新型磁性材料高频磁化和损耗机理与大容量高压高频变压器精细化设计方法

In order to adapt the development of the key devices, such as DC/DC converter and solid state transformer in smart distribution grid and the systems of large scale photovoltaic power generation and wind power generation, it is urgent to study the high frequency magnetization and loss properties of new magnetic materials, and the elaborated design method of the large capacity high voltage high frequency transformer. The main research contents of the project are as follows: The high frequency magnetization and loss properties of new magnetic materials, such as amorphous and nanocrystalline alloy, under the conditions of non-sinusoidal and DC-bias excitement; The calculation methods of loss of windings and core, and temperature rise of high frequency transformer; The fitting method for the parameters between high frequency transformer and the rectification/inverse circuits in DC/DC converter or solid state transformer; The vibration and noise properties of the core of high frequency transformer induced by magnetostriction. Based on above studies, we would present the elaborated design method of the large capacity high voltage high frequency transformer, improve the power density, transmission efficiency, and capacity, design and make out a test model of high frequency transformer, and do the further analysis and test.

为了适应智能配电网和大规模光伏发电、风力发电系统中DC/DC变换器和固态变压器等关键设备的研发，迫切需要研究新型磁性材料的高频磁化和损耗特性以及大容量高压高频变压器的精细化设计方法。本项目研究非晶合金、纳米晶合金等新型磁性材料在非正弦和直流偏磁激励下的高频磁化和损耗特性，高频变压器绕组和磁芯损耗与温升的计算方法，高频变压器与DC/DC变换器和固态变压器中逆变/整流电路的参数配合方法以及由磁致伸缩引起的高频变压器磁芯的振动与噪声特性，提出大容量高压高频变压器的精细化设计方法，提高高频变压器的功率密度、传输效率和容量，设计制作高频变压器试验模型，开展相关的计算分析和试验研究。

研究新型磁性材料的磁化与损耗机理，精确预估高频变压器的电磁参数并实现其结构的优化设计是实现具有实际兆瓦级DC/DC变换器和电力电子变压器的关键。.本课题搭建了非晶、纳米晶单片测试平台，进行了材料的磁化与损耗特性测量。基于磁滞形成的物理过程，分析了磁畴和畴壁在介观尺度内的运动特性，建立了改进热力学磁滞模型。结合材料的磁化与损耗特性从介观尺度到宏观尺度的关联性，建立了可描述低磁密下畴壁运动特性的改进Energetic模型，以准确预测小磁滞回环；建立了动态Energetic磁滞模型可以描述宽频带下材料磁化特性。考虑直流偏置的影响，提出了适用于非正弦激励下的变压器磁心损耗计算方法。.基于Dowell公式和修正的Ferreira公式两种变压器绕组损耗的计算方法，提出了考虑端部效应的高频绕组损耗的半经验公式法。建立了高频变压器集中参数热网络模型与动态非线性电磁-热耦合模型，可准确计算高频变压器温度场，为高频变压器的散热结构设计提供了支撑。提出了考虑频变特性的漏电感解析计算方法，并将该方法的适用范围推广至非连续导体。考虑绕组布置方式的影响，推导出了绕组交叉换位布置方式下的漏电感解析计算式。.结合所提的高频变压器铁心损耗、绕组损耗、温升和漏电感计算方法，提出了基于自由参数扫描法的高频变压器设计流程，并研制了实验模型，开展了实验验证。提出了基于非支配排序遗传算法的高压大容量高频变压器计算机辅助优化设计方法。研制了200kVA/10kHz高频变压器实验样机，结合仿真结果与实验，验证了设计理论的有效性。此外，搭建了实验平台对高频变压器在非正弦激励下的振动和噪声进行分析，为高频变压器的工程应用提供参考。