高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法与流程

本发明涉及电力电子变换器吸收电路的设计方法，具体涉及一种高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法。

背景技术：

1、以高频变压器为核心的大容量双向直流变换器是构成电力电子变压器的基本功能模块，在舰船综合电力系统、新能源中压直流汇集等场合具有广阔的应用前景。双向直流变换器的高频链路通常由电感器、电容器、高频变压器以及连接上述元件的线路组成。受限于大容量电磁元件的体积，电感器、电容器等元件以及高频变压器均存在显著的寄生参数，这些寄生参数相互耦合，使高频链路的谐振频率显著降低，并在宽频范围内形成若干阻抗谐振峰。

2、在开关器件动作时刻，激励信号中的高频分量会激发上述阻抗谐振峰，从而在高频变压器端口形成幅值很高的谐振电压尖峰。在传统设计中，高频变压器需要长期耐受该端口谐振电压尖峰，而该电压尖峰具有峰值高、等效频率高的特点，长期作用会加速变压器绝缘材料的老化、缩短其使用寿命，严重时甚至导致变压器绝缘击穿和短路故障，危及装置的运行安全。

3、然而，现有的高频链路建模多采用忽略寄生参数频变特性的简化等效电路，难以在宽频范围内准确刻画高频链路的阻抗谐振特性，因而无法在设计阶段准确预报高频变压器端口的谐振电压尖峰；同时，针对端口谐振电压尖峰的吸收电路（即缓冲电路）参数大多依赖工程经验进行整定，缺乏系统的优化方法，往往难以在抑制电压尖峰与降低吸收损耗之间取得合理折中。因此，如何准确预报高频变压器端口谐振电压尖峰并对吸收电路参数进行优化设计，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提出了一种高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，以克服现有技术中高频链路宽频建模不准确、难以在设计阶段准确预报高频变压器端口谐振电压尖峰，以及吸收电路参数依赖经验整定、难以兼顾电压尖峰抑制与吸收损耗的不足的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：对双向直流变换器的高频链路以及所述高频链路中的多个元件分别进行开路阻抗测试和短路阻抗测试，得到阻抗测量数据；所述元件包括线路、电感器、电容器和变压器；

4、步骤s2：分别建立多个所述元件的元件电路模型；

5、步骤s3：根据所述元件电路模型和所述阻抗测量数据，采用优化算法分别提取多个所述元件的初始电路模型参数；

6、步骤s4：采用所述元件电路模型搭建所述高频链路的电路模型，以所述初始电路模型参数为初始值，根据所述阻抗测量数据采用所述优化算法对所述高频链路的电路模型的参数进行优化，得到高频链路模型参数；

7、步骤s5：根据所述高频链路的电路模型和所述高频链路模型参数搭建所述双向直流变换器的仿真模型，并计算所述变压器的端口在无吸收电路时的端口电压尖峰；

8、步骤s6：在所述仿真模型中向所述变压器的端口接入rc吸收电路，计算所述rc吸收电路在不同参数组合下对应的所述端口电压尖峰以及所述rc吸收电路中的吸收电阻的功率，并计算由所述端口电压尖峰和所述吸收电阻的功率构成的解集的帕累托前沿；

9、步骤s7：在所述帕累托前沿中选取所述端口电压尖峰小于安全电压边界且所述吸收电阻的功率最小的参数组合，作为所述rc吸收电路的优化参数。

10、优选地，所述电感器和所述变压器的元件电路模型均包含寄生电容，所述电容器的元件电路模型包含寄生电感。

11、优选地，所述变压器的元件电路模型为考虑电阻频变特性的改进宽频电路模型，所述改进宽频电路模型包括励磁支路、漏感支路、电容支路和理想变压器；所述电容支路包括绕组对地电容及绕组间电容；所述励磁支路包括一组串联阻抗以及至少一组并联阻抗；所述漏感支路包括原边漏感支路和副边漏感支路，每一漏感支路均包括一组串联阻抗以及至少一组并联阻抗。

