考虑非线性和频变特征的舰船综合电力非正弦供电MW级中频变压器建模及损耗评估

The MW-level Medium-Frequency (MWMF) transformer applied for the DC zonal electrical distribution system (DC-ZEDS) in shipboard integrated power system exhibits nonlinear and frequency dependent characteristics, which in turn lead to a complicated quantitative analysis. This foundation application will focus on modeling and loss analysis of MWMF transformer. Since the existing Dowell 1-D ideal model is only applicable for the low power level wire wound transformer, a precise 2-D copper losses model will be proposed in accordance with the flux distribution. Furthermore, the relationship between induced voltage and winding arrangement will be investigated. An on-line losses estimation will be proposed for the MWMF transformer. Finally, a nonlinear transformer model will be proposed to control the flux in high power converter more efficiently with the consideration of non-sinusoidal exciting condition. The research achievements will result in a more cost-effectively design of the MWMF dry-type foil-wound transformer, which can be further applied to the magnetic-component design in both military and civil market sectors.

舰船综合电力直流区域配电网络中，非正弦供电MW级中频变压器具有复杂的非线性和频变特征，以致难以定量分析。本项目拟建立MW级中频变压器建模及损耗优化理论。针对现有Dowell一维理想模型仅适用于小功率线绕变压器的不足，提出箔式变压器二维铜耗模型及建模方法，结合铁心动态模型，提高MW级中频变压器损耗预测值的准确度；研究箔绕变压器内不同形式的多套绕组之间电流分布与空间位置、绕组形式等参数之间的内在联系与机理，提出高压大电流工况下MW级中频变压器的在线式损耗提取方法，为电力电子磁性元件的损耗控制提供一种有效的研究手段；在上述工作基础上，研究非正弦供电条件下考虑非线性和频变特征的MW级中频变压器精细模型，为电力电子变流器对变压器磁场的精确控制提供理论基础。该项目的研究成果将为干式箔绕变压器的广泛应用奠定基础，也可推广应用至其他领域各种电力电子装置中磁性元件的设计，具有重大的科学意义和实用价值。

随着直流电制在舰船综合电力系统、分布式智能电网等独立电力系统的广泛应用，大容量中频变压器成为研究热点。大容量中频变压器具有复杂的非线性和频变特征，以致难以定量分析，本项目主要研究大容量中频变压器铜耗评估及在线测量、建模相关理论及方法。在铜耗建模方面，首先分析了传统Dowell一维理想模型的局限性，引入一阶感应涡流修正系数，求解二维电流密度，进而提出箔绕式变压器二维铜耗修正模型，通过实验和有限元数值计算验证了上述二维铜耗修正模型的准确性。在铜耗在线测量方面，首先通过变压器电路模型研究了现有辅助绕组测量方法的误差原因，进而提出对称耦合辅助绕组测量方法，在经过实验验证后，基于上述方法开展了变压器额定负载工况下的交流电阻测量实验，实现了初级、次级绕组漏阻抗分离。针对初级串联、次级并联（Primary-Series Secondary-Parallel，PSSP）结构变压器应用于中频场合时的绕组环流问题，研究了次级绕组电阻不对称、耦合电感不对称对绕组等效电阻的影响，通过实验验证了上述理论分析的结论，并形成PSSP结构变压器绕组的设计准则，推广应用于PSSP结构大容量中频变压器绕组设计，实验结果表明此准则效果良好。在漏感计算方面，采用磁路分组的方法计算非对称低-高-低排列双绕组变压器的漏感，分析了内外层匝数分配与漏感的关系，并针对830kVA双绕组变压器样机进行仿真、试验验证，漏感值的相对误差低于5%。在变压器建模方面，结合动态铁心模型及绕组铜耗模型，建立变压器UMEC模型，分析三电平隔离型移相全桥变流模块的工作模态和占空比丢失现象，在此基础上建立变流模块系统级仿真模型，并进行实验验证。本项目研究成果为直流区域配电系统乃至柔性直流输电、分布式发电、智能电网等领域大容量高性能、高可靠性直流变换器的精细设计及性能评估提供理论基础。