一种面向大功率高压高频变压器的多层级主动调控方法

1.本发明属于电力电子系统调控技术领域，具体涉及一种面向大功率高压高频变压器的多层级主动调控方法。


背景技术：

2.近年来，随着大功率高压高频开关器件和大尺寸纳米晶等高性能软磁材料的长足发展，大功率高压高频电能变换的应用日趋广泛。作为电磁耦合环节的核心元件，大功率高压高频变压器是研制固态变压器等装备的重要基础。
3.h3t(大功率高压高频变压器)的基本部件、总体设计与运行性能是相互耦合又相互牵制的，现有设计和调控方法缺乏全链式综合考量，严重阻碍了h3t综合性能提升以及大规模工程应用。此外，在h3t总体设计时未考虑运行过程中变换器可主动调控变压器性能，从而可以放宽对h3t的设计约束。因此，有必要重构h3t优化设计思路。在变压器运行控制方面，目前变压器与变换器之间的互动基本只局限于两者一体化设计阶段，如考虑变换器工作范围、效率等指标设计变压器漏感等参数，在运行过程中则仅把变压器当成一个功率传输的功能单元。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种面向大功率高压高频变压器的多层级主动调控方法，突破h3t绝缘介质特性、参数建模设计、运行主动调控的界限，充分发挥变换器系统的灵活调控能力。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种面向大功率高压高频变压器的多层级主动调控方法，所述调控方法包括以下步骤：
7.步骤一、基于h3t与变换器系统运行性能的综合评价方法，利用变换器的调节能力扩展h3t的设计极限；
8.步骤二、将h3t和变换器全链考量，在器件、模块、系统三个层级的协作调控下，优化h3t和变换器系统的综合性能。
9.进一步的，所述综合评价方法包括以下步骤：
10.s1、基于磁芯损耗、绕组损耗以及耐电特性的工况建模，建立dv/dt、频率、幅值、占空比、传输功率与h3t绝缘介质特性、端口特性的关系映射；
11.s2、基于电路拓扑类型以及控制策略类型，依据不同波形dv/dt对h3t绝缘的影响，得出h3t的绝缘及调控约束下的设计约束域；
12.s3、确定设计与约束域的固定参数和可调参数；
13.s4、结合磁芯损耗、绕组损耗和绝缘特性的精确计算模型，以h3t的功率密度、效率和成本为优化目标，使用带精英策略的非支配排序多目标优化遗传算法筛选出最优的h3t设计方案。
14.进一步的，所述s1中磁芯损耗建模是依据kh(f)、b(f)、ke(f)、ka(f)四个损耗因子和材料应力的关系建立的；所述绕组损耗建模是通过将利兹线绞绕的换位过程等效为不同位置阻抗的平均值获得利兹线等效电路，进而求得利兹线每股电流，再通过将磁场的空间、时间平均值求得每股损耗得到的；所述耐电特性建模是通过电气变量对h3t的绝缘耐电特性形成多参数函数集得到的。
15.进一步的，述步骤二中对于器件层级的主动调控，首先将变换器选取振荡电压幅值作为h3t端口特性参数化表征项，采用局放放电幅值与放电次数、介电损耗表征h3t绝缘介质特性；然后建立以振荡电压幅值、介电损耗与开关损耗作为优化目标项的综合评价模型，以局放起始电压作为dv/dt约束项；其次依据具体运行场景、参数要求以及h3t中的绝缘特性与端口特性，确定待优化变换器拓扑与有源/无源缓冲电路集合，并以此得出变换器电压、功率、频率条件的约束范围；再其次结合局放约束，得到优化目标项的分布范围，并使用熵权法建立优化目标函数，选取多个稳态工作点，并确定各工作点的加权因子，建立面向全功率、宽电压运行范围的h3t绝缘性能、端口特性与开关损耗评价函数aim＝f(dv/dt)；最后对综合评价函数进行进化降阶，提升dv/dt实时优化速度，构建基于栅极驱动主动控制技术的器件级主动调控方案，对h3t与变换器实时运行状态量进行检测，实现对dv/dt参数的实时优化。
