《低损耗变压器设计》4600字

第第页低损耗变压器设计TOC\o"1-3"\h\u31596摘要 IV7078第一章绪论 16888第2章负荷计算及无功补偿 2177272.1负荷计算 2138462.2无功补偿 27023第3章低损耗变压器的设计思路 4280243.1高输入电压大功率的应用场合 4133303.2高输入电压场合下的电路拓扑方案 485353.3定频同步控制 6288593.4软开关运行模态分析 728066第4章谐振网络特性分析及参数设计 10255084.1谐振频率和增益特性分析 10290954.2谐振变换器工作原理 1053644.2.1正向工作原理 10109404.2.2正向仿真结果 14295174.2.3反向工作原理 1684664.2.4反向仿真结果 1920935第5章均压均流分析 22246525.1均流和均压之间的关系 2299205.2飞跨电容分析 2216779第6章低损耗变压器控制方法与分析 2466966.1直流低损耗变压器系统级控制方法 24314966.1.1系统级稳定性分析 24100346.1.2系统控制方法的比较与选择 25188186.2控制系统下的稳定性分析 26298466.3分散式控制方法 2727137第7章低损耗变压器系统的参数设计 29245117.1额定参数的选择 2937697.2级联模块数的选定 30232007.3开关频率的选择 3041237.4主侧支撑电容的设计 31309857.5LLC谐振网络参数的设计 31254277.6输出电容的设计 3212712第8章变压器保护设计 33270728.1瓦斯保护 33143708.2纵联差动保护 332350结论 3515061参考文献 37摘要变压器损耗是当代物理科学领域的一个重要概念，随着我国目前自然资源的日益枯竭，降低变压器各种损耗、提高变压器自身的运行安全性和可靠性和实际工作效率以及优化变压器设计成为当前一大热点问题。本文针对变压器负载损耗，参考一些重要文献进行了较为深入的研究，设计一款适合与直流配电网的10kV/400VDC低损耗变压器。关键词：变压器；低损耗；优化设计；第一章绪论在电力系统中，变压器是一项非常重要的电力设备，其中发电厂、变电所以及输电网络等都需要通过变压器来对其进行调整。我国在2006年时就针对变压器的使用做出了相关的规定，其中对于高损耗的变压器也做出了相应的使用规定，其中说明高损耗变压器将会逐渐的加以取代。而在上世纪80年代，我国政府就开始逐渐的采用低损耗的变压器来取代高损耗的变压器，这样不仅可以有效的降低变压器的资源消耗，同时也有利于环境的保护。而大规模的地低损耗变压器使用也在逐步的进行中，其中城乡电网改造也就是为了提高低消耗变压器的使用效率。在新的低功耗变压器投入使用后，空载的损耗也减低了8%-15%左右。而目前，我国配电变压器的高损耗变压器也在逐渐的推出了我国市场，很多新型节能的变压器也成了目前市场上的主流产品。特别是在最近几年，我国各地的电力系统电网改造也在逐渐的对高损耗变压器进行改造，这也是我国电力事业发展的重要基础。一般的变压器设计过程采用手工计算设计方法，但随着计算机科学技术的发展和引进，变压器设计开始进入计算机设计研发阶段。利用计算机的计算分析能找出所有变量变动范围内的可行设计方案。但随着计算机科学技术的发展以及对变压器要求的越来越高，变压器设计行业所需考虑的设计工艺和制造生产相关因素也更多。除了机械材料和相关数值的确定外，还应考虑变压器的综合制造加工成本、电磁设计以及安全可靠性的提高等问题。因此，应寻找合适的方法对变压器进行优化设计来满足变压器制造行业的不断发展提出的更高要求。变压器的优化设计是目前国内变压器制造行业所面临的重点问题。变压器的优化设计可以从两个方面进行：①控制降低变压器制造的初始制造成本；②对变压器的绕组、空载损耗、负载损耗等各项性能进行优化设计。变压器的优化设计首先要考虑电磁优化设计，指在满足原有约束条件的基础上，寻找最优设计变量使得制造变压器所需的经济指标最小。本文针对变压器负载损耗，参考一些重要文献进行了较为深入的研究，得出变压器负载损耗设计过程中应从保护和完善电力系统以及改善电网的整体和结构的角度出发，满足各种对电气部分的要求主接线配置和结构的简化，最终将结果应用110kV区域降压变电所电气系统。