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风电变流技术 宽禁带半导体 ★ 5.0

中压中频变压器绕组内部电压振荡的起因分析与抑制方法

Origin Analysis and Mitigation Method of Voltage Oscillation Occurred Inside the Winding of Medium-Voltage Medium-Frequency Transformer

作者 Yueyin Wang · Wu Chen · Zhan Shen · Xiao Yu · Xuhao Zhu · Haozhe Jin
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 风电变流技术
技术标签 宽禁带半导体
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 中压中频变压器 电压振荡 绕组内部 计算模型 振荡抑制方法
语言:

中文摘要

中压中频变压器是大功率直流变换器的关键部件。然而,宽禁带半导体的超快开关速度会在中频变压器中引发电压振荡,增加一次绝缘局部放电的风险,并导致永久性击穿。现有研究主要关注端口处发生的电压振荡,但对绕组内部发生的电压振荡了解不足。本文提出了一种计算内部电压振荡的模型。与传统模型相比,该模型简单且首次考虑了铁芯的电能。据此,推导了基于物理原理的解析公式来计算电压振荡。基于该模型,分析了电压振荡、端口电压和变压器结构之间的关系。提出了振荡抑制方法并通过实验进行了验证。

English Abstract

The medium-voltage medium-frequency transformer is a critical component of high-power dc converters. However, the ultrafast switching speed of wide bandgap semiconductors can induce voltage oscillations in the medium-frequency transformer, increasing the risk of primary-insulation partial discharge and leading to permanent breakdown. Existing research has focused on voltage oscillations occurring at ports, but there is insufficient knowledge about those happening within the winding. This article presents a model for calculating internal voltage oscillations. Compared to conventional models, it is simple and considers the core electrical energy for the first time. Accordingly, the physically-based analytical formulas are derived to calculate voltage oscillations. Based on the model, the relationship between voltage oscillations, port voltage, and transformer structure is analyzed. The oscillation mitigation method is presented and validated by experiment.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文针对中压中频变压器内部电压振荡问题的研究具有重要的战略价值。作为光伏逆变器和储能系统的核心部件,中压中频变压器在阳光电源的大功率直流变换器产品中扮演关键角色,特别是在1500V光伏系统、集中式储能变流器以及新能源并网解决方案中应用广泛。

该研究的核心价值在于解决了宽禁带半导体(如SiC、GaN器件)超快开关速度带来的绕组内部电压振荡问题。这一问题直接关系到设备的绝缘可靠性和长期稳定性。论文首次将铁芯电能纳入计算模型,并提出基于物理机理的解析公式,为优化变压器设计提供了理论工具。对于阳光电源而言,这意味着可以在产品设计阶段预测和抑制局部放电风险,显著提升设备的MTBF(平均无故障时间),这对于追求25年以上运行寿命的光伏和储能系统至关重要。

从技术成熟度评估,该研究已完成理论建模和实验验证,处于工程应用的前期阶段。其振荡抑制方法可直接应用于阳光电源正在开发的新一代高功率密度逆变器和储能PCS产品中,特别是在向更高电压等级(如3.3kV、6.6kV)演进的中压产品线。

潜在挑战包括:将理论模型转化为实际设计规范需要大量工程验证;不同工况下振荡特性的复杂性;以及成本与性能的平衡。但这同时也为阳光电源建立技术壁垒、提升产品差异化竞争力提供了机遇,尤其在高可靠性要求的工商业储能和电网侧储能市场具有显著优势。