are met.

The text first describes the working principle of various three-phase AC voltage regulators, analyzes and compares their advantages and disadvantages, and then selects the transformer to compensate the three-phase voltage regulator, and uses the simulation software MATLAB / Simulink simulation modeling to realize the simulation of the grid voltage. Analyze and record the voltage regulation range of the grid after compensation under different grid fluctuation values, and finally realize the simulation modeling of the three-phase AC regulated power supply AC-AC for the ship integrated power system. The rated power of the device is 50 kW, the input AC line voltage is equal to 10 kV, and the output line voltage is 400V. Input voltage fluctuation range: 85%-115%, output voltage fluctuation range: 95%-105%, and the simulation results are organized in the text.

Keywords: Compensation transformer; three-phase regulated power supply; high power supply; MATLAB / Simulink

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3论文章节安排 3

第2章 三相稳压源方案研究对比与选择 4

2.1开关型稳压源 4

2.2补偿型稳压源 6

2.3.1机械补偿型稳压源 6

2.3.2补偿变压器稳压源 6

2.3方案对比与选择 9

第3章 三相补偿稳压源主电路设计及参数计算 11

3.1三相补偿稳压源主电路设计 11

3.2三相补偿稳压源的参数计算 12

第4章 三相补偿稳压源仿真及比较 17

4.1 三相补偿稳压源仿真 17

4.2仿真结果及分析 19

第5章 总结与展望 23

5.1 总结 23

5.2 展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

随着高新技术的发展，电力系统中精密器件应用范围变得越来越广泛。其中大量的器件对供电侧电压稳压精度要求较高。然而目前市电在用电的高峰期和低谷期电网电压波动较大，用电设备经常工作在过压或者负压的工作状态，无法满足电网中精密器件对电源稳压精度的要求，欠电压容易导致器件无法正常工作，甚至整体无法运行，而过电压不仅使器件的有功损耗增大，甚至对器件造成伤害，造成严重的财产损失，增加安全隐患。因此可以在电网和负载之间引入高性能的交流稳压电源，在欠电压状态下正补偿电网电压，在过电压状态下负补偿电网电压，使得负载侧用电设备工作在额定电压下，保证设备在额定的稳压精度范围内运行，因此交流稳压电源得到了广泛的关注。结合中外的研究和当前电力系统的现状发现老式的交流稳压电源采用碳刷式的变压器补偿法，由于碳刷处易氧化的致命缺点，已经被逐渐被其他稳压电源取代，而新型的无触点式补偿变压器电源正是本文的关注点，通过对补偿变压器式补偿交流稳压电源的研究，实现设计一个在大功率电路的运行环境下对电网电压稳定、快速、易于实现微机控制的三相交流补偿稳压电源是本文的研究目的^[1]。

随着当今社会电力行业的不断发展，不少边远地区对电力系统需求量日益增长，过量的用电需求增长与老旧的电力系统形成了供需矛盾，大量的稳压电源涌入市场。主流的采用碳数式调整的机械补偿型稳压电源由于碳刷处易氧化的缺点逐渐被淘汰。国外的开关型双PWM稳压电源凭借输出谐波少，稳定性好，功率因数高等特点得到了各大院校学者的关注，但是补偿元器件体积较大，成本较高，难以在大功率电路中广泛应用。本文所研究的补偿变压器式的补偿稳压电源不仅补偿效果好，响应速度快，还易于通过软件控制方式实现分挡调节，降低了元件的体积，补偿电路也相对简单，适合替代机械补偿型稳压电源，成为新一代主流稳压电源，通过对补偿变压器式的补偿电源的设计，了解电力市场的行情，实现对本科所学知识的应用是本文的研究意义。