第2章负荷计算及无功补偿2.1负荷计算表2.110kV侧负荷参数序号负载情况承受最大负荷值（mV）功率因素值线路方式线路数负荷等级(%)线路距离(km)近期远期1231设备厂1.720.7架空1104020202物品厂1.020.7架空1155070253汽修厂1.320.7架空1206030174市区1.720.7架空1154030185厂业元1.720.7架空1205060166净水厂0.60.80.7架空1303030177居住区0.610.7架空12060178换线去0.71.80.7架空13070269发展线11.50.7架空11540301810发展线21.50.7架空115303019由表2.1可进行负荷计算，总的有功功率： （2.1） （2.2）总的无功功率： （2.3） （2.4）总的视在功率：试中：K为同时系数，取0.85。2.2无功补偿主要是供电系统驱动功率成本因数低，降低了驱动发电机和驱动变压器的总输出力，增加了系统输电稳压线路的电力损耗和驱动电压器的损失。本次系统设计流程要求每个用户的供电功率变化因数不可能低于0.9，所以需要装设一个电容装置，满足无功补偿。计算补偿前的自然功率因数内，考虑变压器损失。 （2.5） （2.6）无功功率： （2.7）有功功率： （2.8）视在功率： （2.9） （2.10）因为所以合理，补偿后的视在功率。第3章低损耗变压器的设计思路3.1高输入电压大功率的应用场合由于大部分电气设备的输入采用不可控整流方式，电气设备的输入电流谐波含量很高，给电网带来了大量的“谐波污染”，增加了电网的损耗。城市轨道交通和轻轨车辆的控制电源由辅助供电系统提供的110VDC供电，辅助电源由电网电压直接供电。与400V和750V电压等级相比，直流配电网可以获得更大的分布式能源容量，适合家庭用电。电动汽车充电电压等级为750V，提高了电动汽车的充电率。同时，电动汽车蓄电池也可作为储能设备，用于储存轨道交通再生制动能量，也可作为家庭应急电源。轨道交通供电系统也可作为住宅供电的备用电源。因此，该系统提高了住宅供电的容量和可靠性。目前，城市轨道交通供电电压也由600伏直流和750伏直流提高到1500伏直流。随着电网电压的升高，对厂用电DC-DC变换器功率电子器件的电压水平也提出了更高的要求。驱动大功率电机需要高压大功率电机。这样的高电压和高功率电机的输入电压可达到2千伏至3千伏或更高。因此，需要能够将电力提供给高电压和高功率电机的频率转换器。它遇到的主要问题是，开关管的电压应力太高，使得难以选择合适的开关管。另外，在上述的应用中，转换器都是高输入电压。因此，它是非常困难的设计转换时选择的开关管。仅通过从拓扑结构开始时，开关管的电压应力可被减少，以优化转换器设计。3.2高输入电压场合下的电路拓扑方案通常，在电路拓扑的多个开关被串联连接，而不是一个，以实现高输入电压的应用，图3-1所示。只要这些相同的开关控制同步，也就是说，它们被导通和关断的同时，当它们被关断时，输入电压可以均匀地将这些开关之间分配。然而，由于开关和驱动电路的分散，不可能确保所有串联开关同时接通或断开，因此不可能确保所有开关断开时，将开关均分为输入电压。图3-1ISOP拓扑结构它由N个串联谐振单元组成，每个谐振单元由高压侧全桥模块、低压侧全桥模块、高频变压器和一组LC谐振网络组成。高频变压器一次侧和二次侧的绝缘设计应以高低压直流电网的电压差为依据。图3-2LC串联谐振子单元拓扑图3-2是串联谐振器单元电路。高电压侧模块主要由电源装置Q1-Q4和总线电容器CH的，和低电压侧模块由电源装置Q5-Q8和总线电容器CL组成。C1和C2分别是初级和次级谐振电容器，LR是谐振电感器（包括高频变压器的寄生漏电感），以及Lm是高频变压器TR的励磁电感。ISOP变换器存在电压均衡和输出电流均衡的问题。两个模块可以在相同的占空比信号下实现电压均衡。由于相等的占空比，在输入电压的不平衡导致高输入电压的转换器，以提取一个大的电流，从而实现了输入电压的自动均衡。两个输入分级回路用于实现电压均衡和模块分频器电容器的输出电流的均衡。图3-3n个模块输入串联组合变换器在ISOP变换器中，两个模块的输入是串联的，而输出是并联的。