本發(fā)明涉及電力電子直流變換器，特別涉及一種直流高壓自啟動(dòng)變換器的設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著我國可再生能源的快速發(fā)展，全國總裝機(jī)容量逐年穩(wěn)步上升，配電網(wǎng)中以3kv～10kv中壓直流配電網(wǎng)和10kv、20kv中壓交流配電網(wǎng)為主，其中的中壓配電網(wǎng)集合因其損耗和成本的優(yōu)勢迅速發(fā)展；隨著中壓配電網(wǎng)通過運(yùn)用更高耐受電壓的電力電子變換器單元提高電壓改善電流損耗，提高電壓變換器穩(wěn)定性，降低變換器控制難度的同時(shí)，也對變換器的絕緣與控制回路的可靠供電提出了更高要求；因此在當(dāng)前中壓配電網(wǎng)持續(xù)發(fā)展的情況下，從電子變換器單元的高壓輸入側(cè)對電力電子變換器單元的控制部分和驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行可靠供電，展現(xiàn)出重要的研究價(jià)值，對中壓配電網(wǎng)整體的工作穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。

2、對于中壓交流配電網(wǎng)，可以采用工頻變壓器解決開關(guān)器件耐壓過高的問題，而中壓直流配電網(wǎng)自取電裝置對高耐壓的電力電子開關(guān)器件有硬性要求；為提高效率，常采用實(shí)驗(yàn)性10kv?sic開關(guān)芯片自行封裝成獨(dú)立器件配合反激或者推挽結(jié)構(gòu)，但最終效率還是偏低，普遍在40％～60％；當(dāng)今市面上在售的分離sic開關(guān)器件耐壓3.3kv，單個(gè)獨(dú)立器件難以完成中壓電壓變換；此外，中壓直流配電網(wǎng)自取電裝置需要較高的隔離等級，對高頻變壓器隔離提出了較高要求，高頻變壓器的隔離增加也會(huì)增大變壓器的漏感問題，并且變壓器高電壓輸入會(huì)增加變壓器繞制圈數(shù)并造成絕緣問題。

3、因此，現(xiàn)階段所采用的技術(shù)因受制于效率、高隔離及高匝數(shù)問題，使得所設(shè)計(jì)的變換器在使用時(shí)難以在高電壓輸入時(shí)完成電壓變換。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例提供一種直流高壓自啟動(dòng)變換器的設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中，存在的因受制于效率、高隔離及高匝數(shù)問題，使得所設(shè)計(jì)的變換器在使用時(shí)難以在高電壓輸入時(shí)完成電壓變換的問題。

2、本發(fā)明實(shí)施例提供一種直流高壓自啟動(dòng)變換器的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

3、將buck變換器和llc變換器的輸入端串聯(lián)輸出端并聯(lián)，形成初級直流高壓自啟動(dòng)變換器；分別確定初級直流高壓自啟動(dòng)變換器中buck變換器和llc變換器的電性參數(shù)，以構(gòu)建初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的設(shè)計(jì)變量模型；

4、根據(jù)buck變換器電感電流斷續(xù)dcm控制要求中電感最大值條件和llc變換器全范圍零電壓開關(guān)zvs的要求中輸入電壓空載及滿載臨界條件，求取buck變換器電感最大值和llc變換器諧振電感最大值；

5、根據(jù)近鄰傳播算法ap法確定初級直流高壓自啟動(dòng)變換器磁性元件的磁芯形狀；并根據(jù)磁芯形狀及包含邊際效應(yīng)的初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的氣隙，確定初級直流高壓自啟動(dòng)變換器氣隙長度；

6、根據(jù)buck變換器電感最大值和llc變換器諧振電感最大值，獲得初級直流高壓自啟動(dòng)變換器磁性元件的磁芯形狀下初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度；

7、根據(jù)設(shè)計(jì)變量模型中的初級直流高壓自啟動(dòng)變換器原邊匝數(shù)、副邊匝數(shù)和輔助匝數(shù)，及初級直流高壓自啟動(dòng)變壓器氣隙長度，獲得初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的原邊繞組匝數(shù)；并結(jié)合設(shè)計(jì)變量模型，獲得初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的磁芯繞組總截面積；