1.2国内外研究现状

近些年来随着电力行业的不断发展，工业上对于三相交流稳压源的需求越来越大，稳压精度要求越来越高。国内有关交流稳压电源的研究发展迅速。过去主要的研究内容是用继电器改变变压器抽头，通过移动碳刷触点的方式机械调整变压器变比的方法实现交流稳压。但是其响应速度较慢且碳刷处机械磨损较大，需要大量的人力物力维修保养，该方式已经被逐渐淘汰，取而代之的是无触点式变压器，其中以上海潘登新能源设计的1000kVA无触点稳压器较为突出^[2]。但这种可调式变压器的稳压电源无法避免的缺点就是可用寿命短，响应时间慢，无法引入微机控制。由此有学者提出变压器补偿式交流稳压电源，不需要改变变压器抽头，而通过微机控制开关触发和变压器自耦调压的方式实现对电压的补偿。这种方式优点电路结构简单，体型比较小，造价便宜节约成本^[3]。这种电源早期又被称作无触点式电源，虽然得到了广泛的关注，但是仍然存在三相负载不平衡时电压中性点偏移，补偿电压相位移动的缺点^[4]。有关论文通过软件延迟控制每一相电路解决补偿电压相位中性点偏移的问题，但是补偿变压器变比无法无级调压，单个变压器无法实现大范围补偿的缺点仍然存在。与此同时在国内另一派学者兴起了一种谐振技术及其改进的交流补偿电压源。该电源的类型是谐振型交流稳压电源，运用的原理是线性谐振技术，它是通过调整LC谐振参量使交流输出电压得到补偿，通过连续多次的调整获得优秀的稳压精度^[5,6]。其调压主电路不含任何电力半导体元器件，具有电路简单、电压稳定的特点，但是由于其中存在波形容易发生振荡，供电侧无功电流和谐波电流在系统空载时较大，导致空载时功率因数较低等缺点，使其无法进一步得到发展和应用，特别是在大容量电路条件下应用比较少^[7]。

通过阅读中外文献，发现在国外一种新型的开关型交流稳压电源应运而生，这种交流稳压源应用高频PWM脉冲触发技术，可以减少稳压电源的体积、节约铜铁线材，具有稳压精度高、谐波量少、稳压响应速度快等优点，在国外稳压源的应用中已经大规模普及^[8][9]。但是由于开关型交流稳压电源控制电路较为复杂，国内电力电子技术及其工艺技术发展较慢，目前还不可能提供专用的控制芯片，所以难于在国内大规模推广。但是其核心技术已经在各大高校的实验室中得到了广泛应用。国外交流稳压源应用范围较为广泛，新能源与稳压源相结合的系统已经成为国外主要舰船电网系统的主要供能方式，国外电力电子技术的成熟为三相稳压电源的普及提供了良好的环境，使得开关型交流稳压电源已经得到了推广。但是在国内大量的研究重点还是在补偿式交流稳压电源上，因为在大功率电路中补偿稳压电源的表现比开关型好，且成本比较低，易于推广，所以仍得到大量的关注，也是本文的研究方向。

1.3论文章节安排

本篇论文章节安排简述如下：

第一章绪论。首先阐述文章的论文研究背景，简述三相交流稳压电源的研究目的及意义，结合国内外研究现状，对多种交流稳压源进行理论分析，通过本章的阐述，可以基本了解本次研究内容的目的和意义，及研究背景。

第二章三相稳压源方案研究对比与选择。本章分别阐述了开关型稳压电源、机械补偿型稳压电源、补偿变压器型稳压电源等主流稳压电源的原理图和原理内容，并详细比较各自优缺点后，将结果以表格形式展示，并且选择最优的补偿变压器补偿法的三相交流稳压源。

第三章三相补偿稳压源主电路设计及参数计算。首先展示补偿式稳压电源的拓扑图，然后对补偿变压器补偿法的原理进行详细分析，并且完成对补偿电路的拓扑的设计，然后对变压器和开关电路的选型和参数计算。研究补偿变压器变比设置，计算变压器额定容量，并且详细分析单个补偿变压器和多个补偿变压器的补偿电压能力，并将补偿变压器工作情况以仿真图片形式展示，通过完整的设计和计算为下一章的仿真分析做铺垫。

