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。     

电力电子牵引变压器拓扑结构综述

高压大功率半导体器件的发展,使机车牵引领域中的中频中压变换装置取代传统大体积工频变压器成为可能。由于带有中频变压器的多电平拓扑能有效减小变压器的体积和重量,提高牵引传动系统效率,因此,电力电子牵引变压器受到了越来越多的关注。基于广大学者对电力电子牵引变压器的研究成果,主要对其拓扑结构进行了分类,归纳了各种拓扑结构的特点和适用场合,为深入研究牵引变压器提供参考。     

大功率中频变压器多目标参数优化设计

为了对电力电子牵引变压器300 k W功率单元中的中频变压器(HPMFT)进行优化设计,分析了大功率中频变压器绕组高频损耗、铁芯高频损耗以及漏感参数的计算方法。在此基础上,利用自由参数扫描法建立了其设计流程,依据综合评价系数选择了兼顾变压器损耗、漏感与质量的最优方案。按照最优方案制造了样机,并对其参数进行了测试。对比解析设计与实验测试结果可知,样机铜耗、铁耗、漏感与质量的误差分别为7.99%、12.75%、6.98%和2.21%,均在可接受范围内,验证了该设计方法的正确性与有效性。     

大功率中频变压器漏感计算及其校正方法

为在设计阶段对大功率中频变压器漏感值进行准确法估算,基于中频变压器一维等效模型,根据漏磁场分布特征,通过能量法进行了变压器漏感参数解析公式推导。在此基础上,根据理想漏磁场模型与实际的差异,修正了解析公式中绕组的电导率与漏磁场的计算高度。通过比较两台样机在50 Hz~10 k Hz频段下的漏感实测与计算结果,证实了对这2个参数同时进行校正,可使变压器漏感计算误差减小到5%以内,并进一步分析了仍然存在的误差产生的原因。通过样机1与样机2的漏感值对比,证明了绕组交叉换位技术可有效减小变压器漏感。     

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。     

基于MMC的高升压比直流变压器调制策略研究

现有的高压大功率DC/DC变换器研究开始更多地关注基于模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)的face-to-face(F2F)拓扑。该拓扑由变压器连接两个模块化多电平换流器,易于根据电压等级扩展模块数量,因此,基于F2F的拓扑开始研究并应用在直流电网互联、新能源并网等领域。目前,基于该结构的直流变压器主要由其中频变压器提供变比。针对上述拓扑的特点,提出不依赖变压器变比的调制策略。采用该调制策略,可以灵活调节拓扑中各桥臂模块的通断改变电压变比,同时兼顾升压、降压功能。最后,在Matlab/Simulink中给出仿真算例,验证提出的方法的可行性。     

大功率多绕组中频变压器的优化设计研究

应用于大功率中压并网系统的电力电子变压器中最关键的元件,即中频变压器(MFT)在系统中起着电气隔离和电压转换等关键作用.介绍了一种采用特殊的磁芯结构和绕组结构的多绕组MFT,并提出了一种MFT优化设计方法.该方法使用面积乘积(AP)法设计MFT的磁芯体积,然后针对具体的变压器结构进行损耗建模分析,通过变量优化使得损耗达到最优.整个优化设计过程相对简单,同时也保证了一定的精确度.最后制作了一台200 kW/30 kHz的MFT样机,并在LLC谐振变换器中进行了实验,其结果验证了优化设计方法的准确性.     

