大容量高頻電力變壓器分析方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力系統分析技術領域，特別是涉及到電力系統中的高頻電力變壓器 分析技術。
【背景技術】
[0002] 隨著大規模離岸風電場和太陽能發電、燃料電池等新型直流源并網需求的增長， 建立直流電網的構想獲得了廣泛關注。含有高頻電力變壓器的大功率DC-DC變換器可以在 實現大規模直流傳輸和靈活控制的同時，保證兩側電氣隔離，是發展直流電網的關鍵裝備。 高頻電力變壓器是工作頻率超過中頻（IOkHz)的固態變壓器，主要用于高壓DC-DC變換器 中作隔離或升/降壓變壓器，也有用于高頻開關電源中作高頻開關電源變壓器，以及用于 高頻逆變電源和高頻逆變焊機中作高頻逆變電源變壓器。而普通電力變壓器是一種低頻的 電氣設備，是用來將某一數值的交流電壓（電流）變成頻率相同的另一種或幾種數值不同 的電壓（電流）的設備。
[0003] 提高工作頻率可以顯著減小高頻電力變壓器的體積和重量。然而，目前應用于 DC-DC變換器的高頻電力變壓器尚處在實驗室研宄階段，變壓器容量也遠無法滿足直流電 網兆瓦級應用需求。盡管多個高頻電力變壓器串并聯組合的策略可以滿足功率要求，但在 現有技術條件下缺乏可靠性。因此，提高單臺高頻電力變壓器的容量和電壓等級很有必要。
[0004] 圖1是一種大容量高頻電力變壓器的示意圖，其包括一次繞組AB、二次繞組⑶、磁 芯和油箱，磁芯和油箱通過夾具相連并接地。隨著容量和電壓等級的提高，高頻電力變壓器 需采用油浸式絕緣，以在兆瓦級應用領域保證足夠的絕緣強度。為提高高頻電力變壓器的 功率密度、進一步減小變壓器體積，納米晶合金、非晶合金等在高頻下具有低損耗密度和高 飽和磁密的磁性材料常被用來作為變壓器磁芯。與小容量高頻變壓器常用的鐵氧體磁芯不 同，這種磁芯的電阻率僅有銅的100倍左右，因此是一種導體。
[0005] 隨著工作頻率的提高，與大容量高頻電力變壓器內部結構密切相關的分布電容不 能忽略，并且成為影響變壓器正常工作特性以及與兩端電力電子裝置間相互作用的主要因 素。大容量高壓高頻電力變壓器綜合模型可以通過電阻、電感和電容參數在變壓器內部結 構和外特性間建立關聯，對于發展大容量高壓高頻電力變壓器的電磁設計方法、分析變壓 器外特性有著重要意義。然而傳統的普通電力變壓器的分析方法由于沒有考慮電容效應而 不再適用。現有技術中高頻變壓器模型通常針對小容量的高頻變壓器而設計，僅考慮了變 壓器繞組的電容效應，但無法考慮繞組、磁芯與油箱間的電容效應，因此與實際的大容量高 頻電力變壓器的實際情況相差甚遠。
【發明內容】
[0006] 鑒于此，本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種有效的大容量高頻電 力變壓器分析方法及裝置，該大容量高頻電力變壓器分析方法及裝置能夠同時考慮寬頻 狀況下的磁機理和電容機理，綜合反映大容量高頻電力變壓器不同負載條件下的寬頻外特 性。
[0007] 為了實現此目的，本發明采取的技術方案為如下。
[0008] -種大容量高頻電力變壓器分析方法，所述方法包括以下步驟：
[0009] A、建立磁機理模型，所述磁機理模型包括并聯到一次繞組的勵磁電感和磁芯等效 損耗電阻、串聯在二次繞組的漏電感、分別串聯在一次繞組和二次繞組的一次繞組內阻抗 和二次繞組內阻抗和一理想變壓器；
[0010] B、建立電容機理模型，所述電容機理模型包括并聯在一次繞組端子之間的一次繞 組自電容、并聯在二次繞組端子間的二次繞組自電容、連接在一次繞組端子與二次繞組端 子間的一次與二次繞組間電容、連接在一次繞組端子與磁芯間的一次繞組與磁芯、油箱間 電容、連接在二次繞組端子與磁芯間的二次繞組與磁芯、油箱間電容；
[0011] C、通過繞組端子并聯磁機理模型和電容機理模型，作為綜合模型；
[0012] D、在空載、短路或負載條件下利用所述綜合模型進行分析。
[0013] 在所述磁機理模型中，
【主權項】
1. 一種大容量高頻電力變壓器分析方法，所述方法包括以下步驟： A、 建立磁機理模型，所述磁機理模型包括并聯到一次繞組的勵磁電感和磁芯等效損耗 電阻、串聯在二次繞組的漏電感、分別串聯在一次繞組和二次繞組的一次繞組內阻抗和二 次繞組內阻抗和一理想變壓器； B、 建立電容機理模型，所述電容機理模型包括并聯在一次繞組端子之間的一次繞組自 電容、并聯在二次繞組端子間的二次繞組自電容、連接在一次繞組端子與二次繞組端子間 的一次與二次繞組間電容、連接在一次繞組端子與磁芯間的一次繞組與磁芯、油箱間電容、 連接在二次繞組端子與磁芯間的二次繞組與磁芯、油箱間電容； C、 通過繞組端子并聯磁機理模型和電容機理模型，作為綜合模型； D、 在空載、短路或負載條件下利用所述綜合模型進行分析。