第四章三相补偿稳压源仿真及比较。运用MATLAB /Simulink软件对所设计的三相稳压电源电路进行仿真分析，将仿真得到的波形与计算参数进行比较，详细分析最大正补偿、最大负补偿和补偿关断几种工作情况，并以图片和表格的形式展示在本篇论文中。

第五章总结与展望。最后对本次论文进行总结和展望，总结本篇论文设计的主要内容，论述为何补偿效果不足，将没有完全实现的多个变压器串联补偿和软件控制部分进行展望。

第2章 三相稳压源方案研究对比与选择

2.1开关型稳压源

开关型稳压源主电路的主体包括整流电路、逆变电路和补偿变压器。负载侧整流器将电网电压整流成直流电压输出给逆变器，逆变器通过脉宽调制输出电网所需的补偿电压^[10]。其中电网侧的整流器和补偿侧的逆变器都是采用高频PWM 脉冲触发的控制方式。开关型原理图如图2-1所示。

图2-1 开关型稳压源

在器件的选择方面PWM器件应选用IGBT模块，双PWM电路之间和补偿变压器的前端都装有LC无源滤波器，起到滤除谐波的作用。在双PWM电路之间还接有充电电容保证电压波动过大开关电路不会过压，并且在开关电路负补偿中起到能量存储的作用。而充电电容前添加可开关的电阻是为了保证稳压电容的充电电流不会过大而导致充电电容被击穿。

该方法实际原理是采用的双PWM控制电路实现了对电网的交流电隔离的作用，有效的实现滤波，提高了功率因数。负载侧逆变电路需要通过PWM脉宽调制和闭环负反馈控制策略，使得补偿变压器获得与电网频率相同、相位相同或相反的交流电压实现对电网交流电的补偿。

变压器正补偿：当市电的电网电压小于额定电压时，市电的电压经过PWM整流电路整流获得直流电压输出到逆变电路一侧，逆变电路经过SPWM正弦脉宽调制输出与电网电压频率相同且相位相同的交流电压输出到补偿变压器侧实现对电网电压的正补偿。

变压器负补偿：当市电的电网电压大于额定电压时，补偿侧的逆变电路工作在整流状态，补偿变压器从电网中吸收能量经过逆变电路给充电电容充电，而电网侧整流电路工作在逆变状态，充电电容经过逆变反馈给电网实现对电网电压的负补偿。

电压、电流双闭环原理如图2-2所示。

图2-2 电流电压双闭环控制原理

整流器的控制方式：从电网侧的交流电经过整流器进行dq变换，获得直流电压和电流。直流电压和电流经过电压外环电流内环的双闭环系统经过dq逆变换得到PWM基波电压，将其与三角波进行比较获得脉冲对整流器进行SPWM正弦脉宽调制。其中电压外环电流内环的双闭环调节方式实现了有功和无功控制的分离。

逆变器的控制方式：逆变器使用的控制方式是电压瞬时跟踪法，实时监测负载侧输入的电网电压与额定电压的大小，然后通过PI调节器实现对电网电压的补偿，控制PWM开关装置，实现当电网侧电压低于额定电压时逆变器正补偿（工作在逆变状态），当电网侧电压高于额定电压时逆变器负补偿（工作在整流状态）。通过对开关型稳压电源的原理阐述，该装置具有输出谐波小，稳定性好，功率因数高的特点，但是不难看出该装置电路复杂，在大功率设备下开关器件损耗较大。与接下来补偿式稳压电源相比比较难于实现普及^[11]。

