本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)分析
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種高頻變壓器電壓、電流傳輸比的精細化設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：隨著傳統(tǒng)能源短缺和環(huán)境問題加劇，大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電受到了廣泛關(guān)注。我國已大力發(fā)展大規(guī)模離岸風(fēng)電場發(fā)電以及其他多種形式的直流電源，如光伏電源、電化學(xué)電池儲能和燃料電池電源等。然而，受限于電力系統(tǒng)的消納能力，以及可再生能源發(fā)電間歇性、隨機性的特點，傳統(tǒng)電網(wǎng)在接納大規(guī)?？稍偕茉捶矫嬖絹碓绞艿街萍s，而建立直流電網(wǎng)是解決這一問題的有效途徑。含高頻變壓器磁耦合的大功率dc-dc變換器可以實現(xiàn)大規(guī)模直流電能的靈活傳輸和控制，同時保證系統(tǒng)兩側(cè)的電氣隔離，與高壓直流斷路器、直流電纜、直流換流閥等成為構(gòu)建直流電網(wǎng)的核心裝備。其中，高頻變壓器可以實現(xiàn)系統(tǒng)兩側(cè)的電氣隔離和電壓、電流等級變換，是制造磁耦合dc-dc變換器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的50/60hz工頻電力變壓器相比，高頻變壓器的工作頻率達到幾十甚至上百千赫茲，可以顯著減小變壓器的體積和重量、提高變換器的功率密度。實現(xiàn)電能的電壓變換(對于電壓源型dc-dc變換器)或電流變換(對于電流源型dc-dc變換器)是高頻變壓器的重要功能之一。眾所周知，工頻變壓器的傳輸比即可認為是繞組匝比。然而，高頻下由于寄生參數(shù)的影響，變壓器的電壓、電流傳輸特性將隨頻率發(fā)生變化，可能使得變壓器的電壓、電流傳輸比不再等于繞組匝比。這將導(dǎo)致高頻變壓器無法實現(xiàn)預(yù)期的電壓或電流變換，嚴重影響dc-dc變換器的正常工作。目前，寄生參數(shù)對高頻變壓器電壓、電流傳輸特性的影響機理尚不清楚，缺乏相應(yīng)的電壓、電流傳輸比的精細化設(shè)計方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：鑒于此，本發(fā)明的目的在與克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種有效的高頻變壓器傳輸比的精細化設(shè)計方法。該方法利用傳輸特性諧振頻率分析高頻變壓器在工作頻率處的傳輸比與繞組匝比間的偏差，提出改善傳輸比的設(shè)計方法，保證高頻變壓器實現(xiàn)預(yù)期的電壓、電流變換。為了實現(xiàn)此目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下。一種高頻變壓器電壓、電流傳輸比精細化設(shè)計方法，包括以下步驟：步驟a、利用高頻變壓器的電路模型，建立高頻變壓器高壓側(cè)帶負載時的電壓傳輸函數(shù)hud和高壓側(cè)帶負載時的電流傳輸函數(shù)hid，得到傳輸特性的諧振特征：所述電壓傳輸函數(shù)hud含有極點諧振頻率fud1和零點諧振頻率fud2、所述電流傳輸函數(shù)hid含有零點諧振頻率fid1、fid2和極點諧振頻率fid3；且通過比較fud1、fud2、fid1、fid2和fid3可以得到fud1<fud2＝fid3且fid1<fud1<fid2；步驟b、根據(jù)步驟a中的高頻變壓器電壓與電流傳輸特性的諧振特征，得到高頻變壓器傳輸比的設(shè)計約束：為保證高頻變壓器在工作頻率處的電流傳輸比與繞組匝比間的偏移率不超過δ，需要使得hid的諧振頻率fid1與變壓器工作頻率foper的比值η接近于1，即使得hid的諧振頻率fid1接近工作頻率foper；步驟c、根據(jù)步驟b中fid1的數(shù)學(xué)表達式和高頻變壓器傳輸比設(shè)計約束，通過添加靜電屏蔽層和改變磁芯氣隙長度，對高頻變壓器的電容參數(shù)a和勵磁電感l(wèi)m進行調(diào)控，使得諧振頻率fid1接近工作頻率foper，進而使得工作頻率處的電流傳輸比接近繞組匝比，從而實現(xiàn)高頻變壓器傳輸比優(yōu)化設(shè)計。