[发明专利]一种高频大功率三相变压器设计方法

说明书

一种高频大功率三相变压器设计方法，推导出绕组电流isubgt;LA/subgt;的有效值表达式Isubgt;LA(rms)/subgt;；采用基波分析方法，推导出绕组电流isubgt;LA/subgt;各阶次谐波电流分量幅值的表达式；推导出六阶梯电压激励下，铁芯高频损耗Psubgt;c/subgt;、扁铜线的原、副边绕组高频损耗表达式Psubgt;wp/subgt;、Psubgt;ws/subgt;；推导出采用扁铜线的高频变压器的漏电感Lsubgt;σ(pri)/subgt;表达式；确定高频三相变压器系统参数；建立以效率η和功率密度Psubgt;s/subgt;为优化目标，以最大允许温升、绝缘水平、漏电感参数为约束条件，以扫描参数为自变量的多目标优化数学模型，通过自由参数扫描法实现变压器设计。该方法可以精确控制扁铜线绕组的漏电感参数，提高变压器的功率密度和效率，降低了优化设计所需要的计算量和计算时间。

技术领域

本发明属于高频变压器设计领域，具体涉及一种高频大功率三相变压器设计方法。

背景技术

固态变压器的直流变换级通常分为非隔离型和隔离型。尽管基于全电力电子器件的非隔离型DC/DC变换器实现了大功率直流的双向流动，但无法实现电气隔离。为解决上述问题，含磁耦合高频变压器的隔离型DC/DC变换器得到了广泛关注。目前，适用于大功率传输且满足功率双向自由流动的单相或三相隔离型双有源全桥(Dual Active Bridge,DAB)DC/DC变换器已经被应用于固态变压器的直流变换级，采用单相或三相高频变压器实现电气隔离，增加系统可靠性。相比于单相DC/DC变换器拓扑结构，三相DC/DC变换器更具优势。其不仅可以大幅减少高频变压器、开关器件、通信系统和辅助电源等元件的数量，降低固态变压器的体积、重量和成本，还可以减少用于滤除直流电流纹波的电容值，降低环流功率，提高固态变压器的效率和功率密度。针对高压大功率三相DC/DC变压器的相关研究既有重要的科学意义和应用价值，又具有良好的成果应用前景。

近年来国内外科研机构针对单相DC/DC变换器中的高频大功率单相变压器的结构设计进行了大量研究，并已取得了丰富的成果。但是，高频大功率三相变压器铁心拓扑结构、绕组联接方式、工作模态等与以往不同，内部电磁效应更加复杂，不能直接采用现有铁心损耗、绕组损耗、温升的理论公式、设计方法等来完成高频大功率三相变压器的优化设计。尽管国内外关于三相DC/DC变换器的研究工作较多，但是大多数研究都集中在变换器的控制策略和拓扑结构。

例如，2012年佛罗里达州立大学李慧等提出一种电流型三相DC/DC变换器，高频三相变压器采用的Y-Y型联接方式相比于其它联接方式具有更好的均流能力；2020年亚琛工业大学胡景新等提出的双侧单相移相运行方式可以在负载突变甚至瞬时潮流逆转时消除直流偏磁。目前，可以查阅到的关于高频大功率三相变压器设计方法的文献数量很少。2010年北卡罗来纳州立大学分别为两类固态变压器拓扑结构设计了高频三相变压器，采用五柱铁心结构解决了不平衡电压产生的谐波磁通和杂散磁通问题。2018年三菱电机和亚琛工业大学共同研制了一台壳式高频大功率三相变压器试验模型，额定参数为：1.55kHz，200kW，1kV/1kV，铁心材料选择Vitroperm500F纳米晶切割铁心，绕组导线选择了承载电流密度为1.7A/mm2的利兹线。在逆变侧的三相绕组端口处增加辅助电感元件以实现开关管的软开关，辅助电感损耗为总损耗的20％。2019年亚琛工业大学胡景新等提出了一种基于最大输出功率点跟踪策略的三相DC/DC变换器，以集成大规模光伏发电到中压直流电网。通过综合考虑光伏电池板的电气特性和三相DC/DC变换器的零电压开关特性，对高频三相变压器的漏电感和匝数比进行合理设计来形成软开关区域，以匹配光伏电场的工作区域，从而获得更高的效率。高频三相变压器试验模型的铁心拓扑结构为三相五柱式，额定参数为：20kHz，1.38kW，54V/380V，铁心为铁氧体，绕组选择利兹线，关于高频三相变压器的设计方法及实现没有详细报道。

故，针对固态变压器拓扑结构，提出高频大功率三相变压器的设计理论，对于我国智能配电网的发展和大规模分布式可再生能源并网有重要的意义。

发明内容