基于寄生参数效应分析的高频变压器传输特性优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力系统分析技术领域，特别是设及一种基于寄生参数效应分析的高 频变压器传输特性优化方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着大规模离岸风电场和光伏发电等新型直流源并网需求的增长，W及 半导体照明系统等直流负荷的增加，电力系统对直流母线互联的需求日益增长，在此基础 上提出了建立直流电网的构想。含磁禪合高频变压器的大容量DC-DC变换器可W实现直流 电能的大规模传输和灵活控制，是发展直流电网的关键装备。其中，大容量高频变压器可W 有效实现系统的电气隔离与电压等级变换，因而获得了广泛关注。
[0003] 与传统的50/60化工频电力变压器相比，高频电力变压器的工作频率达到几十甚 至上百千赫兹，可W显著减小变压器的体积和重量。然而，在高频下与变压器结构、尺寸密 切相关的寄生参数会对变压器的电压电流波形、自然谐振频率、传输特性等产生显著影响。 而且，合理控制变压器寄生参数对于实现变换器的零电压/电流开关，W及保持变换器的 稳定运行十分重要。因此寄生参数已经成为高频变压器研究的关键问题。现有的变压器寄 生参数分析方法通常聚焦于寄生参数提取方法，W及变压器内部结构和寄生参数间关联关 系的研究。然而，如何在此基础上准确有效的分析寄生参数对高频变压器外特性的影响机 理，并通过优化设计改善高频变压器外特性，目前还缺乏相关研究。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提出基于寄生参数效应分析的高频变压器传输特性优 化方法，其特征在于： 阳〇化]步骤1、建立大容量高频变压器磁特性模型和电容模型，获取磁特性模型和电容模 型的相关参数，包括：一次绕组电阻氏1，二次绕组电阻氏2,磁忍损耗等效电阻Rm，一次侧励 磁电感Lm，二次侧漏感L,，理想变压器变比n，一次绕组对地电容。，二次绕组对地电容C2， 一二次绕组间电容C3;通过电路分析得到磁特性模型的Y参数矩阵Ym和电容模型的Y参数 矩阵Y。；
[0006] 步骤2、建立大容量高频变压器模型，该模型由磁特性模型和电容模型通过外部端 子并联得到，将磁特性模型的Y参数矩阵Ym和电容模型的Y参数矩阵Y。相加，即获得高频 变压器模型的Y参数矩阵Yg，并在此基础上得到二次侧开路时的电压传输函数H。的数学表 达式和二次侧短路时的电流传输函数Hi的数学表达式；
[0007] 步骤3、根据步骤2中的二次侧开路时的电压传输函数H。的数学表达式和二次侧 短路时的电流传输函数Hi的数学表达式得到：当二次侧为高压绕组时，二次侧开路时的电 压传输极值频率f。、二次侧短路时的电流传输极值频率和电压传输函数H。与电流传输 函数Hi的共同零点频率f。，通过比较fu、f郝f。的大小得到f。为传输特性零极点频率的最 小值，即fu=min{f。，f。，fj;当二次侧为低压绕组时，二次侧开路时的电压传输极值频率 f'u、二次侧短路时的电流传输极值频率f' 1和电压传输函数H。与电流传输函数Hi的共 同零点频率f'。，通过比较f' "，f'。和f' 1的大小得到f' 1为传输特性零极点频率的 最小值，即f'i=min{f' 。，:f'。，f' ;对于同一台高频变压器，f。与f'i相等；
[0008] 步骤4、通过分析高频变压器的寄生参数对大容量高频变压器传输特性的影响机 理发现：当二次侧为高压绕组时，为保证高频变压器具有良好的传输特性，需使二次侧开路 时的电压传输极值频率f。远大于高频变压器的工作频率fWW，当二次侧为低压绕组时，为 保证高频变压器具有良好的传输特性，需使二次侧短路时的电流传输极值频率f' 1远大于 高频变压器的工作频率fwM;
[0009] 步骤5、采用明治"绕组结构减小高频变压器的二次侧漏感L郝通过添加静电 屏蔽层减小高频变压器的寄生电容的方法，提高二次侧为高压绕组时的二次侧开路时的电 压传输极值频率f。或二次侧为低压时的二次侧短路时的电流传输极值频率f' 1，从而改善 高频变压器的传输特性。