16.进一步的，所述步骤二中对于模块层级的主动调控，首先根据运行工况中的端口电压、传输功率范围，根据开关频率、幅值、占空比参数的调节范围与耦合关系，建立综合评价模型中的控制变量约束条件；然后根据不同温度下的h3t绝缘介质局放、击穿特性关系与变换器控制变量的测量结果与关系映射模型，得到涉及h3t绝缘/可靠性的变换器控制变量约束条件，根据变换器中元器件的安全运行要求，得到模块级综合评价模型中的约束条件集；其次基于变换器电气参量与h3t的状态量实时检测结果，对模块级控制变量优化结果查表，得到控制变量优化结果；最后由系统级上位机中对h3t当前特性进行观测，并根据观测结果修改综合评价模型中的相关参数，更新变量优化结果表。
17.进一步的，所述步骤二中对于系统层级的主动调控，首先基于实际测量结果与模块级综合评价模型，建立功率变换模块总损耗与模块传输功率的关系模型，作为h3t综合评价模型中的优化目标函数；然后根据h3t绝缘介质局放/击穿特性关系模型，与多模块功率变换系统中的端口电压、传输功率等运行要求，建立多h3t综合评价模型中的约束条件集；最后根据h3t状态采集与观测实时反馈结果决定优化层级，基于器件级dv/dt、模块级波形变量与系统级功率分配优化策略，实现对应物理层的闭环优化调控，同时基于调控效果反馈，决策层对优化模型中的可变因子进行调节。
18.本发明的有益效果：
19.本发明提供的调控方法，突破了h3t绝缘介质特性、参数建模设计以及运行主动调控的界限，充分发挥变换器系统的灵活调控能力，对于保障大功率高压高频电能变换装备高效可靠运行、促进国民经济和国防科技稳步发展具有重要意义。
20.本发明通过将变换器系统和h3t视作有机整体，使用主动调控带来的更灵活的约束边界条件优化设计h3t；通过实时评价h3t及变换器系统的运行状态，在器件-模块-系统多层级主动调控电气变量，实现h3t绝缘耐电特性、端口特性、损耗特性以及相应变换器系统的优化和提升。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明的内容框图；
23.图2为h3t多目标优化设计流程图；
24.图3为器件-模块-系统多层级协作主动调控方案图；
25.图4为器件-模块-系统多层级决策流程图；
26.图5为局部放电主动调控过程示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
28.一种面向大功率高压高频变压器的多层级主动调控方法，如图1所示，包括以下步骤；
29.步骤一、基于h3t与变换器系统运行性能的综合评价方法，利用变换器的调节能力扩展h3t的设计极限；
30.步骤二、将h3t和变换器全链考量，在器件、模块、系统三个层级的协作调控下，优化h3t和变换器系统的综合性能。
31.如图2所示，综合评价的方法步骤又包括：
32.s1、基于磁芯损耗、绕组损耗以及耐电特性的工况建模，建立dv/dt、频率、幅值、占空比、传输功率与h3t绝缘介质特性、端口特性的关系映射。在磁芯损耗建模方面，考虑实际工况中灌封导致的材料应力对磁芯性能的影响，以kh(f)、b(f)、ke(f)、ka(f)四个损耗因子和材料应力的关系来建立；在绕组损耗方面是通过将利兹线绞绕的换位过程等效为不同位置阻抗的平均值获得利兹线等效电路，进而求得利兹线每股电流，再通过将磁场的空间、时间平均值求得每股损耗得到的；在耐电特性方面，将电压频率、波形、幅值、上升/下降率、占空比等电气变量对h3t的绝缘耐电特性形成多参数函数集；综合以上方面，建立h3t与变换器系统互相联系的敏感参数体系。
33.s2、基于电路拓扑类型(谐振型/非谐振型)以及控制策略类型(调频类/移相类)，依据不同波形dv/dt对h3t绝缘的影响，得出h3t的绝缘及调控约束下的设计约束域。
34.s3、确定设计与约束域的固定参数(磁芯特性等)和可调参数(绝缘距离、磁密等)。
35.s4、结合磁芯损耗、绕组损耗、杂散参数和绝缘特性的精确计算模型，以h3t的功率密度、效率和成本为优化目标，使用带精英策略的非支配排序多目标优化遗传算法筛选出最优的h3t设计方案。