具體來說，高頻變壓器的電路模型如圖1所示。其中，lm為歸算到一次側(cè)的勵磁電感，ls為歸算到二次側(cè)的漏感，n為理想變壓器變比；rs1和rs2分別為一次二次繞組電阻，rm為磁芯損耗等效電阻；cp,cs,cps分別表示一次繞組對地電容、二次繞組對地電容、一二次繞組間電容。rs1和rs2可以通過解析公式計算獲得，lm和ls可以分別通過計算二次繞組開路時和安匝平衡時的磁場能量獲得，rm可以通過變壓器開路阻抗特性第一個諧振點處的阻抗模值得到，cp,cs,cps可以通過變壓器儲存的靜電能量計算得到?？紤]高頻變壓器二次繞組帶負載的情況，所帶電阻負載為rd，負載兩端電壓為ud，流過電流為id。步驟a中基于高頻變壓器電路模型，通過電路分析建立高頻變壓器的電壓、電流傳輸函數(shù)，進而得到寄生參數(shù)作用下高頻變壓器電壓、電流傳輸特性的諧振特征，包括以下步驟：1)基于高頻變壓器的電路模型，得到變壓器帶電阻負載情況下的導(dǎo)納參數(shù)矩陣：其中：lm為歸算到一次側(cè)的勵磁電感，ls為歸算到二次側(cè)的漏感，n為理想變壓器變比；rs1和rs2分別為一次二次繞組電阻，rm為磁芯損耗等效電阻；cp,cs,cps分別表示一次繞組對地電容、二次繞組對地電容、一二次繞組間電容，rd為電阻負載，ud為負載兩端電壓，id為流過電流；2)進而得到電壓傳輸函數(shù)hud和電流傳輸函數(shù)hid：其中：注意到為方便與繞組匝比n進行比較，所述電壓傳輸函數(shù)hud為負載電壓ud與輸入電壓u1之比，所述電流傳輸函數(shù)hid為輸入電流i1與負載電流id之比。3)根據(jù)式(3)和(4)，可以得到高頻變壓器帶負載情況下的電壓、電流傳輸特性，其示意圖如圖2所示?？梢钥吹剑诟哳l下由于寄生電容的影響，高頻變壓器的電壓和電流傳輸特性將隨頻率發(fā)生變化。對于電壓傳輸函數(shù)hud，可以看到在低頻段ω→0時，電容參數(shù)的影響很小，有|hud|→n，即變壓器的電壓傳輸比即等于繞組匝比。然而隨著工作頻率的提高，hud隨頻率發(fā)生變化，計算極點諧振頻率fud1和零點諧振頻率fud2：4)比較電壓傳輸函數(shù)hud的兩個諧振頻率fud1,fud2，有：因此，諧振頻率fud1總是低于諧振頻率fud2。5)對于電流傳輸函數(shù)hid，其具有零點諧振頻率fid1，fid2和極點諧振頻率fid3：6)通過式(6)和(8)可以看到，電流傳輸函數(shù)hid的極點諧振頻率fid3與電壓傳輸函數(shù)hud的零點諧振頻率fud2相同。此外，比較電流傳輸函數(shù)零點諧振頻率fid1，fid2與電壓傳輸函數(shù)極點諧振頻率fud1的大小：由于歸算到同一側(cè)的勵磁電感遠大于漏感，即n2lm>>ls，通過式(9)有fid1<fu<fid2。這意味著hid在小于fud的較低頻段即可能出現(xiàn)諧振頻率fid1。下面分析高頻變壓器在諧振頻率fid1附近的電流傳輸比。實際上，當(dāng)頻率相對較低時，寄生電容對應(yīng)的導(dǎo)納對變壓器電流傳輸特性的影響很小，可以忽略。步驟b中通過分析變壓器傳輸比與繞組匝比間的偏差，提出變壓器電壓、電流傳輸比的設(shè)計約束，包括以下步驟：1)計算電流傳輸函數(shù)hid：2)可以看到，hid在較低頻段對應(yīng)的諧振頻率即為fid1。其中，不同大小的電阻負載不會改變fid1的大小，但會改變fid1的品質(zhì)因數(shù)q：3)如果rd很小，qf很小，fid1帶寬很寬；隨著rd的增加，qf1增大，fid1帶寬變窄。考慮工作頻率foper處的電流傳輸比|hid(foper)|與繞組匝比n在fid1附近的變比偏移率δi：其中:通過式(12)可以看到，|hid(foper)|與n間的偏差可以定量地通過ηi和q進行評估。具體來說，當(dāng)q很大使得時，δi將接近于0，這意味著工作頻率處的電流傳輸比|hid(foper)|將接近于匝比n。否則，如果變壓器的q較小，為了減小δi以使|hid(foper)|接近于n，需要使得ηi→1，即使得hid的諧振頻率fid1接近工作頻率foper。