12、优选地，步骤s3中分别提取多个所述元件的初始电路模型参数时，所述优化算法的目标函数为模型阻抗相对于测量阻抗的平均相对误差，所述平均相对误差的表达式为：

13、；

14、其中为测量阻抗的模，为模型阻抗的模，表示对全频段取平均值。

15、优选地，步骤s4中对所述高频链路的电路模型的参数进行优化时，所述优化算法的目标函数的表达式为：

16、；

17、其中为阻抗谐振峰的个数，和分别为第个阻抗谐振峰的测量阻抗模值和模型阻抗模值，和分别为第个阻抗谐振峰的测量谐振频率和模型谐振频率，为阻抗误差权重系数，为谐振频率误差权重系数。

18、优选地，步骤s3和步骤s4中所述优化算法为全局优化算法。

19、优选地，所述安全电压边界根据所述变压器的绝缘耐受电压确定。

20、优选地，所述rc吸收电路由所述吸收电阻和吸收电容串联构成。

21、优选地，步骤s6中通过遍历所述吸收电阻和所述吸收电容分别在预设取值范围内的不同组合，分别计算对应的所述端口电压尖峰和所述吸收电阻的功率。

22、优选地，所述双向直流变换器为谐振式双向直流变换器，所述谐振式双向直流变换器包括三电平逆变桥、所述高频链路和两电平整流桥，且所述三电平逆变桥和所述两电平整流桥采用移相控制。

23、本发明的有益效果至少包括：

24、1）本发明通过对高频链路中线路、电感器、电容器和变压器及高频链路整体的实测阻抗进行宽频建模，并对变压器采用考虑电阻频变特性的改进宽频电路模型，能够在宽频范围内准确刻画高频链路的阻抗谐振特性，从而在设计阶段即可准确预报高频变压器端口的谐振电压尖峰。

25、2）本发明以端口电压尖峰与吸收电阻功率为优化目标，通过求取二者的帕累托前沿并在安全电压边界约束下择优，能够在抑制端口谐振电压尖峰与降低吸收损耗之间取得合理折中。

26、3）本发明能够有效抑制高频变压器端口的谐振电压尖峰、降低吸收电路损耗，保护高频变压器的绝缘安全，提高装置的运行可靠性。

1.一种高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，所述电感器和所述变压器的元件电路模型均包含寄生电容，所述电容器的元件电路模型包含寄生电感。

3.根据权利要求1所述的高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，所述变压器的元件电路模型为考虑电阻频变特性的改进宽频电路模型，所述改进宽频电路模型包括励磁支路、漏感支路、电容支路和理想变压器；所述电容支路包括绕组对地电容及绕组间电容；所述励磁支路包括一组串联阻抗以及至少一组并联阻抗；所述漏感支路包括原边漏感支路和副边漏感支路，每一漏感支路均包括一组串联阻抗以及至少一组并联阻抗。

4.根据权利要求1所述的高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，步骤s3中分别提取多个所述元件的初始电路模型参数时，所述优化算法的目标函数为模型阻抗相对于测量阻抗的平均相对误差，所述平均相对误差的表达式为：

5.根据权利要求1所述的高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，步骤s4中对所述高频链路的电路模型的参数进行优化时，所述优化算法的目标函数的表达式为：

6.根据权利要求1所述的高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，步骤s3和步骤s4中所述优化算法为全局优化算法。

7.根据权利要求1所述的高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，所述安全电压边界根据所述变压器的绝缘耐受电压确定。

8.根据权利要求1所述的高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，所述rc吸收电路由所述吸收电阻和吸收电容串联构成。

9.根据权利要求8所述的高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，步骤s6中通过遍历所述吸收电阻和所述吸收电容分别在预设取值范围内的不同组合，分别计算对应的所述端口电压尖峰和所述吸收电阻的功率。

10.根据权利要求1所述的高频变压器端口谐振电压尖峰吸收电路的参数优化方法，其特征在于，所述双向直流变换器为谐振式双向直流变换器，所述谐振式双向直流变换器包括三电平逆变桥、所述高频链路和两电平整流桥，且所述三电平逆变桥和所述两电平整流桥采用移相控制。