多绕组中频变压器宽频建模方法

多绕组中频变压器是张北柔性变电站DC/DC变换环节的核心设备。由于缺乏适用于大容量DC/DC变换器的多绕组中频变压器仿真模型,难以对变换器在中高频率下的运行特性进行准确分析。该文建立了多绕组中频变压器的宽频模型,并提出了寄生电容参数的实验提取方法。基于端口阻抗特性测量,即可完成寄生电容参数的有效提取。利用张北柔性变电站示范工程中用的4绕组中频变压器样机验证了所建宽频模型与参数提取方法的有效性。在此基础上,通过仿真与实验研究了多绕组中频变压器传输额定功率时的电压、电流传输特性,结果表明在高频下必须考虑变压器寄生电容的影响。     

大功率中频变压器空心绕组交流电阻的计算方法

将空心绕组应用于大功率中频变压器,在提高绕组材料利用率的同时,变压器的散热效率也可得到提升。但因为其较为特殊的形状,使得通过直接建立解析模型的方法,计算空心绕组高频交流电阻较为困难。为了解决这一问题,该文结合解析计算与数值计算方法,通过大量的有限元模型计算,得到了中频变压器空心绕组与其对应的实心绕组高频交流电阻之间的关系。这种关系被定义为一个新参数,即空心电阻系数。通过分析空心电阻系数与相关参数之间的关系,经典Dowell解析计算公式可被拓展至空心绕组的交流电阻计算中。通过对比一台中频变压器样机空心绕组交流电阻的解析计算、有限元数值计算与实验计算结果,验证了该方法的正确性与有效性。     

大功率超级电容器的发展与应用

简要介绍了超级电容器的原理、特点和发展状况;概述了目前大功率超级电容器在电动汽车、太阳能系统等领域的应用;并简要介绍了大功率超级电容器在军事领域、工业领域以及在城市公交车领域的应用与发展。     

基于开关变压器技术的超大功率无触点电力电子开关模块

本文介绍了一种基于开关变压器技术的高电压大功率的式电力电子开关模块(以下简称开关变压器模块),可用于任何等级的高压交流电压调节、电流调节及功率调节。其主要特征是将电力变压器的开路特性、短路特性与可控硅的开路特性、短路特性结合起来,利用二者性能上的结合创造出耐高压的大功率电力电子开关器件。开关变压器模块的发明相当于发明了一种新的大功率无触点电力电子开关器件,成功地解决了电力电子器件串并联的低可靠性问题,可用于任何高电压大功率调节的场合,且具有极高的可靠性。     

变压器现场局放试验的几种接线方式

指出变压器在现场进行局部放电试验时,应根据不同被试变的联结组别、电压、电压比来合理地选用试验接线,并对利用中频电源在现场局部放电试验中采用的几种试验接线特点作了分析比较。     

基于半桥结构的新型高速铁路功率调节器

随着电气化铁路朝着高速、大功率负荷发展,电力牵引系统的电能质量问题变得越来越至关重要.提出一种适合于大功率补偿的基于半桥变流器结构的新颖铁路功率调节装置.该补偿系统中,由2个背靠背的半桥变流器通过中间2个串联电容连接在一起,然后通过降压变压器分别与2个牵引供电臂连成一体.相对于传统功率调节器,该功率调节单元只需要2个开关桥臂和1组串联电容,减少了1对开关桥臂即4个功率开关管.在完成同样功能前提下,将功率开关减少了一半,减小了硬件成本,提高了补偿装置的可靠性能.这样将大大有利于装置的大功率模块化,与当今高速铁路大容量的功率补偿相对应,具有很好的发展前景.仿真和实验结果验证了所提补偿结构及其方法的有效性.     

汶川地震中500kV大型变压器震害机制分析

大型变压器是变电站中的重要设备之一,在历次地震中遭到严重破坏。汶川地震中,大批变压器受损严重,首先简要介绍了汶川地震中大型变压器的主要震害特征。为分析汶川地震中遭受严重破坏的某500 kV大型变压器的震害机制,建立了梁壳组合的变压器-套管系统有限元模型。在实际纪录3组汶川地震波和其他2组地震波输入下,分析该有限元模型的地震时程响应,比较了变压器-套管系统结构关键部位的地震响应。分析结果表明:大型变压器套管结构高柔,绝缘套管抗弯强度小,且变压器箱体的柔度对套管的动力响应有放大效应,这些是导致大型变压器瓷质套管损坏的主要原因。套管是变压器的地震易损构件,在变压器的抗震设计中须充分考虑套管的地震易损性。     