因此，ISOP转换模块必须选择一个孤立的拓扑结构。根据输入和输出的条件和应用，全桥，半桥，正向和反激式隔离DC转换器是可用的。本文以LLC谐振变换器为基本单元，采用输入-串联-输出并联的方式，构成了基于LLC谐振变换器的ISOP结构直流低损耗变压器。3.3定频同步控制当谐振单元电路工作正常时，采用恒频同步控制，即驱动电路的开关频率与谐振网络的固有谐振频率相同，高压模块半导体采用占空比为0.5的互补驱动脉冲信号。R开关器件Q1/Q4和Q2/Q3，低压模块半导体开关器件Q5/Q8和Q6/Q7采用相同的互补驱动脉冲信号。低压两侧的驱动信号是同相的，驱动脉冲如图3-4所示。图3-4定频同步控制高低压侧驱动脉冲定频同步控制模式下，高频变压器TR的原、副边电压均为占空比为50%的高频方波电压，相位完全相同。3.4软开关运行模态分析本文所研究的模块化等电位直流变压器可以实现高低压侧的双向输电。为了提高变换器的效率，子单元工作在LC串联谐振状态。简单来讲，逆变器的零电压开关和整流器的零电流开关是通过谐振技术完成实现的以降低二极管的损耗。提高了变换器的开关频率，减小了磁性元件的体积，提高了功率密度。图3-5是通过理论分析得到的谐振网络的稳态波形。开关周期可分为八个阶段。由于前半周期和后半周期工作对称，因此仅选取前半周期的四个阶段进行分析。图3-5谐振变换器各工作模态图3-6LC串联谐振单元的理论工作波形

第4章谐振网络特性分析及参数设计4.1谐振频率和增益特性分析根据前一节的分析，为了提高变换器的效率，在设计串联谐振单元的参数时，必须保证开关频率近似等于谐振频率，电流在全谐振模式下工作。由于在全谐振模式下工作时，交流电流波形近似为正弦波，因此可以用基本分量法分析交流电流波形。假设只有开关频率的基本分量才能传输能量，因此谐振变换器电路相当于一个线性网络来分析其传输。串联谐振变压器的等效电路如图4-1所示。为了简化分析，变压器变比设为1:1。其中，UAB和UCD分别为AB和CD四点电压的基波分量，为输出负载R0耦合到一侧的等效负载。图4-1串联谐振变压器的等效电路4.2谐振变换器工作原理输入串联输出并联时两个LLC谐振模块的正反向工作原理。根据交流等效电路图，计算了正向和反向直流增益。在不同品质因数q和等效负载下，绘制了增益m与归一化频率之间的关系，模拟分析了不同频率下谐振电流和软开关的变化。4.2.1正向工作原理ISOP结构LLC谐振变换器的原理图如图4-2所示：图4-2ISOP结构LLC谐振变换器正向工作原理图LLC谐振变换器正向工作时，ISOP结构等效电路图如图4-3a）所示，当两路谐振槽参数一致时其等效电路图如图4-3b）所示。图4-3ISOPLLC交流等效电路图ISOP结构LLC谐振变换器的直流增益：元件的Q值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳，假设品质因数Q为常数，电压增益M与k的关系如图4-4所示。主变压器的励磁电感随K值的变大，而主变压器的励磁电感越来越大，正常状态下励磁电流越小，变压器损耗也就越小。但是，但是当励磁电流小于一定标准的时候，则换流器的效率将会大打折扣。此外，如果k值很大的时候，当输入电压较小时，可能满足不了电路工作要求，输出电压将会减小很多，甚至达不到标准。当k值较小时，变压器的损耗会因为过大的励磁电流而增加，效率降低。从图中可以看出，当k值较小时，增益曲线更陡，增益M（）随增益变化频率波动，电压的稳态输出会造成影响。因此，k值选择对软开关的实现和效率有非常大的影响，根据不同电网需要选择不同k值。图4-4单相电压增益M（）和k值的关系曲线图4-5显示了单相LLC谐振变换器的直流增益曲线。如图4-6所示，当两个变换器串联输出时，电压增益降低一半。当Q值较小时，增益曲线波动明显，增益M（）随增益变化频率波动，影响电压的稳态输出。当Q值较大时，增益是不足1的，不能满足要求。因此，应根据设计指标计算电压增益的最大和最小，选择适当的Q值，并需要留有安全裕量。图4-5单相直流增益曲线图4-6ISOP结构直流增益曲线当等于1时，增益跟k值变化无关，且始终为1。这是因为当等于谐振频率时，其阻抗和为0，输入电压直接接入变压器原边两端，因此变换器电压增益为1。