绕组交叉换位排布方式下高频变压器阻抗建模及谐振特性分析

高频变压器设计中通常采用初、次级绕组交叉换位排布方式来降低漏电感和交流电阻,但是绕组结构改变会同时影响变压器内部寄生电容参数大小和分布情况,进而造成宽频带谐振特性发生变化。为了明确不同交叉换位排布方式对寄生电容、频变漏电感以及谐振频率的影响规律,该文首先结合绕组的排布方式和绕制方法,建立4种典型绕组结构的分布等效电容表征模型,基于能量等效原理推导出相应绕组排布方式下六集总电容表征模型的电容解析计算式。然后,为了计及宽频区间内绕组漏电感参数的频变特性,基于电磁对偶原理建立含频变参数有损电感表征模型,并给出各项参数提取方法。在此基础上,构建不同绕组布置方式下高频变压器宽频带阻抗特性分析模型。将寄生电容、漏电感参数以及开短路阻抗特性和谐振频点计算结果与仿真和实验测量结果进行对比,验证了所提方法的有效性。     

基于柔性变电站的双向DC/AC变换器关键控制技术综述

基于交直流混合配电技术的柔性变电站是未来配电网发展的一大趋势,柔性变电站因其具备中/低压、交/直流多端接口、具有潮流柔性管控、多形态能源接入、故障限流和隔离等多种功能而受到广泛关注.双向DC/AC变换器是柔性变电站的重要组成部分,可实现低压交直流端口间能量的双向流动.为使双向DC/AC变换器在柔性变电站环境中安全可靠运行,研究双向DC/AC变换器控制策略成为迫切的需求.以张北交直流配电网及柔性变电站示范工程为实例,根据双向DC/AC变换器不同控制目标,从谐波补偿、不平衡电压抑制、多机并联等关键控制技术进行综述,并对基于柔性变电站双向DC/AC变换器控制技术的发展趋势进行探讨,为建设柔性变电站工程提供参考.     

大功率中频三相变压器优化设计方法

基于磁耦合的三相双有源全桥DC/DC变换器非常适合于大功率应用场合,尽管该型变换器具有诸多优势,但其内部核心磁性元件—大功率中频三相变压器的结构、工作模态、电磁特性更加复杂,容量、频率、损耗温升、漏电感相互制约,形成一个复杂的系统化设计难题。该文重点对大功率中频三相变压器整体优化方法和性能进行研究。结合三相双有源全桥DC-DC变换器的稳态电压和电流波形,采用基波分析法推导出中频三相变压器的各阶次谐波电流表达式,提出绕组损耗解析计算方法;根据六电平阶梯电压波激励下分段线性磁通密度波形,提出改进的IGSE公式用于计算铁心损耗;针对三相五柱式铁心拓扑结构,建立具有14个温度节点的集中参数热网络模型,用于计算中频三相变压器的最高温升;研究绕组排布方式对漏电感的影响规律,并给出漏电感解析表达式。在此基础上,提出基于自由参数扫描法的大功率中频三相变压器优化设计流程。按照最优设计方案制作了一台5kHz/15kW纳米晶铁心中频三相变压器模型,并对其漏电感、铁心损耗、绕组损耗、温升进行有限元仿真和实验测试,验证所提设计方法的有效性。     

大功率中频三相变压器绕组和铁芯谐波损耗模型

基于磁耦合三相双有源全桥DC/DC变换器的固态变压器适合于大功率应用场合,精确预估其核心磁性元件—大功率中频三相变压器在非正弦电压激励下的绕组与铁芯损耗,研究不同工作模态、不同绕组联接方式下变压器损耗的变化趋势,对于固态变压器精细化设计至关重要。在对隔离式三相双有源全桥DC-DC变换器工作原理进行分析的基础上,建立Y-Y、Y-Δ和Δ-Δ型绕组联接方式下变换器的等效电路模型和相量图,采用基波分析方法推导出中频三相变压器绕组非正弦电流的谐波计算表达式,考虑各阶次谐波频率下集肤效应和邻近效应对交流电阻的影响,实现绕组损耗的计算。结合不同绕组联接方式下电压波形和移相控制方式,推导出六电平阶梯波和三电平阶梯波电压激励下的分段线性磁密波形表达式,结合各种修正的Steinmetz经验公式的简化解析计算式,计算出不同移相角下的铁芯损耗。针对5 kHz/15 kW纳米晶合金铁芯中频三相变压器模型,将该方法的计算结果与有限元仿真和实验测量结果对比,验证了该方法的有效性。     