步驟c實現(xiàn)高頻變壓器傳輸比的優(yōu)化設(shè)計，包括以下步驟：1)通過控制高頻變壓器的電容參數(shù)a和勵磁電感l(wèi)m來改變諧振頻率fid1，使得電流傳輸特性的諧振頻率fid1接近工作頻率foper；2)通過添加靜電屏蔽層的方式調(diào)控電容參數(shù)a；3)通過改變變壓器磁芯氣隙長度的方式調(diào)控勵磁電感l(wèi)m，所述勵磁電感l(wèi)m表示為：其中np是一次繞組匝數(shù)，rrel是勵磁支路磁阻，ac和lc分別是磁芯相對磁導(dǎo)率,橫截面積和磁芯磁路長度，lg是氣隙長度。通過上述分析可以看到，在低于諧振頻率fud1的頻段內(nèi)，高頻變壓器的電壓傳輸特性比較平穩(wěn)，電壓傳輸比接近繞組匝比；但在低于諧振頻率fud1的頻段內(nèi)，電流傳輸特性可能出現(xiàn)諧振頻率fid1，導(dǎo)致電流傳輸比發(fā)生較大變化。為保證電流傳輸比接近繞組匝比，需要使得電流傳輸特性的諧振頻率fid1接近工作頻率foper。根據(jù)式(8)可知，可以通過控制高頻變壓器的電容參數(shù)a和勵磁電感l(wèi)m來改變諧振頻率fid1。電容參數(shù)a可以通過添加靜電屏蔽層的方式進行調(diào)控。靜電屏蔽層緊貼低壓繞組外側(cè)，且需要接地。通過添加靜電屏蔽層，高低壓繞組間的電容被分割成兩個接地的電容，高頻變壓器的電容參數(shù)a大大減小，同時變壓器的繞組結(jié)構(gòu)和體積幾乎不變?？梢钥吹剑捎诖判镜南鄬Υ艑?dǎo)率遠高于氣隙，盡管氣隙長度可能很小，其仍是影響勵磁電感l(wèi)m大小的主要因素。因此，可以通過改變氣隙長度lg方便地調(diào)控lm，而幾乎不會改變磁芯和繞組的結(jié)構(gòu)與大小。本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明的高頻變壓器電壓、電流傳輸比精細化設(shè)計方法可以準確分析高頻變壓器在工作頻率處的電壓、電流傳輸比與繞組匝比間的偏差，并提出相應(yīng)地調(diào)控方法，能夠保證高頻變壓器實現(xiàn)預(yù)期的電壓或電流變換，高頻變壓器原型機的電壓電流傳輸比與繞組匝比十分接近，電壓電流傳輸特性得到了明顯改善，對于高頻變壓器優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。附圖說明圖1為高頻變壓器電路模型圖；圖2為高頻變壓器帶負載情況下的電壓、電流傳輸特性示意圖；圖3為高頻變壓器照片；圖4為高頻變壓器傳輸不同額定功率下的電壓和電流傳輸特性實驗(*)與仿真(實線)結(jié)果：(a),(b),(c)分別為傳輸50％,100％,200％額定功率下的電壓傳輸特性,(d),(e),(f)分別為傳輸50％,100％,200％額定功率下的電流傳輸特性；圖5為采取調(diào)控措施后高頻變壓器的電壓和電流傳輸特性仿真結(jié)果：(a)為電壓傳輸特性仿真結(jié)果,(b)為電流傳輸特性仿真結(jié)果；圖6為本發(fā)明方法的流程示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。以下以一臺20khz高頻變壓器為實例，驗證本發(fā)明高頻變壓器電壓、電流傳輸比精細化設(shè)計方法的有效性。表1為高頻變壓器的主要參數(shù)為了驗證高頻變壓器傳輸比精細化設(shè)計方法的有效性，針對一臺20khz高頻變壓器進行電壓、電流傳輸特性測量實驗。該高頻變壓器的照片如圖3所示，主要參數(shù)如表1所示。原型機采用u型納米晶磁芯，繞組平均分配在磁芯的兩個芯柱上。低壓繞組在內(nèi)側(cè)，共12匝，每個芯柱上各繞2層；高壓繞組在外側(cè)，共1096匝，每個芯柱上各繞4層。采用油-紙絕緣系統(tǒng)保證了良好的絕緣強度與散熱性能。(1)電壓、電流傳輸特性分析的有效性驗證測量高頻變壓器在分別傳輸50％額定功率(2rl＝272kω)，100％額定功率(rl＝136kω)和200％額定功率(0.5rl＝68kω)時的電壓傳輸特性和電流傳輸特性(|hud|和|hid|)。同時，基于高頻變壓器模型對|hud|和|hid|進行仿真分析。測量和仿真結(jié)果如圖4所示，其中(a),(b),(c)分別顯示了傳輸50％,100％,200％額定功率下的|hud|,(d),(e),(f)分別顯示了傳輸50％,100％,200％額定功率下的|hid|.從圖4可以看到，|hud|和|hid|的測量和仿真結(jié)果吻合良好。