通过计算得出等效电路感性区域和容性区域的分界线，就可以把开关的零电压开关和零电流开关区分开来。感性区域：工作频率小于谐振频率，当负载增大时，电压增益减小伴随着输出电压也会减少；工作频率大于谐振频率时，当负载增大时，电压增益增大伴随着输出电压也会升高。当实现零电压开关时，等效电路阻抗处于感性状态，随着开关频率增大，其谐振槽所承担的电压增大，电压增益随开关频率增大而减小。4.2.2正向仿真结果当正向工作时，为减小输出电压纹波，两相开关管采用交错式驱动。如图4-7所示，模块输入电压为400V，输出电压为20V，工作频率为83.33kHz，当开关频率介于第一谐振率100kHz与第二谐振频率62.5kHz时，由于主变压器被输出电压限制，励磁电感电流成线性上升，到达与谐振电流相同的幅值时，经过整流后可以看出，低压侧零电流开关断开，实现软开关。图4-7<电路波形由于输出电流为零，此后励磁电感将不被输出电压限制。因此谐振电感、励磁电感、谐振电容共同参与谐振，组成谐振槽。实现开关管零电压开关的要求。如图4-8所示，当开关频率等于第一谐振频率100kHz时，上桥臂开关管处于开启状态，电感电流成线性上升趋势，谐振电流呈现正弦波形，当电感电流和谐振电流相等时，上桥臂开光管恰好断开，因此低压侧正好可以实现零电流关闭。此后下桥臂处于开启状态，电感电流的大小直接影响高压侧的零电压开关状态，进行相关计算和设计可以达到要求。图4-8=电路波形图4-9>电路波形如图4-9所示，当开关频率为125kHz大于第一谐振频率100kHz时，上桥臂开关管关闭并断开，在此之前电感电流和谐振电流还没有交点，导致整流后波形快速下降，因此低压侧开关管实现不了零电流开关。综上所述，正常工作时，三个频率段都实现零电压开通，当小于和等于第一谐振频率时，才可以实现零电流关闭。考虑到损耗和效率等因素，工程上一般工作在小于第一谐振频率。4.2.3反向工作原理如图4-10所示，ISOP结构LLC谐振变换器反向工作的原理图。图4-10ISOP结构LLC谐振变换器反向工作原理图LLC谐振变换器反向工作时，ISOP结构等效电路图如图4-11a）所示，当两路谐振槽参数一致时其等效电路图如图4-11b）所示。电压增益M′式子中，M′与k值无关。在反向工作过程中，输入电压一直限制励磁电感的变化量，但输出电压不受励磁电感的影响，因此在等效电路中可以忽略励磁电感。如图4-11c）所示，在等效电路中，参与谐振只有谐振电感和谐振电容，电压增益将一直小于1。那么单相的直流电压增益可表示为：式中——变换器实际负载（Ω）；——等效负载（Ω）。和之间的关系可表示为：图4-11交流等效电路图图4-12电压增益和负载的关系曲线因此反向后的ISOP结构LLC谐振变换器电压增益可表示为：当等于1时，即工作频率谐振频率相等时，电压增益随负载变化无关；当工作频率大于谐振频率时，变换器的谐振槽呈现电感阻抗，电压增益随谐振槽承受电压的增大而减小；当工作频率小于谐振频率时，谐振槽呈现电容阻抗，且谐振槽所承受的电压增大，电压增益减小。在相同的工作频率下，重负荷的电压增益比轻负荷的电压增益小。4.2.4反向仿真结果为减小输出电压纹波，ISOP结构LLC谐振变换器反向工作时，低压侧开关管仍交错驱动。如图3-2-1所示，输入电压为20V，输出电压为400V，工作频率为83.33kHz，全波整流转换为推挽式结构。当一侧通电时，输出电压限制励磁电感，则励磁电流成线性增长。此时，谐振槽有谐振电压和谐振电容。当达到共振周期的一半时，低压侧开关仍未关闭，共振电流振幅为零，高压侧开关可实现零电流关闭。图4-13<电路波形输出电压限制励磁电感，电流仍成线性趋势。低压侧另一侧开关管开通，通过设计励磁电感量和死区时间，可以使低压侧开关管实现零电压开通。如图4-14所示，当开关频率等于第一谐振频率100kHz时，当低压侧一侧开通时，励磁电流处于线性状态，谐振电流从零开始谐振，经过半个谐振周期后，谐振电流回归幅值零，刚好开关管驱动关断，高压侧开关管可以实现零电流关断。与开关频率小于第一谐振频率时状况相同，由于励磁电流的作用，低压侧MOSFET仍可以实现零电压开通。图4-14=电路波形如图4-15所示，当开关频率为125kHz大于第一谐振频率100kHz时，当低压侧接通时，励磁电流线性上升，谐振电流从零开始谐振。由于低压侧开启的时间不到谐振周期的一半，当谐振电流未达到零时，开关的驱动被关闭。在死区，谐振电流迅速下降到零，高压侧开关不能关断零电流。当低压侧的另一侧接通时，谐振电流开始线性下降，以此类推。总之，无论换流器工作在哪个频段，它都能接通零电压。只有当谐振电流小于或等于第一谐振频率时，谐振电流的过零点才能实现高压侧开关的零电流关断。图4-15>电路波形