36.如图3所示，在器件、模块、系统三个层级协作调控，提高h3t和变换器系统的综合性能。其中对于器件级层面的主动调控，首先将变换器选取振荡电压幅值作为h3t端口特性参数化表征项，采用局放放电幅值与放电次数、介电损耗表征h3t绝缘介质特性；然后建立
以振荡电压幅值、介电损耗与开关损耗作为优化目标项的综合评价模型，以局放起始电压作为dv/dt约束项；其次依据具体运行场景、参数要求、h3t中的绝缘特性与端口特性，确定待优化变换器拓扑与有源/无源缓冲电路集合，并以此得出变换器电压、功率、频率等条件约束范围；在其次结合局放约束，得到优化目标项的分布范围，并使用熵权法建立优化目标函数，进一步地，选取多个稳态工作点(含最优与最恶劣的工况)并确定各工作点的加权因子，建立面向全功率、宽电压运行范围的h3t绝缘性能、端口特性与开关损耗评价函数aim＝f(dv/dt)；最后对综合评价函数进行进化降阶，提升dv/dt实时优化速度，构建基于栅极驱动主动控制技术的器件级主动调控方案，对h3t与变换器实时运行状态量(包含端口电压、电流、工作温度、局部幅值)进行检测，实现对dv/dt参数的实时优化。
37.对于模块级层面的主动调控，首先根据运行工况中的端口电压、传输功率范围，根据开关频率、幅值、占空比等参数的调节范围与耦合关系，建立综合评价模型中的控制变量约束条件；然后根据不同温度下的h3t绝缘介质局放、击穿特性关系与变换器控制变量的测量结果与关系映射模型，得到涉及h3t绝缘/可靠性的变换器控制变量约束条件，根据变换器中开关器件等元器件安全运行要求，得到模块级综合评价模型中的约束条件集；其次基于变换器电气参量与h3t局放/温度等状态量实时检测结果，对模块级控制变量优化结果查表，得到控制变量优化结果；最后由系统级上位机中对h3t当前特性进行观测，并根据观测结果修改综合评价模型中的相关参数，更新变量优化结果表。
38.对于系统级层面的主动调控，首先基于实际测量结果与模块级综合评价模型，建立功率变换模块总损耗与模块传输功率的关系模型，作为h3t综合评价模型中的优化目标函数；然后根据h3t绝缘介质局放/击穿特性关系模型，与多模块功率变换系统中的端口电压、传输功率等运行要求，建立多h3t综合评价模型中的约束条件集；最后根据h3t状态采集与观测实时反馈结果决定优化层级，基于器件级dv/dt、模块级波形变量与系统级功率分配优化策略，实现对应物理层的闭环优化调控，同时基于调控效果反馈，决策层对优化模型中的可变因子调节。
39.现以局部放电主动调控为例对本发明的调控方法进行说明，基本决策流程如图4所示，
40.设定初始运行工况频率5khz，电压幅值2.6kv，温度40℃；
41.根据测量结果，局放起始电压值为2.8kv，因此不会放电；
42.当发生异常温升，30分钟后温度上升至100℃，此时局放起始电压下降至2.56kv，低于运行电压，检测到局部放电信号；
43.局部放电发生初始时刻，放电较为微弱，暂时不必进行主动调控干预；
44.运行30分钟后温度上升至140℃，由放电重复率和累积放电幅值可知，放电强度剧烈上升，达到预警值；
45.60分钟时主动调控介入，依据图3所示构架进行器件-模块-系统多层级主动调控，首先以振荡电压幅值为表征项，介电损耗与开关损耗为优化目标项，对器件dv/dt进行调控；
46.若器件级dv/dt达到约束上限，则在模块级以磁芯/绕组/介质损耗作为优化目标函数，调节开关频率、幅值、占空比参数；
47.若模块级达到约束上限，则在系统级以模块总损耗为优化目标函数，调节多个模
块的传输功率；
48.此后运行温度继续下降至40℃，继续减小运行电压至局放熄灭电压以内，可使放电熄灭，稳定15分钟后恢复至初始运行状态，放电亦不再发生，调控流程如附图5所示。
49.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
50.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。