电力变压器有源谐波模型

建立适当的电力系统元件谐波模型是电力系统谐波分析的基础,章总结了电力变压器谐波模型的已有研究成果,推导了单相变压器完整的有源谐波模型,然后将电力变压器的谐波建模问题归结为激磁电流的计算,详细介绍了单相变压器激磁电流的计算和谐波分析方法。     

基于改进粒子群算法的固态变压器在电网中的配置研究

作为能源互联网的关键电气设备之一,固态变压器在可再生能源的消纳、电力灵活变换中发挥着重要作用。该文提出在系统中配置固态变压器来解决因大规模分布式电源并网造成的输电线路过载和电压过低问题。在此基础上,采用一种改进粒子群算法对固态变压器的安装位置和容量大小进行优化。最后,在一个4机12节点系统中验证了配置固态变压器能够提升新能源渗透率较高的电网的稳定性和粒子群算法解决固态变压器配置问题的有效性。     

Parameter Estimation for Power Transformer Models from Time-Domain Data

The existence of power system harmonics has been realized for many years. With the advent of new technologies and more solid state loads, power system harmonics are certain to increase both in amplitude and frequency bandwidth. Signal propagation in power systems depends on transformer impedances. Transformer impedances, on the other hand, are functions of signal frequency as well as input voltage and loading condition. Present power transformer models with single-valued parameters obtained from tests cannot adequately represent the transformer in the presence of harmonics. Accurate modeling of transformers must account for changes in signal frequencies and loading conditions as they occur. This paper presents algorithms for estimation of the parameters of a structurally known transformer model. These algorithms use time-domain data and continuously update the estimates, thereby accounting for changes in operating conditions. The techniques presented here can be applied to three-phase and single-phase N-winding transformers. The results of model identification for a single-phase two-winding transformer is given. The data acquisition system used and the problem of identification in a noisy environment are discussed. The simulated response of the identified model is compared with the transformer actual response.     

Multiturn high-frequency coaxial winding power transformers

Previous papers on coaxial winding transformers have focused on designs that use a copper tube to form a single-turn outer winding, and litz wire for a multiple-turn inner winding. In high-power applications, the increased resistance of a solid outer winding due to skin effects can be a limiting factor in achieving good performance, especially at frequencies above several hundred kilohertz. A single-turn outer winding leads to large core cross section areas at lower frequencies and the turns ratio is limited to a ratio of n:1, where n is an integer. This paper demonstrates several methods for achieving multiturn outer windings to improve design flexibility for the coaxial winding power transformer. Experimental measurements on transformers that have multiturn outer windings are included to confirm analytical results and demonstrate the modified designs     

A unity-power-factor three-phase PWM SCR rectifier for high-power applications in the metal industry

A new thyristor current-source rectifier that achieves unity power factor, low-current total harmonic distortion (THD), and DC-bus current and voltage control is presented. The rectifier is suitable for high-power applications such as induction heating and DC arc furnaces. It combines a traditional six-pulse thyristor bridge and a DC chopper that together solve power quality problems such as poor power factor and flicker generation. This topology achieves low input current THD and DC power control without additional power-factor-correction equipment, harmonic trap filters, use of multiple pulse rectifiers or high-K-factor transformers.     

中频电源中微处理器的抗干扰措施

由于中频电源内部及其周围存在大量谐波和电磁干扰,常使其无法正常工作。首先介绍了中频电源的应用及存在的问题;然后为了提高中频电源中微处理器的抗干扰能力,分别从干扰源的抑制、干扰源的隔离、干扰的削减以及自身抗干扰能力的提高4个方面进行抗干扰设计;最后采用 MATLAB 仿真软件建立了12脉波整流器的仿真模型,通过在电源侧是否加入 RLC 串联滤波器进行仿真分析,以此来验证该滤波器的设计是否具有合理性。仿真结果表明,在电源侧加入 RLC 串联滤波器可以有效抑制谐波。