[发明专利]大容量高频电力变压器分析方法及装置

说明书

技术领域

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

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(10kHz)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。

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究阶段，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。

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CD、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。

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

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。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。

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。

在所述磁机理模型中，

励磁电感由恒定磁场能量确定：

其中W_m为一次绕组施加电流i₁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：

W_m-leakage为一、二次绕组分别施加电流i₁、i₂且保持安匝平衡时，变压器储存的磁场能量；

一次绕组内阻抗Z_s1＝F_rR₀₁+jωL₀₁，

其中，F_r为导线与频率相关的交流电阻系数，

R₀₁为一次绕组的直流电阻，

L₀₁为一次绕组的内电感，