8、根據(jù)初級直流高壓自啟動(dòng)變換器磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度、原邊繞組匝數(shù)及磁芯繞組總截面積，確定最佳磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，并根據(jù)最佳磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度確定初級直流高壓自啟動(dòng)變換器線匝繞組參數(shù)；

9、根據(jù)初級直流高壓自啟動(dòng)變換器磁芯形狀、氣隙長度及線匝繞組參數(shù)，進(jìn)行直流高壓自啟動(dòng)變換器的繞制。

10、優(yōu)選地，所述buck變換器和llc變換器的電性參數(shù)的確定，包括：

11、根據(jù)初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的設(shè)定功率需求，確定buck變換器的輸入電壓vin、輸出電壓vout及功率p，以及buck變換器的頻率fs；

12、同時(shí)根據(jù)變換器的設(shè)定功率需求確定llc變換器的輸入電壓vin、輸出電壓vout及功率p，以及l(fā)lc變換器的額定頻率fsn。

13、優(yōu)選地，所述初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的設(shè)計(jì)變量模型的建立，包括：

14、根據(jù)buck變換器和llc變換器的電性參數(shù)，建立包含buck變換器磁芯形狀、llc變換器磁芯形狀、初級直流高壓自啟動(dòng)變換器原邊匝數(shù)、初級直流高壓自啟動(dòng)變換器副邊匝數(shù)及初級直流高壓自啟動(dòng)變換器輔助匝數(shù)的設(shè)計(jì)變量模型。

15、優(yōu)選地，所述buck變換器電感電流斷續(xù)dcm控制要求，包括：

16、使得buck變換器滿足電感電流斷續(xù)dcm條件，buck變換器電感的最大值lmax應(yīng)滿足下式，此時(shí)電感電流處于連續(xù)狀態(tài)，有：

17、

18、其中：vbulk_max代表buck變換器電感l(wèi)max的最大值；vin_min代表buck變換器輸入電壓vin的最小值；fs代表buck變換器頻率；v0代表變換器的輸出電壓；i0代表變換器的輸出電流。

19、優(yōu)選地，所述llc變換器全范圍零電壓開關(guān)zvs的要求，包括：

20、使得llc變換器滿足全負(fù)載范圍零電壓開關(guān)zvs的要求，包括最小輸入電壓時(shí)滿載和最大輸入電壓時(shí)空載兩種zvs臨界情況，實(shí)際運(yùn)用中取對應(yīng)這兩者中品質(zhì)因數(shù)q值較小一個(gè)的0.9～0.95倍為設(shè)計(jì)指標(biāo)；并需結(jié)合死區(qū)時(shí)間td和zvs等效電容czvs進(jìn)行設(shè)計(jì)；

21、全負(fù)載范圍零電壓開關(guān)zvs的llc變換器設(shè)計(jì)過程為：

22、求取變壓器匝比，有：

23、

24、求取輸入電壓范圍內(nèi)的最大、最小增益，有：

25、

26、令空載時(shí)的電壓增益為所需最大電壓增益，求取最大歸一化頻率，有：

27、

28、求取等效到變壓器原邊的等效電阻，有：

29、

30、在輸入電壓最大、輸出空載條件下求取電感比，有：

31、

32、求取最小輸入電壓和滿載情況下變換器工作在zvs區(qū)的最大品質(zhì)因數(shù)qzvs1；求取最大輸入電壓和空載情況下變換器工作在zvs區(qū)的最大品質(zhì)因數(shù)qzvs2，有：

33、

34、為使在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)確保zvs狀態(tài)，須使得變換器的最大品質(zhì)因數(shù)低于qzvs1和qzvs2中最小的一個(gè)，并取5％～10％的裕量以確保滿足條件，有：

35、qs＝90～95％·min{qzvs1,qzvs2}

36、則獲取特性阻抗z0及l(fā)lc主電路參數(shù)為：

37、zo＝qs·rac

38、

39、其中：cr為llc諧振電容值；lr為llc諧振電感值；lm為llc原邊勵(lì)磁電感值；vin代表llc變換器的輸入電壓；v0代表變換器的輸出電壓；vin_min代表buck變換器輸入電壓vin的最小值；vin_max代表buck變換器輸入電壓vin的最大值；fs代表buck變換器的頻率；fmax代表buck變換器的最大頻率vout代表變換器輸出電壓；pout代表變換器輸出功率；n代表變換器原邊匝數(shù)。