2. 根據權利要求1中所述的大容量高頻電力變壓器分析方法，其特征在于，所述磁機 理模型中， 勵磁電感由恒定磁場能量確定
其中Wni為一次繞組施加電流i i激勵、二次繞組開路時大容量高頻電力變壓器儲存的磁 場能量； 漏電感由安匝平衡時漏磁場能量確定
Wnrieakage為一、二次繞組分別施加電流i i、i2且保持安匝平衡時，大容量高頻電力變壓器 儲存的磁場能量； 一次繞組內阻抗Zsl = F Jcil+j ω L01， 其中，^為導線與頻率相關的交流電阻系數， Rtll為一次繞組的直流電阻， LqiS-次繞組的內電感， 二次繞組內阻抗Zs2 = F凡2+j ω Ltl2， 其中Rtl2為二次繞組的直流電阻， 1^2為二次繞組的內電感， 磁芯損耗等效電阻Rm由變壓器開路阻抗特性在第一個諧振點處的模值確定， 且所述理想變壓器變比為, 其中k為耦合系數，LdP L2為一次和二次繞組自感。
3. 根據權利要求2中所述的大容量高頻電力變壓器分析方法，其特征在于，通過有限 元方法確定磁場能量，以獲得勵磁電感和漏電感的數值。
4. 根據權利要求1中所述的大容量高頻電力變壓器分析方法，其特征在于，確定電容 機理模型的步驟為： B1、給變壓器電容機理模型某端口施加以激勵電壓，并保持其他端口開路，確定各種情 況下變壓器靜電能量； B2、給變壓器電容機理模型兩個端口施加以激勵電壓，并保持其他端口開路，確定各種 情況下變壓器靜電能量； B3、根據步驟B1、B2中的各種情況下的變壓器靜電能量，確定一次繞組自電容、二次繞 組自電容、一次與二次繞組間電容、一次繞組與磁芯、油箱間電容和二次繞組與磁芯、油箱 間電容。
5. 根據權利要求4中所述的大容量高頻電力變壓器分析方法，其特征在于，通過有限 元方法確定步驟Bl和B2中的各種情況下的變壓器靜電能量。
6. 根據權利要求4中所述的大容量高頻電力變壓器分析方法，其特征在于， 步驟Bl中，確定變壓器靜電能量為F |Kn = K，i = 1，2, 3, 4 ; 步驟B2中，確定變壓器靜電能量為叫〇%+% + %，i，j = 1，2,3,4, i乒j ; 步驟B3中，根據以下關系確定各電容：
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分別為施加在各個端口上的激勵電壓； 電容C1為一次繞組自電容，電容C 2為二次繞組自電容； 電容C3, C4, C5, C6為一次與二次繞組間電容， 電容(：7和C 8為一次繞組與磁芯、油箱間電容， 電容(：9和C 1(|為二次繞組與磁芯、油箱間電容。
7. -種大容量高頻電力變壓器分析裝置，所述裝置包括磁機理模型建立單元、電容機 理模型建立單元、綜合模型建立單元和分析單元，其中， 磁機理模型建立單元用于建立磁機理模型，所述磁機理模型包括并聯到一次繞組的勵 磁電感和磁芯損耗等效電阻、串聯在二次繞組的漏電感、分別串聯在一次繞組和二次繞組 的一次繞組內阻抗和二次繞組內阻抗和一理想變壓器； 電容機理模型建立單元用于建立電容機理模型，所述電容機理模型包括并聯在一次繞 組端子之間的一次繞組自電容、并聯在二次繞組端子間的二次繞組自電容、連接在一次繞 組端子與二次繞組端子間的一次與二次繞組間電容、連接在一次繞組端子與磁芯間的一次 繞組與磁芯、油箱間電容、連接在二次繞組端子與磁芯間的二次繞組與磁芯、油箱間電容； 綜合模型建立單元用于通過繞組端子并聯磁機理模型和電容機理模型，作為綜合模 型； 分析單元用于在空載、短路或負載條件下利用所述綜合模型進行分析。
【專利摘要】一種大容量高頻電力變壓器分析方法及裝置，所述方法包括：A、建立磁機理模型，所述磁機理模型包括勵磁電感、漏電感、一次繞組內阻抗、二次繞組內阻抗、磁芯損耗等效電阻和一理想變壓器；B、建立電容機理模型，所述電容機理模型包括一次繞組自電容、二次繞組自電容、一次與二次繞組間電容、一次繞組與磁芯、油箱間電容、二次繞組與磁芯、油箱間電容；C、通過繞組端子并聯磁機理模型和電容機理模型，作為綜合模型；D、在空載、短路或負載條件下利用所述綜合模型進行分析。通過本發明的大容量高頻電力變壓器分析方法及裝置，可以充分考慮大容量高頻電力變壓器內部的磁效應與電容效應，為大容量高頻電力變壓器電磁分析與設計提供了有效的依據。
【IPC分類】G01R31-00
【公開號】CN104764964
【申請號】CN201510191205
【發明人】劉晨, 齊磊, 崔翔, 沈致遠, 魏曉光
【申請人】華北電力大學, 國網智能電網研究院, 國網浙江省電力公司
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月21日