第5章均压均流分析当采用ISOP结构的LLC变换器的谐振槽参数不同时，各模块的输入电压和输出电流将不平衡。因此，有必要对级联模块的电压、电流分配进行分析，并提出相应的解决方法。首先，分析了电压均衡与电流均衡的关系，通过比较飞电容与双回路控制方法，分析了电压均衡的效果。5.1均流和均压之间的关系对于ISOP系统，每个模块的输入电流和输出电压相等，因此当输出电流相等时，输入电压均衡与每个模块的效率有关；同样，当输入电压均衡时，输出电流均衡也与每个模块的效率有关。为了简化分析，可以假设每个模块具有相同的损耗和效率。可以推断，均流使电压均衡，均压使电流均衡。5.2飞跨电容分析采用飞跨电容实现均压，其结构图如图5-1所示。在每个模块的上下桥臂的中点接入一定幅值的电容C称为飞跨电容。图5-1加入飞跨电容结构图如图5-2所示，只考虑初级侧输入电容随开关管开通和闭合时的能量传递情况。假设因扰动模块1的输入功率变大，即VC1大于VC2。当上桥臂Q1、Q2导通，下桥臂Q3、Q4关断时，由于VC1与VC不一致，首先向飞跨电容C充电，电压快速上升与VC1相等；当上桥臂Q1、Q2关断下桥臂Q3、Q4导通时，由于VC2与VC不一致，首先飞跨电容C放电，C2充电，电压快速上升与VC相等。这样在每半个周期内都有一次能量的转换，最终实现输入电压的均衡。图5-2飞跨电容工作过程但在每次能量传递过程中，由于VC1和VC或VC2与VC不一致，会产生较大的峰值电流，可能对开关和电容器造成损坏，对开关和电容器提出了更高的要求。

第6章低损耗变压器控制方法与分析对于各模块高度对称的ISOP系统，可以实现自动输入电压均衡和输出电流均衡特性。但是，由于元件制造过程中模块参数的不一致，会导致系统输入电压和输出电流的不平衡。为了使ISOP系统稳定、正常运行，必须保证各单元的均衡运行，即系统中各单元的输入电压均衡和输出电流均衡。一般来说，ISOP结构的控制策略由两部分组成：一部分是分压均流的闭环双回路，调节各单元的平衡功；另一部分是输出电压回路，保持输出电压稳定。6.1直流低损耗变压器系统级控制方法6.1.1系统级稳定性分析图6-1系统输入输出侧控制策略等效示意图先讨论输入均压策略，如图（a）所示，从输出端往输入侧看，输入端具有恒功率的特性，每个模块的输出功率相等：（6-1）其中功率单元输出的电流：（6-2）由于ISOP系统各模块的输出电压相等，由式（6-1）可以看出，在理想的无扰条件下，如果各模块的输出电流相等，系统将稳定工作。接下来，分析了输出端的电流共享策略。如图（b）所示，从输入侧到输出侧，输出侧呈现恒功率特性，即每个单元的输入功率相等：（6-3）其中，功率单元的输入电流为：（6-4）由于ISOP系统中各模块的输入级是串联的，因此各模块的输入电流是相同的。现在以其中两个为例。如果在两个模块的输入端加上干扰电压，如模块1的输入电压增加，模块2的输入电压降低，可以从方程（6-3）中看出，因为方程的右边是常数，模块1的输入电流随模块1的输入电压增加而减小。由于总输入电流保持不变，两个模块的输入电流增加。当上述干扰发生时，当模块1离开平衡工作点下降到B点时，模块1的输入电流小于总输入电流。即Icin_i＜Iin由式（6-4）可知，当时Icin_1<Iin_1输入侧支撑电容电流为正，因此，电容器充电导致模块1输入电压升高，支持电容电压升高进一步导致模块1输入电压升高，形成正反馈，使系统不再回到原来的稳定状态，同时模块2输入电流大于总输入电流。即Icin_2>Iin由式（6-4）可知，模块2输入侧支撑电容器的输入电压为负，电容器处于放电状态，使模块2的输入电压下降，电容器电压的下降将进一步导致模块2的输入电压下降，从而使其无法回到平衡的稳定状态。因此，除了在输出侧采用均流控制，输出功率相等时，其他情况都能够保证系统的稳定运行。