40、優(yōu)選地，所述確定初級直流高壓自啟動(dòng)變換器氣隙長度，包括：

41、氣隙具有邊際效應(yīng)，原邊繞組匝數(shù)n1越多，磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度bmax越小，總損耗越小，但一定電感值下所需氣隙也越大，此時(shí)氣隙理想條件下的氣隙長度lg為：

42、

43、則在氣隙存在邊際效應(yīng)時(shí)，變換器的氣隙長度為：

44、

45、其中：μ0為真空磁導(dǎo)率；rc_total和ro_total分別為考慮了為x和y方向上變壓器中柱和邊柱的等效總磁阻；ae為電感磁芯的有效截面積；n為電感匝數(shù)；lp代表諧振電感；rb代表變壓器的等效電阻；a代表變壓器中柱上側(cè)臂與側(cè)臂之間的距離；b代表變壓器邊柱的寬度，h代表變壓器中柱上側(cè)臂的高度。

46、優(yōu)選地，所述初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的獲取方法為：

47、

48、其中：ilmax為電感電流最大值，n為電感匝數(shù)，ael為電感磁芯的有效截面積；lex為電感磁芯的有效電感值。

49、本發(fā)明實(shí)施例還提供一種直流高壓自啟動(dòng)變換器的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括：

50、變壓器模塊，用于將buck變換器和llc變換器的輸入端串聯(lián)輸出端并聯(lián)，形成初級直流高壓自啟動(dòng)變換器；分別確定初級直流高壓自啟動(dòng)變換器中buck變換器和llc變換器的電性參數(shù)，以構(gòu)建初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的設(shè)計(jì)變量模型；

51、磁路模擬模塊，根據(jù)buck變換器電感電流斷續(xù)dcm控制要求中電感最大值條件和llc變換器全范圍零電壓開關(guān)zvs的要求中輸入電壓空載及滿載臨界條件，求取buck變換器電感最大值和llc變換器諧振電感最大值；

52、根據(jù)近鄰傳播算法ap法確定初級直流高壓自啟動(dòng)變換器磁性元件的磁芯形狀；并根據(jù)磁芯形狀及包含邊際效應(yīng)的初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的氣隙，確定初級直流高壓自啟動(dòng)變換器氣隙長度；

53、根據(jù)buck變換器電感最大值和llc變換器諧振電感最大值，獲得初級直流高壓自啟動(dòng)變換器磁性元件的磁芯形狀下初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度；

54、根據(jù)設(shè)計(jì)變量模型中的初級直流高壓自啟動(dòng)變換器原邊匝數(shù)、副邊匝數(shù)和輔助匝數(shù)，及初級直流高壓自啟動(dòng)變壓器氣隙長度，獲得初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的原邊繞組匝數(shù)；并結(jié)合設(shè)計(jì)變量模型，獲得初級直流高壓自啟動(dòng)變換器的磁芯繞組總截面積；

55、根據(jù)初級直流高壓自啟動(dòng)變換器磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度、原邊繞組匝數(shù)及磁芯繞組總截面積，確定最佳磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，并根據(jù)最佳磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度確定初級直流高壓自啟動(dòng)變換器線匝繞組參數(shù)；

56、繞組模擬模塊，根據(jù)初級直流高壓自啟動(dòng)變換器磁芯形狀、氣隙長度及線匝繞組參數(shù)，進(jìn)行直流高壓自啟動(dòng)變換器的繞制。

57、本發(fā)明實(shí)施例提供一種直流高壓自啟動(dòng)變換器的設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果如下：

58、本發(fā)明將buck變換器和llc變換器進(jìn)行輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)連接，提升直流高壓自啟動(dòng)變換器的工作效率，同時(shí)對buck變換器和llc變換器結(jié)合后的直流高壓自啟動(dòng)變換器進(jìn)行多重磁路計(jì)算和仿真模擬，獲取直流高壓自啟動(dòng)變換器的最佳磁芯最大磁感應(yīng)強(qiáng)度、氣隙長度及線匝繞組參數(shù)，并以此進(jìn)行直流高壓自啟動(dòng)變換器的繞制，解決高隔離變壓器漏感過大的問題并安排最佳繞組匝數(shù)，使得變換器在高電壓輸入時(shí)完成電壓變換。