[发明专利]一种高频大功率三相变压器损耗计算方法

说明书

一种高频大功率三相变压器损耗计算方法，推导出Y‑Y型、Y‑△型和△‑△型绕组连接方式下，高频三相变压器绕组电流i_LA各阶次谐波电流分量幅值的表达式；计算各阶次谐波频率下的原、副边绕组交流电阻；将各阶次谐波电流对应的损耗求和，进而得到扁铜线原边绕组损耗表达式P_wp、副边绕组损耗表达式P_ws；推导铁心磁通密度B_Y(t)、B_△(t)的表达式；将移相控制下的原、副边绕组所产生磁通密度波形叠加，得到负载运行条件下铁心的磁通密度B(t)波形；计算出在移相控制运行条件下：Y‑Y型、Y‑△型和△‑△型绕组连接方式的高频三相变压器铁心损耗。本发明方法现了对高频大功率三相变压器损耗的快速准确预测，为后续的高频三相变压器铁心损耗的优化设计奠定了基础。

技术领域

本发明属于高频变压器损耗预测方法领域，具体涉及一种高频大功率三相变压器损耗计算方法。

背景技术

固态变压器(solid state transformer,SST)是未来可再生能源输送与管理系统中的关键元件设备。固态变压器SST由输入侧的整流器、直流变换级和用于交流电压输出的逆变器组成。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DC/DC变换器(isolated bidirectional dual-active-bridge DC-DC converter,DAB-IBDC)已经被应用于固态变压器的直流变换级。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。

高频大功率三相变压器为三相DC/DC变换器的核心电磁元件，起到电气隔离和电压变换的功能，通过提高工作频率可以减小变压器的体积。随着工作频率、功率的提高以及变压器体积的减小，高频变压器的损耗和温升问题逐渐明显。精确求解出绕组和铁心损耗对于高频大功率三相变压器的设计有着指导性的意义。

现有高频绕组损耗计算方法主要可归纳为两类：解析法与有限元法。

1)、在解析法方面，通常采用Dowell方程和修正Ferreira公式来计算高频条件下交流电阻，考虑了集肤效应和邻近效应的影响。例如，2009年西班牙蒙德拉贡技术研究中心I.Villar采用基波分析方法推导出了单相DC/DC变换器的谐波电流表达式，并采用Dowell方程计算出了各阶次谐波频率下的交流电阻，进而得到了高频绕组损耗。三相DC/DC变换器的电流波形更加复杂，与绕组连接方式、移相角等因素有关，上述方法已不适用。

2)、在有限元法方面，采用有限元法对绕组损耗进行计算，计算精度高，并且可以对任意形状的绕组进行研究。例如，2014年查尔默斯工业大学M.AminBahmani采用有限元法对高频条件下导体区域的电流密度进行计算，进而得到绕组损耗。但是，从有限元法计算原理上看，随着频率的增加，集肤深度变得很小，导体表面的剖分单元必须更小，从而造成运算量的增加。

现有高频铁心损耗计算方法也可以归纳为两类：解析法与有限元法。

①：在解析法方面，近年来很多文献研究了单相DC/DC变换器拓扑电路中高频变压器的铁心损耗计算方法。在大功率单相DC/DC变换器中，高频变压器的激励电压和电流取决于电路拓扑结构和控制策略，一般不是标准正弦波，而是方波、梯形波等非正弦波。2016年埃因霍温科技大学Nico H.Baars根据方波、梯形波对应的非正弦磁通密度波形，推导出了多种修正Steinmetz的改进形式，这些公式的形式简便，易于工程上使用。2014年亚琛工业大学Nils Soltau采用了改进的广义Steinmetz公式对Y-Y型连接方式下高频三相变压器的铁心损耗进行计算。高频三相变压器的电压波形与三相绕组连接方式、移相控制等有关，这些修正公式在三相DC/DC变换器的三电平、六电平阶梯电压加移相控制方式下的有效性还有待深入研究。