6.1.2系统控制方法的比较与选择对于所提出的DC变压器基于直流配电网络的关键，以确保其稳定的运行是每个基本单元模块的输入级均衡和输出级的电流共享。目前，ISOP有三种控制策略：（1）三环控制策略三回路控制策略包括各模块的输出电压回路、输入电压共享回路和内部电流回路。输出电压回路保持输出电压稳定，输入电压均压回路保证各单元模块输入电压相等。输出电压回路的输出值与各模块输入电压共享回路的输出值叠加，作为电流内环的参考信号。比较后，将电流内环的输出信号输入驱动电路，实现系统级的传输。控制和调节输入电压和输出电流共享。（2）双环控制策略本文提出的控制策略是一种消除内环电流的双环控制策略。其基本思想是系统中各模块共用一个电压回路，以稳定输出电压，而输入均衡电路直接负责调节各模块的占空比，使输入电压大的单元占空比大，输入电压小的单元占空比小。从而实现了输入电压的平衡控制。（3）共用占空比策略在该策略中，如果移除输入均衡环，则共享占空比。理论基础是：由于各模块的占空比相同，输入电压高的模块输出的输出功率较大，而输入电压低的模块输出的输出功率较小，从而在输入阶段达到较好的分压效果。然而，采用这种控制策略达到理想效果的前提是每个模块的设计参数应极其对称，参数之间的匹配度应非常高，以达到理想的均压效果。然而，在实际电路中，这种理想的参数设计是很难实现的，也就是说，参数的完全匹配是不现实的，因此在实际应用中，这种控制策略的均压均流效果是相当有限的。从以上分析可以看出，三回路控制策略与双回路控制策略的主要区别在于各单元模块中是否设置了内电流回路，即系统的输出电压回路是采用单回路还是双回路的电压电流模式。通过分析，可以看出，三环路模式可以使isop系统具有较好的动态性能，而双环路控制策略下的系统动态性能稍有不足。因此，对带I和I的直流-直流变换器采用三回路控制策略。6.2控制系统下的稳定性分析在控制系统存在的情况下，分析系统稳定运行的必要条件。从以上部分可以看出，当系统由三个回路控制时，系统可以稳定运行。在三回路控制的基础上，去掉了输入均衡环，并对其稳定性进行了分析。在三回路控制策略的基础上，去掉了输入均压回路，即当输出电压回路的输出信号直接作为电流内环的参考信号时，与电流信号比较后输入驱动电路。当系统达到稳定状态时，各模块内部电流回路的参考信号相等，因为输出电压相等，所以各模块的输出电流相等。当模块具有正电阻特性时，输入电流随模块输入电压的增大而增大，随模块输入电压的减小而减小。增加机组的输出电流可以增加机组的输入电流。同样，减小模块的输出电流也可以减小模块的输入电流。根据这一原理，在设计系统的控制策略时，可以利用输入电压回路检测系统的输出电压，并将其转换成输入电压信号，然后与输入电压的标准参考值进行比较。当单个模块的输入电压大于输入电压的参考值时，电流内环的参考值变大。因此，通过调节控制系统，提高了系统的输出电流，从而提高了模块的输出功率。根据以上分析，当输出电流增大时，输入电流也增大，从而达到调节的目的。6.3分散式控制方法与集中控制策略相比，分散控制策略将集中控制电路分散到各个模块中，使每个模块功能相对完整，成为一个独立运行的标准化模块，模块之间可以通过通信线路互连。在采用分散控制策略的前提下，系统可以根据不同的接入电压等级任意增加或减少模块数量，提高了系统的灵活性和单元模块的独立性。分散控制策略就是每个单元模块功能都是相同的，一个模块发生故障时，其他模块照常工作，并不会影响到其他模块，使系统的稳定性较高保障。因此，针对ISOP系统的运行特点，将分散控制策略的思想应用于本文所研究的ISOP结构直流变压器，能充分发挥多模块组合系统的功用。在此基础上，本文采用了低压直流配电网用直流低损耗变压器的控制方法。如图6-2所示：6-2系统级分散式控制策略如图所示，本文所采用的控制策略包括三个闭环控制，即输出电压回路、输入电压均衡回路和电流内环。输出电压回路用于控制和稳定系统的输出电压。控制系统采集系统的输出电压，并通过反馈系统反馈输出电压信号。输出电压信号与参考电压进行比较，输出电流内环中的参考电流通过补偿装置。当输出电压升高时，采集到的输出电压信号与参考电压值的比较信号为正，补偿后得到的参考电流值增大，使电流内环中的输出信号变大，导致补偿网络的正输出信号。从而提高了控制系统控制驱动模块的输出频率。