大功率中频变压器优化需考虑的各类因素-北极星输配电网

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电力电子变压器通过电力电子控制技术提升变压器的运行频率，使得变压器的体积与重量大幅降低。在离岸风电、电力机车等对于变压器体积重量有较高限制的应用领域，有着广泛的应用前景。由于采用更高的电磁耦合频率，且变压器原副边均与电力电子换流器相连接，使得大功率中频变压器的设计与优化方法与传统工频变压器相比有较大的区别。

更小的体积与更高的频率使得变压器能量密度提升的同时，损耗密度也大幅上升。变压器的损耗主要包括绕组损耗与铁芯损耗。高频下涡流带来的集肤与邻近效应，使得变压器绕组中电流密度分布不均匀，集中于绕组的表面。常采用箔式、利兹线以及空心管绕组，在保证足够绕组横截面积的同时减小绕组厚度，以降低绕组高频损耗。变压器铁芯损耗同样会随着频率的提升而显著增加。常采用超薄硅钢片、铁氧体、非晶以及纳米晶等高频损耗较小的材料制造中高频变压器的铁芯。纳米晶具有较小的高频损耗密度和相对较高的饱和磁密，常被用于大功率中频变压器。且经过电力电子变换，变压器的电压与电流波形常为非正弦，因此在计算绕组与铁芯损耗时，需考虑非正弦波形因素的影响。

变压器作为换流电路中的一部分，其分布参数会影响电力电子器件的换流状态。当采用移相控制方式时，变压器漏感需达到一定值才可满足电力电子器件的软开关条件。当采用谐振控制方式时，变压器漏感需与谐振电容以及频率相匹配，才可使电路达到理想的谐振换流状态。因此在设计阶段，需根据所采用的控制方式考虑变压器漏感的取值。

综上所述，对大功率中频变压器进行优化设计时，需考虑以上有别于传统工频变压器的各类因素。《大功率中频变压器多目标参数优化设计》分析了大功率中频变压器绕组高频损耗、铁芯高频损耗以及漏感参数计算方法。在此基础上，利用自由参数扫描法对其进行了优化设计。按照最优方案制造了样机，并对样机参数进行了实验测试。

重点内容

1.分析了采用Dowell解析模型计算不同形式的绕组高频损耗的方法；对比了几种基于原始Steinmetz公式的非正弦激励下的铁芯高频损耗计算方法；分析了大功率中频变压器漏感参数计算及其校正方法。

变压器设计流程

大功率中频变压器设计流程

变压器设计结构

变压器设计结构图

2.制定了大功率中频变压器设计流程。以面向高速列车轻量化应用的电力电子牵引变压器300kW功率单元中的一台中频变压器为实例，对设计流程进行详细说明。

3.利用自由参数扫描法对300kW大功率中频变压器进行了优化设计。根据综合评价系数，选择了最优设计方案，并制造了样机，进行了实验测试。

主要研究结论

1.利用自由参数扫描法对用于高速列车电力电子牵引变压器的一台300kW中频变压器进行了优化设计。

2.根据不同设计目标参数的类型，建立了评价系数公式。通过综合评价系数选择了兼顾变压器损耗、漏感与质量的最优方案，并制造了样机。该最优方案样机的铜耗、铁耗、漏感以及质量的实测值与设计值误差分别为7.99%、12.75%、6.98%、2.21%，均<15%，因此在可接受范围内。

后续研究内容

本文研究工作主要集中于大功率中频变压器本体的优化设计研究。然而，作为电力电子变压器中的一部分，从整体层面出发，还需考虑中频变压器上下游端口的电力电子变流器的通态损耗、开关损耗、质量、体积以及散热等因素。因此，将来有必要结合大功率中频变压器与电力电子换流器，对电力电子变压器的整体优化设计方法进行深入地探讨与分析。

作者及团队介绍

律方成，华北电力大学电气与电子工程学院教授，博士生导师博士，博士生导师，国家模范教师，中国电机工程学会高级会员；现任华北电力大学副校长，兼任河北省输变电设备安全防御重点实验室主任。主持或参与完成国家级、省部级及横向科技项目60余项；出版规划教材1部；公开发表学术论文200余篇，被SCI、EI检索120多篇；获省部级科技、教学奖励3项；高电压技术河北省精品课程负责人；30余项科研成果分别在国家电网、北京电力公司、河北电力公司、河南电力公司、四川电力公司等地获得实际应用。

河北省输变电设备安全防御重点实验室隶属于华北电力大学电气与电子工程学院，现有团队专职教师15人，其中教授4人（博导2人），副教授5人，讲师6人；在读博士生13人，硕士生132人。团队研究方向（课题）包括：电气设备状态监测与故障诊断；电气绝缘技术；电力系统过电压及其防护；复杂气候条件下高铁列车外绝缘特性研究；大功率中频变压器特性研究与优化设计；智能电力设备研究；电力系统带电作业装备研制。曾获省部级科技、教学成果奖励10人次，大型变压器综合监测与故障诊断系统、电容型设备在线监测与故障诊断系统、过电压在线监测系统等多项科研成果获得了实际应用。与中国电科院、国网电科院、国网经研院等科研院以及英国曼彻斯特大学等建立了良好的合作关系。

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大功率中频变压器优化需考虑的各类因素

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