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新能源大功率电抗器绕组损耗分析与设计文献综述摘要：随着新能源的不断发展，大功率光伏逆变器越来越受欢迎的同时，市场的竞争也越来越强烈，能够同时提高效率和降低成本对其发展具有十分重要的意义。本课题主要研究通过对大功率电抗器的损耗分析，结合ansoft Maxwell软件的仿真与建模，设计大功率光伏逆变器的输出电抗器的参数以减少损耗，提高整机效率，同时减少损耗带来的发热，节约材料成本。关键词：电抗器 绕组损耗 欧洲效率 铜箔厚度 仿真 建模研究背景及目的：随着世界人口持续增长，人们对能源的需求量日益增加，在能源可能在短时期内趋于枯竭的同时，还会造成严重的环境污染。在追求低碳社会的今天，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的绿色新能源，越来越受到世界各国的关注。太阳能发电技术也得到了迅猛的发展，已成为光伏发电的主导市场，其市场占有率达到了世界光伏发电市场的80以上。因此，光伏并网发电是大规模发展光伏电力的必然之路。大功率光伏逆变器是光伏电站系统的重要组成部分，其效率是衡量并网发电系统的重要指标之一，若效率不达标，则不能并网，需重新设计系统参数。因此如何提高光伏发电系统的效率，从而降低开发成本，日渐成为国内外光伏专家研究的热点。而输出电抗器在大功率光伏逆变器中起着十分重要的地位，输出电抗器的结构、体积、材料、效率、重量、发热等因素直接影响到整机的效率和成本。除了满足磁性元件电气参数的可行性设计外，更关键的是其损耗分析及其成本的优化。如何提高效率的同时降低成本对其发展具有十分重要的意义。因此本文通过优化设计大功率光伏逆变器输出电抗器的参数，如绕组匝数、铜（铝）箔厚度和磁芯材料等，以减少损耗，提高整机效率，同时还能减少损耗带来的发热，节约材料成本，产生更大的经济效益。国内外研究现状：针对磁性元件绕组损耗模型计算分析与设计目前已开展不少工作，也得到了许多成果。文献4通过对平面磁性元件一层绕组的损耗分析，1层厚绕组分为2个相等厚度的薄绕组并联对损耗影响的分析，平面变压器原副边绕组交叉换位技术减少绕组损耗原理的分析，及有限元计算和实验结果的分析得出以下结论：（1） 集肤效应（邻近效应）引起的绕组损耗刚开始时会随着绕组厚度的增加而减少，当绕组厚度等于个集肤深度时，绕组损耗达到最小值（最大值）。以后随着厚度的增加，绕组损耗缓慢变化，并存在极限；（2） 简单把厚绕组分割为薄绕组的并联，不能减少绕组损耗；（3） 平面变压器利用原副边绕组交叉换位技术不能减少集肤效应产生的绕组损耗，但能减少邻近效应产生的绕组损耗，工作频率越高，利用此技术减少绕组损耗的效果就越明显。文献7通过对气隙在磁芯柱上不同位置对绕组损耗的影响和分布气隙参数对绕组损耗的影响进行深入分析后得出以下结论：（1） 气隙设在磁芯窗口的拐角处或其附近，使扩散磁通更容易深入到磁芯窗口内，易导致绕组损耗增加；（2） 采用分布小气隙代替集中的大气隙时，当气隙间的磁柱长度约为5个气隙长度时，气隙之间的影响较小；（3） 采用较多的分布小气隙代替集中气隙时，小气隙的个数应增加到使绕组距气隙的距离大于3个小气隙。但没有必要增加气隙的个数使绕组距气隙距离大于5个小气隙，因为此时再增加气隙个数对绕组损耗影响很小；（4） 分别由漆包线和铜箔构成的绕组，电感气隙位置对磁芯窗口内旁路磁通的影响是不同的，最终导致对电感绕组损耗影响的不同。文献9通过对比变压器绕组结构中电流密度分布与并联绕组均流布置中的电流密度分布，并通过对6层绕组的情况进行实验验证，推导出在所以偶数层中，利用绕组布置结构上的几何对称性和并联绕组两端电压相等的原理，得到电流在各并联绕组中电流分布一致的更加灵活的绕组布置方法。直流时，各并联绕组中的电流由各绕组的直流电阻关系来确定，其直流电阻一般来说是一样的，故总电流在各并联绕组中均分。但在高频时，由于集肤效应和邻近效应的影响，电流在各并联绕组中通常不再保持均分，使变压器绕组的交流电阻增加。以下分别为有限元软件仿真得到的变压器绕组结构中电流密度与并联绕组均流布置中的电流密度分布图：图1 变压器的结构与绕组中电流密度绕组温度分布图图2 对称绕组布置图（4层）图3 对称绕组电流密度分布图（4层）图4 对称绕组温度示意图图5 对称绕组布置图（8层）图6 对称绕组电流密度分布图（8层）图7 对称绕组的温度示意图（8层）由以上可以看出，采用对称绕组的电流分布相对于普通变压器并联绕组中的电流分布较均匀，故可保持交流电阻基本一致。