模块化多电平高频变压器设计与电磁特性研究

发布时间：2020-06-06 23:22

【摘要】：固态变压器是一种将电力电子变换技术与基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合、实现电能变换的静电设备。通过电力电子技术与传统变压器的融合,可以提高电网设备的智能化水平。从总体来看,固态变压器由输入级、隔离级、输出级三部分组成。隔离级高频变压器对于铁心材料以及铁心结构的适用性要求较高,铁心材料在磁化过程中造成的损耗会直接影响到它的传输效率,而目前对于铁心损耗的计算方法精确度不高。本文针对模块化多电平高频变压器进行设计研究,在铁心损耗计算过程中提出了一种改进的铁心损耗计算方法。本文主要工作内容如下:首先,论述了固态变压器对于智能电网、能源互联网的重要性,接着介绍了高频变压器在固态变压器中所起到的重要作用。针对传统变压器拓扑结构,分析了模块化多电平高频变压器拓扑结构的优点。介绍了高频变压器的设计方法:几何参数(K_g)法和面积乘积(A_P)法。通过对面积乘积(A_P)法进行公式推导,为高频变压器设计提供了理论基础。其次,讨论了适用于高频变压器铁心材料的特性,具体对铁基纳米晶和软磁铁氧体两种高频材料特性作对比分析。研究了C型和E型铁心结构特点,分别对上述两种材料所对应的C型和E型铁心结构做具体参数计算,得出了四种参数。利用趋肤效应分析方法,选择合适的导线,进而求出绕组损耗。提出了一种改进的铁心损耗计算方法,使得铁心损耗计算更加精确。最后,采用绕组等效建模方法分别对依据上述四种参数所设计的高频变压器搭建COMSOL Multiphysics仿真模型,并利用外电路联合仿真分析方法对其作铁心温度、损耗、电磁特性分析与对比。结果表明:改进后的铁心损耗计算方法更准确,C型结构高频变压器效率高于E型结构高频变压器,铁心结构相同的情况下,软磁铁氧体作为铁心材料的高频变压器效率高于铁基纳米晶的高频变压器。
【图文】：

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第 1 章绪论偿等。与传统电力变压器相比，它的主要优点有：环保、占地面积小、无变压器污染少；一次侧和二次侧电压幅值可以保持不变，不会因负载切换而产生较大的；高低压侧交流波形失真率小，基本上是正弦波，功率因数控制灵活。与传统变相比，固态变压器的保护装置相对简单，可以配置一些方便于设备各级达到自愈要求的智能控制单元。它还可以实现网络通信，有利于实现智能电网的要求[15]。固态变压器的基本工作原理如图 1.1 所示[16]。

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提高功率因数等功能[18]。文献[19]中 M. Kang、P.N. Enjeti 等人为了减小变压器体积、减轻质量、改善变压器整体效率，提出了一种基于直接从输入到输出 AC/AC 变换的 SST 的结构，如图 1.2所示。这种 SST 工作频率从工频提高到中频，其工作原理为：输入侧连接电力系统工频交流，通过电力电子器件把工频信号转换为中频信号（600Hz～1kHz），中频信号通过中间隔离级中频变压器耦合到二次侧，随后又被电力电子器件同步还原为工频信号。为了减小电力电子器件在开断过程中产生的过电压，文献中提出了一种四级开关控制策略，可使电力电子器件安全换向。文献中 SST 中间隔离级变压器铁心材料为常用的硅钢材料。通过实验证明：对于传统变压器，当变压器工作频率由 60Hz 提高到 1kHz 后，变压器的传输容量可提高三倍，传输效率可得到改善。基于 AC/AC 变换的 SST 体积相对同容量的传统变压器缩小了三倍，，总体效率与传统变压器基本一致，固态变压器工作原理和控制策略较简单，容易实现，但可控性不高。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM433

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