2.2补偿型稳压源

2.3.1机械补偿型稳压源

传统的交流稳压源都是采用机械补偿型，其调压的方式是用触点式滑动变压器调压^[12]。机械补偿型稳压电源过去广泛应用在大功率电路，在工业，大型农场，高新技术开发中得到了广泛的应用。但是虽然该装置稳压原理简单，但是通过移动碳刷改变原副边匝数比的传统调压方式具有碳刷接触处氧化的无法避免的巨大缺陷。在调压过程中，碳刷跨过两匝之间容易出现匝间短路的现象，在调压过程中，匝间短路产生的电弧加速铜导线的氧化导致碳刷磨损，影响交流稳压电源的稳压性能，甚至导致短路，造成严重的电气事故。此外碳刷磨损还会使得碳刷抖动导致电源调压出现供电不稳定的现象。而更换碳刷的成本较高，只能人工定期清理碳刷氧化层，经常检查线圈的磨损情况，用盐酸清理表面，但是为了防止盐酸和氧化物的反应物氯化铜影响电路，在清理过后需要放置一段时间，稳压电源不能持续工作，造成大量的资源浪费，经济效益低。因此这种机械补偿型稳压电源已经逐渐被市场所淘汰。

2.3.2补偿变压器稳压源

补偿变压器稳压源是本次毕设的设计对象，下面讲进行详细阐述。由于机械补偿型稳压电源具有碳刷易氧化，经济效益低的特点。学者们在设计大功率稳压电源领域提出了无碳刷式大功率补偿型交流稳压电源，与补偿变压器稳压电源的补偿原理基本一致，逐步取代了传统碳刷的机械补偿稳压电源的位置^[13,14]。

补偿变压器稳压源的补偿电路如图2-3所示。S1-S4开关电路是一个全桥开关电路，选用的开关器件为双向晶闸管。这里不选用IGBT的有两个原因：一是IGBT单向导通无法满足补偿电路正负补偿的要求，二是晶闸管节约成本且稳定性好，能够承受大容量电路，非常适合大功率交流电路^[15]。

现将补偿变压器稳压源的补偿原理简述如图2-3。

图2-3 补偿变压器式稳压源

（1）正补偿：当电网侧电压高于标准电压时，监测系统获得信息并输出脉冲信号给桥式开关电路门极，使桥式开关电路S1、S4导通，自耦变压器副边侧获得正向的感应电压，与电网电压串联给负载供电，实现对电网的正补偿。

（2）负补偿：当电网侧电压低于标准电压时，监测系统获得信息并输出反向脉冲信号给桥式开关电路门极，使桥式开关电路S2、S3导通，自耦变压器副边侧获得反向的感应电压，与电网电压串联给负载供电，实现对电网的负补偿。

以上展示的是单相电路的稳压原理，三相交流稳压源每一相都要单独接变压器实现每一相的独立控制，这样能够良好的解决中性点在电网侧负载不平衡的情况下相位偏移的情况。但是这样触发电路的设计也变得更加复杂，在论文的后面将会进行讨论。

现将脉冲触发电路的控制方式简述如下：

该补偿电压稳压源实现脉冲电路触发智能调压功能原理为：输入侧电网电压通过电压电流采样电路转化为模拟信号后，传输到主控电路板ARM的A/D 模块中，经过ARM滤波和计算之后，通过模拟信号计算出电网输入的实际电压，再根据电网输入侧的实际电压制定当前的补偿策略。然后主控板电路ARM按照制定好的补偿策略通过自带的触发电路产生触发脉冲从而控制双向晶闸管的开断动作及控制补偿电路中补偿变压器是否工作以及相位的正反，以此来实现补偿变压器正负补偿，改变装置输出的补偿电压。在输出端加入反馈系统，补偿变压器输出电压通过采样电路转换成模拟信号反馈到主控电路板 ARM 中，ARM经过计算获得补偿后实际的输出电压大小，将其与额定电压进行比较，再对输出电压进行二次补偿，进而保证交流稳压电源的输出电压保持在额定的要求范围内。

补偿稳压电源的温控智能报警保护功能原理简述如下：

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