[0010] 所述步骤1中磁特性模型的Y参数矩阵Ym为
[0011]
[0012] 式中j表示虚数单位，《表示工作角频率。
[0013] 所述步骤1中电容模型的Y参数矩阵Y。为
[0014]
[0015] 所述步骤2中高频变压器模型的Y参数矩阵Yg为
[0016]
[0017] 所述步骤2中二次侧开路时的电压传输函数H。的数学表达式为
[0018]
[0019] 二次侧短路时的电流传输函数Hi的数学表达式为
[0020]
阳021] 式中ii表示一次侧电流，i2表示二次侧电流，U1表示一次侧电压，U2表示二次侧 电压。
[0022] 所述步骤3中二次侧为高压绕组时，二次侧开路时的电压传输极值频率f。的数学 表达式为
[0023]
[0024] 二次侧短路时的电流传输极值频率fi的数学表达式为 阳0巧]
[0026] 二次侧开路时的电压传输函数H。与二次侧短路时的电流传输函数H1的共同零点 频率f。的数学表达式为
[0027]
[0028] 所述步骤3中二次侧为低压绕组时，二次侧开路时的电压传输极值频率f'。的数 学表达式为
[0029]
[0030] 二次侧短路时的电流传输极值频率f' 1的数学表达式为
[0031]
[0032] 二次侧开路时的电压传输函数H。与二次侧短路时的电流传输函数H1的共同零点 频率f'。的数学表达式为
[0033]
[0034] 所述步骤4中当二次侧为高压绕组时，若使高频变压器的变比偏移率5控制在 5%W内，二次侧开路时的电压传输极值频率f。至少要大于4. 6倍的高频变压器工作频率 fww，若使高频变压器的变比偏移率5控制在1 %W内，二次侧开路时的电压传输极值频率 f。至少要大于10倍的高频变压器工作频率fwM。
[0035] 所述步骤4中当二次侧为低压绕组时，若使高频变压器的变比偏移率5控制在 5%W内，二次侧短路时的电流传输极值频率f' 1至少要大于4. 6倍的高频变压器工作频 率fwM，若使高频变压器的变比偏移率5控制在1 %W内，二次侧短路时的电流传输极值频 率f' 1至少要大于10倍的高频变压器工作频率fWM。
[0036] 所述寄生参数包括漏电感与寄生电容，所述漏电感包括归算到二次侧的漏感Lg; 所述寄生电容包括一次绕组对地电容。，二次绕组对地电容C2,一二次绕组间电容C3。
[0037] 所述明治"绕组结构指的是将变压器低压绕组分为内、外两部分，将高压绕组 夹在中间绕制或是将变压器高压绕组分为内、外两部分，将低压绕组夹在中间绕制的结构。
[0038] 所述静电屏蔽层采用铜锥或密绕铜线，放置在一二侧绕组之间W降低绕组间的静 电禪合；屏蔽层一端接地，否则具有悬浮电位的屏蔽层会导致局部对地放电；为了满足安 全的绝缘距离，屏蔽层紧贴低压绕组，远离高压绕组。
[0039] 本发明的有益效果：
[0040] 本发明方法通过严格理论推导结合实验仿真，验证了寄生参数对变压器传输特性 影响机理分析的正确性，通过优化变压器结构，对漏感和寄生电容进行控制，有效改善高频 变压器的传输特性。
【附图说明】
[0041] 图1为大容量高频变压器宽频模型图；
[0042] 图2为高频变压器原型机内部结构图；
[00创图3为阻抗测量（实线）和仿真（虚线）结果：(a)高压开路阻抗高压短 路阻抗Zk。；
[0044] 图4为高压侧开路时变压器电压传输特性实验（*)与仿真（实线）结果；
[0045] 图5为不同的绕组绕制方法磁场分布比较图； 阳046] 图6为在高低压绕组间添加静电屏蔽层示意图；
[0047] 图7为控制寄生参数之前（实线）和之后（虚线）变压器电压传输特性比较图。
[0048] 图8是基于寄生参数效应机理分析的大容量高频变压器传输特性优化方法流程 图
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图，对实施例作详细说明。
[0050] 一种基于寄生参数效应机理分析的大容量高频变压器传输特性优化方法，图8是 基于寄生参数效应机理分析的大