LLC谐振变换器的变压器绕组优化设计

针对LLC谐振变换器工作在高频条件下对平面变压器寄生电容较为敏感的问题,采用磁集成技术对变压器的二次绕组进行优化设计,使得变压器寄生电容和绕组涡流损耗的综合效果最优。该文对平面变压器层间寄生电容的影响因素进行了具体分析,在极坐标系下建立变压器寄生电容的数学模型,并归纳出各影响因素在不同电流情况下的作用效果。该文提出了两种绕组形状的优化设计方案,从减小绕组正对面积的角度改善变压器的寄生电容。利用有限元仿真软件Maxwell,搭建变压器的3D仿真模型,根据仿真结果对比了采用不同优化方案时寄生电容的改善效果,验证了理论分析的可靠性。为了兼顾变换器的寄生电容和涡流损耗,给出了绕组面积设计的优化范围,并确定了最终的优化方案。最后,采用改良后的磁集成平面变压器,搭建了一台500W的样机,效率最高可达97.53%。     

三相电力变压器高频传输特性研究

考虑高频下变压器寄生参数的影响,通过简单的RLC电路来描述三相整流变压器高频传输特性,并以此得出信号传输特性计算公式。通过变压器外部端口阻抗测量提取寄生电容,同时对绕组电阻及激磁参数进行了提取。测试结果与计算结果对比验证了该方法的正确性。     

考虑磁场频率特性的变压器共模EMI宽频建模方法

变压器是隔离型变换器的关键共模噪声路径,与传导和辐射电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)性能紧密关联。现有变压器EMI等效电路建模方法对多层交错绕组的宽频共模特性缺乏准确预测能力,文中针对该问题分析了变压器共模噪声路径对电感参数的敏感性,以及现有电路结构不适用于交错绕组的原因,提出一种改进型建模方法。通过磁场仿真提取电感频率特性参数,使模型能够反映变压器的宽频磁场特性。同时,通过改进等效电路结构,正确表示共模噪声路径和绕组电势分布。以绕线式变压器为对象,S21参数为变压器共模EMI性能的评估方法,实际测量与电路仿真结果在150k Hz～100MHz具有较好一致性,表明改进型建模方法能够在宽频段准确预测、评估变压器的共模性能和谐振尖峰,扩展了现有模型的适用范围。     

中低压直流配电系统:关键装备阻抗建模与稳定性分析

中低压直流母线电压稳定是中低压直流配电系统稳定的关键指标.针对由多绕组变压器隔离型变换器与输入串联输出并联的多模块Boost+LLC型直流变压器组成的中低压直流配电系统,为分析其小信号阻抗稳定性,建立柔性变换器、直流变压器和Buck变换器的小信号模型,推导中压和低压直流端口阻抗表达式.采用阻抗分析法分析了表征级联系统稳定性的参数,以伯德图和奈奎斯特曲线为依据,分析了电路参数和控制参数对系统阻抗特性和级联系统稳定性的影响.分析结果表明,增加柔性变换器电压控制环参数和直流变压器电流控制环参数,可提高中压直流级联系统的稳定性.增加直流变压器电压控制环参数,可提高低压直流级联系统的稳定性.最后在MATLAB/Simulink平台中搭建系统仿真模型,验证了所推小信号阻抗模型的正确性.     

