大容量高频电力变压器分析方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统分析技术领域，特别是涉及到电力系统中的高频电力变压器 分析技术。
【背景技术】
[0002] 随着大规模离岸风电场和太阳能发电、燃料电池等新型直流源并网需求的增长， 建立直流电网的构想获得了广泛关注。含有高频电力变压器的大功率DC-DC变换器可以在 实现大规模直流传输和灵活控制的同时，保证两侧电气隔离，是发展直流电网的关键装备。 高频电力变压器是工作频率超过中频（IOkHz)的固态变压器，主要用于高压DC-DC变换器 中作隔离或升/降压变压器，也有用于高频开关电源中作高频开关电源变压器，以及用于 高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器。而普通电力变压器是一种低频的 电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同 的电压（电流）的设备。
[0003] 提高工作频率可以显著减小高频电力变压器的体积和重量。然而，目前应用于 DC-DC变换器的高频电力变压器尚处在实验室研宄阶段，变压器容量也远无法满足直流电 网兆瓦级应用需求。尽管多个高频电力变压器串并联组合的策略可以满足功率要求，但在 现有技术条件下缺乏可靠性。因此，提高单台高频电力变压器的容量和电压等级很有必要。
[0004] 图1是一种大容量高频电力变压器的示意图，其包括一次绕组AB、二次绕组⑶、磁 芯和油箱，磁芯和油箱通过夹具相连并接地。随着容量和电压等级的提高，高频电力变压器 需采用油浸式绝缘，以在兆瓦级应用领域保证足够的绝缘强度。为提高高频电力变压器的 功率密度、进一步减小变压器体积，纳米晶合金、非晶合金等在高频下具有低损耗密度和高 饱和磁密的磁性材料常被用来作为变压器磁芯。与小容量高频变压器常用的铁氧体磁芯不 同，这种磁芯的电阻率仅有铜的100倍左右，因此是一种导体。
[0005] 随着工作频率的提高，与大容量高频电力变压器内部结构密切相关的分布电容不 能忽略，并且成为影响变压器正常工作特性以及与两端电力电子装置间相互作用的主要因 素。大容量高压高频电力变压器综合模型可以通过电阻、电感和电容参数在变压器内部结 构和外特性间建立关联，对于发展大容量高压高频电力变压器的电磁设计方法、分析变压 器外特性有着重要意义。然而传统的普通电力变压器的分析方法由于没有考虑电容效应而 不再适用。现有技术中高频变压器模型通常针对小容量的高频变压器而设计，仅考虑了变 压器绕组的电容效应，但无法考虑绕组、磁芯与油箱间的电容效应，因此与实际的大容量高 频电力变压器的实际情况相差甚远。
【发明内容】
[0006] 鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种有效的大容量高频电 力变压器分析方法及装置，该大容量高频电力变压器分析方法及装置能够同时考虑宽频 状况下的磁机理和电容机理，综合反映大容量高频电力变压器不同负载条件下的宽频外特 性。
[0007] 为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
[0008] -种大容量高频电力变压器分析方法，所述方法包括以下步骤：
[0009] A、建立磁机理模型，所述磁机理模型包括并联到一次绕组的励磁电感和磁芯等效 损耗电阻、串联在二次绕组的漏电感、分别串联在一次绕组和二次绕组的一次绕组内阻抗 和二次绕组内阻抗和一理想变压器；
[0010] B、建立电容机理模型，所述电容机理模型包括并联在一次绕组端子之间的一次绕 组自电容、并联在二次绕组端子间的二次绕组自电容、连接在一次绕组端子与二次绕组端 子间的一次与二次绕组间电容、连接在一次绕组端子与磁芯间的一次绕组与磁芯、油箱间 电容、连接在二次绕组端子与磁芯间的二次绕组与磁芯、油箱间电容；
[0011] C、通过绕组端子并联磁机理模型和电容机理模型，作为综合模型；
[0012] D、在空载、短路或负载条件下利用所述综合模型进行分析。
[0013] 在所述磁机理模型中，
【主权项】
1. 一种大容量高频电力变压器分析方法，所述方法包括以下步骤： A、 建立磁机理模型，所述磁机理模型包括并联到一次绕组的励磁电感和磁芯等效损耗 电阻、串联在二次绕组的漏电感、分别串联在一次绕组和二次绕组的一次绕组内阻抗和二 次绕组内阻抗和一理想变压器； B、 建立电容机理模型，所述电容机理模型包括并联在一次绕组端子之间的一次绕组自 电容、并联在二次绕组端子间的二次绕组自电容、连接在一次绕组端子与二次绕组端子间 的一次与二次绕组间电容、连接在一次绕组端子与磁芯间的一次绕组与磁芯、油箱间电容、 连接在二次绕组端子与磁芯间的二次绕组与磁芯、油箱间电容； C、 通过绕组端子并联磁机理模型和电容机理模型，作为综合模型； D、 在空载、短路或负载条件下利用所述综合模型进行分析。