文献11提出了计算变压器绕组损耗的Dowell一维模型求解方法，著名学者P.L.Dowell对变压器从DC到10MHz的频率范围内的漏感和电阻进行了计算和测量，提出了从变压器的几何形状出发，对交流电阻和漏感进行计算的方法，并推导出正弦激励下交流电阻与直流电阻比值的表达式。Dowell一维模型中关键的一步是把实际的各种形式的绕组层，转变成等效的铜箔，以便利用相对简单的一维分析方法对磁性元件的损耗进行研究。Dowell把圆导体转变成铜箔的过程如图8所示：在转变过程中，第一步是把圆导体的截面用相等面积的正方形导体代替；第二步是把正方形导体集在一起成为一个长方形，长方形高度等于正方形高度，宽度是集在一起的正方形宽度总和；第三步把长方形导体拉宽，使其占满整个窗口宽度，在这个过程中导体高度不变。由于在这一步中增加了导体的截面积，为了补偿这个问题，引进了一个因子，称为填充因子，使绕组的直流电阻保持不变，这个因子等于没有拉伸长方形的宽度除以窗口宽度，起的作用相当于减少等效铜箔的电导率。 图8 绕组的等效过程课题的关键技术点：（1） 由于漏磁通的影响，会给绕组带来额外的损耗，通常第一匝绕组损耗会比一维模型的理论算法来的大，需要另外改进计算方法。（2） 磁芯损耗在工频和高频的情况下损耗情况不同，需分别考虑。（3） 如何在考虑欧洲效率的情况下设计出整机欧洲效率尽量高的电抗器参数课题的研究内容：本文主要通过对电抗器的损耗分析，结合有限元软件的仿真，对铜（铝）箔厚度进行一系列的优化设计，将具有很大的市场前景和经济价值。（1） 了解电抗器尺寸，采用ansoft Maxwell软件仿真，建立模型，初步探索了解ansoft Maxwell损耗仿真原理，了解其磁场分布情况及绕组损耗情况。（2） 建立理论模型，结合仿真软件修正理论模型，通过理论计算绕组损耗，进而得出满载和半载时绕组损耗最小时的铜（铝）箔厚度。（3）优化设计铜（铝）箔的厚度，使其欧洲效率达到最高，使得电抗器更具实用性。参考文献：1 宋健 . 关于电抗器降低电能损耗的技术分析 .大庆石化化建公司电气三分公司，黑龙江大庆1637142 王志超，廖金木，庄夏仔等，并联电抗器损耗分析，特变电工沈阳变压器集团有限公司，辽宁 沈阳1101413 旷建军，郑力新，卢小芬，方瑞明. 非正弦励磁下磁芯损耗的计算，华侨大学 信息科学与工程学院 3620214 旷建军，阮新波，任小永. 集肤和邻近效应对平面磁性元件绕组损耗影响的分析，南京航空航天大学航空电源重点实验室 2100165 牟宪民，王建赜，纪延超，魏晓霞. 可控电抗器的现状及其发展，哈尔滨工业大学电气工程系6 旷建军，严仰光，阮新波. 开关电源中磁性元件绕组损耗的分析与研究，南京航空航天大学，电力电子与电力传动 200710017 旷建军，阮新波，任小永. 气隙设计对电感绕组损耗的影响，南京航空航天大学航空电源重点实验室 2100168 宋静文，郭育华. 大功率光伏逆变器损耗模型的研究，西南交通大学研究生学位论文 电力电子与电力传动 9 旷建军，阮新波，任小永. 平面变压器中并联绕组的均流设计，南京航空航天大学航空电源重点实验室 21001610 Ning Dai,Fred C.Lee.“High-Frequency Eddy-Current Effects in Low-Profile Transformer Windings”.11 P.L.Dowell，B.Sc.（Eng.）,Graduate I.E.E. “Effects of eddy currents in transformer windings”,AUGUST 1996,England12 Maged Ibrahim,Student Member,“Advanced Testing and Modeling of Magnetic Materials Including a New Method of Core Loss Separation for Electrical Machines”,IEEE,Pragasen Pillay,FIEEE Department of Electrical and Computer Engineering 13 Qiang Li,MingKai Mu,Fred C.Lee. “Analytical core loss models for planar inductors with non-uniform flux distr