Boost型单原边绕组双向双输入全桥DC/DC变换器

提出了单原边绕组电流源型双向多输入全桥DC/DC变换器的拓扑生成方法,在所生成的电路拓扑中,变压器只有一个原边绕组,与多原边绕组相比,简化了系统结构、减少了元器件数量、降低系统的成本。可以实现单独或同时向负载供电,以及负载反馈能量的作用。以Boost型单原边绕组双向双输入全桥DC/DC变换器为例,详细阐述其生成方法及工作原理,最后通过仿真实验验证理论分析的正确性。     

混合电动汽车功率变换器的研究

针对现有混合电动汽车能量管理系统所存在的功率密度低、可靠性差等问题,提出了一种基于级联H桥和矩阵变换器结构的高功率密度变换器拓扑。电池储能单元和车载内燃机发电单元提供整车驱动所需要的电功率,二者分别通过级联H桥电路和矩阵变换器与中频多绕组变压器输入侧绕组相连,中频多绕组变压器完成整车功率在电源和负载间的高效传输。其中,级联H桥电路作为储能单元控制电路的重要组成部分,在电池充放电过程中,负责均衡电池模块的动态电压。所提出的车载变换器降低了电池的串联规模和电容的使用量,显著提高了能量管理系统的功率密度和可靠性。在Matlab/Simulink环境中建立了相应的仿真模型,仿真结果验证了所提拓扑结构和相应控制策略的正确性。     

VFTO下变压器绕组的EMTP模型

为开展VFTO对变压器影响的研究,先由变压器绕组的S参数计算所需的电压传输函数,然后通过矢量匹配法对电压传输函数进行有理函数逼近,再应用多点Pade逼近降阶,在此基础上实现电路形成了变压器绕组的通用宽频EMTP电路模型。该模型的仿真结果与实测结果吻合,表明该方法简单、准确。     

基于扩展移相控制的双向DC/DC变换器控制策略

储能的发展对双向DC/DC变换器的传输效率有较高的要求,为此提出一种基于最大传输功率的双向全桥DC/DC变换器扩展移相控制策略,并采用奇异摄动法建立了扩展移相控制下变换器的小信号模型。最后,基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型,仿真实验结果验证了该策略的有效性和可行性。     

三电平电流型推挽双向DC/DC变换器及工作特性分析

储能DC/DC变换器需要解决电池侧电流纹波和宽电压范围问题。本文研究了一种可用于电能路由器储能环节的三电平电流型推挽式双向DC/DC变换器，具有高增益、电流纹波小和宽输入电压范围的特征。以传输电感两端电压匹配为原则研究了采用脉冲宽度调制(PWM)加移相控制下的工作机理，深入分析了正向和反向工作模式。研究了占空比、桥间移相比和桥内移相比对功率传输的影响以及不同模式下的系统性能，以实现变换器的高效率功率传输。通过建立各功率管开通时刻的瞬态等效电路深入研究了功率管寄生电容、变压器励磁电感对实现软开关的影响。推导出开通时刻的准谐振方程，从而得到功率管实现软开关的条件，为参数优化设计奠定了基础。在3 kW实验平台上进行了实验研究，实验结果验证了理论分析的正确性。     

单相三绕组变压器宽频等效模型研究

研究复杂电磁环境对电力系统的影响,有效的方法是通过建立电力设备的宽频模型,以模拟不同特性电磁干扰下设备响应情况。为此基于多端口网络理论,提出一种针对三端口网络的二端口等效模型。在此基础上测量了一台单相三绕组变压器宽频参数,通过电路综合及无源化处理建立其宽频等效电路。试验结果证明所建模型适用于单相三绕组变压器宽频电磁兼容分析。     

一端稳压一端稳流型软开关双向DC/DC变换器(Ⅱ)——设计原则和实验研究

详细分析了一种适合于高低压变换的软开关双向DC/DC变换器的工作特性和参数设计方法.建立了10V/100V双向DC/DC变换器的仿真模型,研制了原理样机,对变换器双向稳态电能变换、工作模式转换和Boost模式起动过程进行了仿真和实验研究.仿真和实验结果证明该变换器具有优良的稳态和动态性能.     