2. 根据权利要求1中所述的大容量高频电力变压器分析方法，其特征在于，所述磁机 理模型中， 励磁电感由恒定磁场能量确定
其中Wni为一次绕组施加电流i i激励、二次绕组开路时大容量高频电力变压器储存的磁 场能量； 漏电感由安匝平衡时漏磁场能量确定
Wnrieakage为一、二次绕组分别施加电流i i、i2且保持安匝平衡时，大容量高频电力变压器 储存的磁场能量； 一次绕组内阻抗Zsl = F Jcil+j ω L01， 其中，^为导线与频率相关的交流电阻系数， Rtll为一次绕组的直流电阻， LqiS-次绕组的内电感， 二次绕组内阻抗Zs2 = F凡2+j ω Ltl2， 其中Rtl2为二次绕组的直流电阻， 1^2为二次绕组的内电感， 磁芯损耗等效电阻Rm由变压器开路阻抗特性在第一个谐振点处的模值确定， 且所述理想变压器变比为, 其中k为耦合系数，LdP L2为一次和二次绕组自感。
3. 根据权利要求2中所述的大容量高频电力变压器分析方法，其特征在于，通过有限 元方法确定磁场能量，以获得励磁电感和漏电感的数值。
4. 根据权利要求1中所述的大容量高频电力变压器分析方法，其特征在于，确定电容 机理模型的步骤为： B1、给变压器电容机理模型某端口施加以激励电压，并保持其他端口开路，确定各种情 况下变压器静电能量； B2、给变压器电容机理模型两个端口施加以激励电压，并保持其他端口开路，确定各种 情况下变压器静电能量； B3、根据步骤B1、B2中的各种情况下的变压器静电能量，确定一次绕组自电容、二次绕 组自电容、一次与二次绕组间电容、一次绕组与磁芯、油箱间电容和二次绕组与磁芯、油箱 间电容。
5. 根据权利要求4中所述的大容量高频电力变压器分析方法，其特征在于，通过有限 元方法确定步骤Bl和B2中的各种情况下的变压器静电能量。
6. 根据权利要求4中所述的大容量高频电力变压器分析方法，其特征在于， 步骤Bl中，确定变压器静电能量为F |Kn = K，i = 1，2, 3, 4 ; 步骤B2中，确定变压器静电能量为叫〇%+% + %，i，j = 1，2,3,4, i乒j ; 步骤B3中，根据以下关系确定各电容：
W12= -C4U1U2, W13= (C 4+C6+C7)u1u3, W14= -(C^C6)U1U4, W23= -(C4+C5)u2u3, W24= (C4+C5+C8) U2U4， W34= - (C 3+C4+C5+C6) U3U4， 其中Ul、U2、113和U 4分别为施加在各个端口上的激励电压； 电容C1为一次绕组自电容，电容C 2为二次绕组自电容； 电容C3, C4, C5, C6为一次与二次绕组间电容， 电容(：7和C 8为一次绕组与磁芯、油箱间电容， 电容(：9和C 1(|为二次绕组与磁芯、油箱间电容。
7. -种大容量高频电力变压器分析装置，所述装置包括磁机理模型建立单元、电容机 理模型建立单元、综合模型建立单元和分析单元，其中， 磁机理模型建立单元用于建立磁机理模型，所述磁机理模型包括并联到一次绕组的励 磁电感和磁芯损耗等效电阻、串联在二次绕组的漏电感、分别串联在一次绕组和二次绕组 的一次绕组内阻抗和二次绕组内阻抗和一理想变压器； 电容机理模型建立单元用于建立电容机理模型，所述电容机理模型包括并联在一次绕 组端子之间的一次绕组自电容、并联在二次绕组端子间的二次绕组自电容、连接在一次绕 组端子与二次绕组端子间的一次与二次绕组间电容、连接在一次绕组端子与磁芯间的一次 绕组与磁芯、油箱间电容、连接在二次绕组端子与磁芯间的二次绕组与磁芯、油箱间电容； 综合模型建立单元用于通过绕组端子并联磁机理模型和电容机理模型，作为综合模 型； 分析单元用于在空载、短路或负载条件下利用所述综合模型进行分析。
【专利摘要】一种大容量高频电力变压器分析方法及装置，所述方法包括：A、建立磁机理模型，所述磁机理模型包括励磁电感、漏电感、一次绕组内阻抗、二次绕组内阻抗、磁芯损耗等效电阻和一理想变压器；B、建立电容机理模型，所述电容机理模型包括一次绕组自电容、二次绕组自电容、一次与二次绕组间电容、一次绕组与磁芯、油箱间电容、二次绕组与磁芯、油箱间电容；C、通过绕组端子并联磁机理模型和电容机理模型，作为综合模型；D、在空载、短路或负载条件下利用所述综合模型进行分析。通过本发明的大容量高频电力变压器分析方法及装置，可以充分考虑大容量高频电力变压器内部的磁效应与电容效应，为大容量高频电力变压器电磁分析与设计提供了有效的依据。
【IPC分类】G01R31-00
【公开号】CN104764964
【申请号】CN201510191205
【发明人】刘晨, 齐磊, 崔翔, 沈致远, 魏晓光
【申请人】华北电力大学, 国网智能电网研究院, 国网浙江省电力公司
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月21日