根据LLC谐振变换器的电压增益特性，输出电压随工作频率的增加而降低，使输出电压在额定水平下降低并稳定。当输出电压降低时也是如此。输入均衡环用于维持模块间输入电压的平衡，防止模块间的循环导致系统运行不稳定。输入电压均衡器收集每个模块的输入电压，并将其与输入电压的平均值进行比较。然后，比较值在补偿器之后输出电流内环的另一个参考电流信号。当模块的输入电压升高时，电路采集的输出电压值与参考值相比为正，使电流内环的参考电流值增大，电流内环的输出信号为正，使控制系统控制增加工作频率。从系统的正电阻特性可以看出，当系统的工作频率上升时，模块的输入阻抗减小，形成了单模块。模块的输入电压降低并稳定在正常值。当单元模块的输入电压降低时也是如此。

第7章低损耗变压器系统的参数设计7.1额定参数的选择随着柔性高压直流输电技术的不断发展，直流断路器、直流断路器等直流设备的研究成果不断丰富，水平不断提高。直流配电网技术的发展已成为不可逆转的趋势。目前，我国直流配电网的电压等级分配规则尚不明确。因此，在选择本论文提出的直流配电网用直流低损耗变压器的额定参数之前，有必要确定直流配电网的电压等级序列。电压等级序列的制定首先要具有前瞻性，要充分的考虑到未来直流负荷的发展趋势，同时又要对直流电网的结构有一定的预判，各个等级要相互搭配，从而建立起来合理的电压等级序列。对于中，低电压直流配电领域本文主要关注的是，目前的研究表明，中压侧大多采用的10kV的电压设计。这个电压电平的目的是合理地将电力提供给终端发电站或较大的负载。充分考虑它的供电能力和经济性。研究发现，10kV的DC电源容量相当于AC20kV的电源容量，但DC10kV的电源具有用于比AC10kV的传输线的传输线不太绝缘的要求。因此，在直流配电网络的介质电压侧的10kV的电压电平序列可以大大降低投资成本，和分配网络的相应的传输容量可以被大大提高；关于直流配电网的低压侧电压等级序列的选取，400V是目前来说较为广泛选取的直流电压等级，也是各个种类直流用电终端设备能够直接接入的电压等级，并可以通过此类电压等级经过逆变器向交流220V用电设备供电。因此此电压可以作为用户的入户电压。在一些情况下，为了与各种类型的安全电池的DC接入系统兼容，该电压也可被转换成200V直流电源。因此，在直流配电网的中压侧采用1.5kV电压等级序列，可以大大降低投资成本，同时也可以大大提高配电网的相应输电能力。在直流配电网低压侧电压等级顺序的选择上，400V是目前选择最广泛的直流电压等级，也是各类直流功耗的终端设备。可直接连接的电压等级可通过逆变器向220v交流电源设备供电。因此，该电压可作为用户的家庭电压。在某些情况下，为了与由各种安全电池组成的直流接入系统兼容，该电压也可转换为200V直流电源。根据对直流配电网的现状和未来发展趋势的调查研究，以及以上电压等级序列的选择，最后选定的系统的额定参数如表7-1所示：表7-1系统额定参数表参考量数值网侧电压10kv输出电压400v额定功率400kw7.2级联模块数的选定由于本文提出的低损耗变压器的一次侧是为了适应高压，所以选择电压应力较强的IGBT作为单元模块的开关器件。随着电力电子技术的发展，虽然一些IGBT开关可以加压到6.5千伏，但应力大的开关管也意味着高损耗。考虑到成本因素，采用高压应力开关器件。性能开关成本过高，经济性差。由于本文提出的低损耗变压器拓扑结构采用IS0P结构，能很好地解决变压器一次侧的分压问题，各单元模块采用支持电容分压结构，能很好地保护IGBT。由于主侧接有10kV电压，综合考虑以上情况考虑，最后选定系统级联模块数为4。7.3开关频率的选择开关频率是以LLC谐振变换器为基本单元的直流变压器系统的一个重要参数。开关频率的增加对减小变压器体积和减小变压器重量有明显的影响。因此，应在适当的范围内尽可能提高开关频率。但值得注意的是，随着开关频率的增加，LLC谐振变换器中交流变压器线圈导体的趋肤效应逐渐增强，磁性元件的磁滞损耗也随之增大。另外，作为谐振电感的一部分，变压器的漏感随开关频率的增加而增大，必然导致LLC谐振变换器电感比例系数K的降低，进而改变单元模块的工作特性，从而影响到功率因数的稳定性。同时，高压大功率IGBT开关频率上限也是阻碍开关频率提高的主要因素之一。