特別地，在小于fud1＝74khz的較低頻段，hid出現(xiàn)了諧振頻率fid1＝2.5khz，且隨著傳輸功率的增加(負載減小)，fid1的帶寬變寬，與前述分析結(jié)果一致。此外，對高頻變壓器工作頻率foper＝20khz附近的電壓、電流傳輸變比|hud(foper)|,|hud(foper)|與繞組匝比n間的偏差進行研究。對于(a)到c)所示的電壓傳輸特性，當(dāng)傳輸50％,100％,200％額定功率下的偏差δu的仿真結(jié)果分別為7.99％,7.91,7.55％，實際δu的測量結(jié)果分別為7.91％,7.78％,7.17％，仿真與測量結(jié)果吻合良好。對于(d)到(f)所示的電流傳輸特性，考慮到ηi＝f1/foper＝0.125，且當(dāng)傳輸50％,100％,200％額定功率下的功率因數(shù)q分別基于式(11)計算為2.93,4.39,8.78，基于式(12)可以預(yù)測|hid(foper)|和n間的偏差δi分別為278.5％,109.2％,36.63％，實際δi的測量結(jié)果分別為296.8％,115.3％,37.11％，仿真與測量結(jié)果吻合良好。(2)傳輸比調(diào)控通過圖4可以看到，由于高頻變壓器的工作頻率foper＝20khz低于電壓傳輸特性諧振頻率fud1＝74khz，工作頻率處的電壓傳輸比與繞組匝比比較接近，最大偏差在8％以內(nèi)；然而，由于電流傳輸特性在低于fud1的頻段內(nèi)出現(xiàn)了諧振頻率fid1＝2.5khz，工作頻率處的電流傳輸比與繞組匝比出現(xiàn)了明顯偏差，最大偏差達到了近300％。因此，有必要對高頻變壓器的電流傳輸比進行調(diào)控。通過前述分析可知，為了減小δi以使|hid(foper)|接近于n，需要使得ηi→1，即使得hid的諧振頻率fid1＝2.5khz接近工作頻率foper＝20khz。根據(jù)式(8)可知，可以通過減小變壓器的等效電容a和勵磁電感l(wèi)m來提高fid1。首先，通過在低壓和高壓繞組間添加靜電屏蔽層的方式減小等效寄生電容a。表2給出了添加靜電屏蔽層前后，高頻變壓器寄生電容cp,cs,cps、等效電容a以及諧振頻率fid1的值?？梢钥吹?，添加靜電屏蔽層后，高頻變壓器的等效寄生電容a從97.0μf減小到34.3μf，相應(yīng)地諧振頻率fid1從2.5khz提高到4.0khz。此時，通過式(12)可以預(yù)測，高頻變壓器分別傳輸50％,100％,200％額定功率時，電流傳輸比|hid(foper)|與繞組匝比n間的偏移率將分別改善為δi＝68.48％,20.82％,5.59％.表2添加屏蔽層前后高頻變壓器的寄生電容與諧振頻率為了進一步降低δi，可以進一步通過減小高頻變壓器的勵磁電感l(wèi)m來提高fid1，以使其更加接近工作頻率foper＝20khz。綜合考慮式(8)和(14)，為進一步提高fid1，可以將高頻變壓器磁芯氣隙長度從現(xiàn)有的0.05mm增加到1.36mm。表3給出了改變氣隙長度前后高頻變壓器的勵磁電感l(wèi)m與諧振頻率fid1的值。表3改變磁芯氣隙長度前后高頻變壓器的勵磁電感與諧振頻率參數(shù)lglmfid1調(diào)控前0.05mm4.59mh4.0khz調(diào)控后1.36mm0.184mh20khz采取以上調(diào)控措施后，基于高頻變壓器模型對高頻變壓器傳輸50％,100％,200％額定功率時的電壓電流傳輸特性進行了仿真，結(jié)果如圖5所示。圖5a)為電壓傳輸特性，可以看到對于不同的傳輸功率，采取調(diào)控措施后|hud(foper)|和n間的偏移率分別從δu＝7.91％,7.78％,7.17％(均在δumax＝8％以內(nèi))減小到δu＝2.75％,2.51％,2.33％(均在δumax＝3％以內(nèi))；圖5b)為電流傳輸特性，可以看到對于不同的傳輸功率，采取調(diào)控措施后|hid(foper)|和n間的偏移率分別從δi＝296.8％,115.3％,37.11％減小為δi→0。上述實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行了詳細說明。顯然，本發(fā)明并不局限于所描述的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的人員還可據(jù)此做出多種變化，但任何與本發(fā)明等同或相類似的變化都屬于本發(fā)明保護的范圍。當(dāng)前第1頁12