四绕组感应滤波变压器的基波运行与无功补偿特性分析

依托多绕组变压器的结构、磁势平衡方程、感应滤波实现条件推导出四绕组感应滤波变压器的辐射形等值电路模型,建立了该变压器在基波下的数学模型,基于感应滤波方法分析了四绕组感应滤波变压器的基波运行与无功补偿特性。通过原理样机的MATLAB仿真、实验和某220 kV变电站的工程试验验证了四绕组感应滤波变压器的基波运行特性以及在基波下通过滤波绕组投入电容器可以实现无功补偿。仿真与试验结果表明:在基波下,四绕组感应滤波变压器的运行特性类似于三绕组变压器;投入电容器时稍微抬升了网侧电压有效值,但轻微减小了网侧电流有效值,提高了网侧的功率因数。     

单相三绕组变压器宽频等效模型研究

研究复杂电磁环境对电力系统的影响,有效的方法是通过建立电力设备的宽频模型,以模拟不同特性电磁干扰下设备响应情况.为此基于多端口网络理论,提出一种针对三端口网络的二端口等效模型.在此基础上测量了一台单相三绕组变压器宽频参数,通过电路综合及无源化处理建立其宽频等效电路.试验结果证明所建模型适用于单相三绕组变压器宽频电磁兼容分析。     

基于变压器双电容模型的光伏全桥LLC变换器共模干扰建模分析

LLC变换器可以在全负载范围内实现软开关,整体效率与功率密度更易得到提升,在以光伏发电形式为主的直流微网中得到广泛的应用。随着碳化硅等第三代半导体器件的渐渐普及,LLC变换器的工作频率越来越高,其高频变压器寄生电容对变换器共模干扰的影响愈发明显。现有针对变压器寄生电容的简化建模主要基于变压器内部绕组结构,使得集总电容模型的解析式较为复杂,不利于实际应用。对此,基于独立电压变量个数推导出一种适用于全桥LLC变换器共模干扰建模的变压器双电容模型,得到简洁易用的解析计算表达式,该模型可适配不同结构变压器,具有普适性。基于推导的双电容模型建立了全桥LLC变换器共模传导干扰模型,通过Matlab/Simulink仿真验证了所提双电容模型和共模干扰模型的准确性。     

电力电子变压器中高频变压器的设计方法

高频变压器是电力电子变压器的核心组成部分,担负着功率传输、电压变换和电气隔离等功能。针对当前高频变压器选型所存在的问题,提出了一种应用于电力电子变压器中高频变压器的设计方法。基于纳米晶软磁材料的高磁导性能,选择新型铁基纳米晶作为其铁芯材料,考虑电力电子变压器中移相全桥DC/DC变换器存在副边占空比丢失的问题,将面积乘积(AP)法与移相全桥DC/DC变换器的理论相结合,计算了高频变压器的变比和原副边绕组等参数。通过对高频变压器铁损、交流电阻、绕组温升和绝缘强度的测试和分析,结果满足设计要求,验证了设计方法的有效性和可行性。     

模块化多电平高压DC/DC变换器的电感参数设计

中高压大容量DC/DC变换器可以实现不同电压等级直流电网线路的互联,是直流电网中的关键设备之一。该文研究了基于隔离型MMC-DC/DC变换器的电感取值的计算方法和选取原则。通过建立基于交流电压源和电感串联等效电路的数学模型,研究了电感大小对变换器运行特性的影响,进而提出综合考虑功率传输效率限制、交流电流谐波特性以及变压器容量和绝缘设计等因素的电感参数设计方法。最后采用PSCAD/EMTDC仿真软件对设计实例进行验证分析。仿真结果说明该文提出的电感参数设计方法的有效性,同时验证了该文关于电感大小对变换器电气量影响分析的正确性。