对于适合本系统的IGBT器件参数，开关延迟时间为1.20us，开关上升时间为0.35us，因此总开关时间可计算为1.55us。中断时间8.20us，中断下降时间0.5us，中断累积时间3.10us，总中断时间11.80us。从上述关断时间的限制可以看出，开关频率过高不适合该系统。最后，考虑到IGBT本身的损耗大于传统的MOS晶体管，损耗将随着频率的增加而进一步增加。综上所述，本文提出的低损耗变压器系统的开关频率为1.8kHz。7.4主侧支撑电容的设计在主支撑电容器的设计中，考虑了两个局限性。首先，为了削弱纹波电压，减轻特殊情况下电压突变造成的负面影响，并保持输出电压的稳定，主侧支持电压应取较大值；其次，为了快速跟踪系统的控制并获得良好的响应速度，主侧支撑电容取较小值。让主输入电容器的初始电压为Udc，可得支撑电容电压为：（7-1）当主侧支捸电容充电至额定电压时，充电时间：（7-2）根据本文提出的低损耗变压器系统的以下指标，应设置支持电容器的最大充电时间，即LLC谐振变换器主侧支持电容器从初始值到额定值的充电时间不应大于或等于充电时间LLC谐振变换器主侧的支撑电容。即计算得到：（7-3）在工程上，支持电容器的充电电流一般取无功直流电压跟随性最大充电时间小于0.15s，由于系统在输入侧采用四个模块串联结构，因此每个模块的输入直流电压为2.5kV。通过式（6-3）可以得到支撑电容的范围：C≤0.0782F本文选择输入侧支撑电容为＝0.0657.5LLC谐振网络参数的设计首先确定单元模块中频变压器的转换比。为了优化系统性能，将额定电压输入的开关频率设置为串联谐振频率。在本文设计的系统中，机组模块的额定输入电压为2.5kV，输出电压为400V，根据公式得出N=6.25。本文将单元模块电压的范围设定为2.25-2.7kV。根据系统设计的限制，曲线值应大于ZV实现的最小值（即图5-1中的水平虚线），工作频率应选为该规范中q的最大值。本文根据LLC谐振变换器的稳态数学模型，选择Q=1.1。通过对该方法的研究，可以得到单元模块一次侧的等效载荷。（7-4）综上，可以得到一系列谐振网络参数（7-5）7.6输出电容的设计由于本文提出的直流低损耗变压器系统单元模块的输出级采用倍压整流电路，因此每个输出电容器的输出电压为实际模块输出电压的一半。本设计非常适合直流配电网的高压输出，能很好地保护整流二极管，节约成本。输出电容的选取可由下式得出：（7-6）其中：最后可以得到。

第8章变压器保护设计变压器的不稳定工作时，电压会出现一定的变化，其原因在于出现过载负荷电流和外部电流的短路，使得油面功率变低。而针对以上的故障解决以及紧急状态的变压器处理，一般可以进行下面的保护：（1）为控制反应器和变压器外部电路相间电流短路条件引起的过流或电流和速断同时装设作为直流瓦斯、纵差过流保护的后备电路应同时装设过流和电流速断保护。例如复合负序电压电流起动过载超电流暂停保护或复合负序过载超电流起动保护。（2）为了防止反应大量的外部接地零序短路接地。（3）通过变压器的过负载电压的手动降低以及设置安装相应的反应过负载电压的安全保护装置，可以保障直流变压器的稳定运行，使得故障和异常减少。但实际上在其运行中仍然经常会发现有不少变压器可能同时工作从而发生各种类型的的电力系统故障和异常从而影响连续运行。必须严格地根据整个工业电力变压器的输出电流容量的额定大小、电压以及变压器安全连续运行保护的主要元件设备配置情况确定安全保护原则。8.1瓦斯保护对于瓦斯保护，一般需要进行继电器的设置。此项继电器保护主要通过发电机驱动或瓦斯气体进行驱动。此继电器主要是安装于发电机的驱动油箱内，通过油箱内的瓦斯气体就可以将其流至所需的液压油枕中，一般进行瓦斯保护的驱动需要用到一个单独排气管道。就目前的自动瓦斯电源继电器而言，主要是通过浮筒开口或者自动开口进行处理。8.2纵联差动保护在容量较小的直流变压器上可以在高压电源侧壁上装设纵联电流速断差动保护。但是，由于断电保护不能适当地保护整个驱动变压器，因此在使用其电流灵敏度时，必须考虑对快速电流保护的要求，并且必须对所有供电绕组，绝缘元件的套管以及驱动变压器的绕组进行保护。为了保护，使用了各种电流长度偏差和连接电缆上的偏差动作。气体隔离保护插座的功能会随着时间的流逝对燃油箱中驱动变压器的故障做出反应，而不会随着时间的推移对绝缘保护