(南京工程学院电力工程学院江苏省南京市211167)
摘要：随着用电负荷的日趋多样化，尤其是直流负载的增多，直流配电网已经逐渐走进人们的视线。此外直流电网也能规避新能源发电所带来的电压波动等电能质量问题。DC/DC变压器作为直流配电网的关键部分，因此对DC/DC变压器中的核心部件高频变压器的设计至关重要。
关键词：直流配电网；高频变压器设计与仿真
一、直流配电网研究意义
电力系统早期，直流就是最主要的输配电方式。后来随着经济发展，人们对电压等级、用电容量、电网规模的要求不断变高，具有远距离输送方便优势的交流电网便应运而生。然而随着科学技术的进一步发展，用电负荷趋于多样化，尤其是直流负载（IT设备、照明、工业变频器）的增多。目前成熟的交流电网由于存在电压波动、三相不平衡、谐波等电能质量问题已经很难满足多样性负荷的需要。在这方面，直流电网因其可靠性高、潮流可控、接入直流负载无需中间换流环节等优势，渐渐受到中外学者的重视。
另外，世界各国为了应对日益恶化的大气环境、贯彻实行可持续发展理论，近年来一直大力开发利用可再生能源，尤其是水电、风电、太阳能发电等为代表的可再生能源。然而可再生能源所发的电与传统的化石燃料所发的电有一个很大的区别，那就是可再生能源固有的随机波动性。随着高通量的可再生能源接入电网，这种间歇性就被无限放大，对电网造成了巨大的冲击。电网将面临严峻的挑战，诸如：电压波动、电能质量、故障保护、频率抖动、谐波控制、电网损耗、无功补偿及能量调度等。相对传统的交流电网，直流电网无需无功补偿和频率同步，更容易稳定和控制，被认为更适合可再生能源接入。事实上，常用的可再生能源，如光伏、燃料电池和直驱式风力发电等所产生的电能均为直流电或中间需要整流成直流电。采用直流电网选择性地取代现有的交流电网，将省去大量的中间级电能变换环节，减少系统复杂性及成本，大幅度提高系统整体效率。因此，直流配电网是时代进步的产物，直流配电网的研究具有划时代的意义。
二、高频变压器
为了实现低压直流电网跟中压交流电网之间的互联，传统方案会采用工频变压器实现电气隔离和电压转换，而后通过一级大容量的AC/DC整流器实现交流电网和直流电网之间的能量交交换。该方案技术成熟，实现简单，但工频变压器功率密度低，占用体积大，运输和安装成本高，其中的AC/DC整流器通常工作在硬开关状态，存在显著的开关损耗，工作效率低下。
为了解决功率密度低的问题，PET（PowerElectronicTransformer）应运而生。PET借助于电力电子换流电路，变流器实现了中高频隔离，可有效降低变压器的体积和重量，进而提高整体功率密度。
而DC/DC直流变压器作为电力电子变压器中的核心换流技术，直接决定了电力电子变压器的性能。如前文所述，PET由于其功率密度高、体积小等优点代替了传统的工频变压器。而提高工作频率能极大的减少绕组匝数以及铁芯尺寸从而使设备小型化。高频变压器在DC/DC变压器里起着重要作用，是其核心部分。承担着能量的转换、传输和安全隔离的作用。准确而全面地掌握高频变压器的模型不仅能很好地描述其工作特性，而且还能对DC/DC变压器的工作性能进行优化和改进。除此之外，高频变压器在材料、体积，结构等方面的变动都会造成变压器的特性参数也相应地改变。又由于高频变压器属于磁性元件范畴，难以对其直接描述，为了准确模拟其工作特性，很有必要建立合理的高频变压器的模型。
1高频变压器设计
1.1铁芯的选择计算
市面上的高频变压器铁芯大多采用锰锌铁氧体。此外现有的铁芯选择方法有两种：Ap法（面积积法）和Kg法（磁芯系数法），此处采用Ap法。先求出磁芯窗口的面积Aw与磁芯的有效截面积Ae的乘积，再根据厂家提供的磁性参数查找所需磁性材料的编号。
设高频变压器一次侧电压为U1，绕组匝数为N1；二次侧电压为U2，绕组匝数为N2，Kf为波形系数、fs为工作频率、Bm为磁感应强度、Ae为磁芯有效截面积。
由法拉第电磁感应定律得：1=N1*=N1**10-4
设原副边电流分别为I1，I2，则有:K0Aw=【1】
由上述两式得：AP=Ae*Aw=【1】
1.2绕组的计算
因为高频变压器工作波形为非正弦波，因此匝数比不一定等于电压比。设占空比为D，则有以下公式：原边绕组匝数N1=【1】
副边绕组匝数N2=【1】
初级绕组裸线面积Ax1=【1】
次级绕组裸线面积Ax2=【1】
2高频变压器的仿真
利用ANSYSMaxwell软件对高频变压器进行2D以及3D模型的搭建，将建好的模型导入Simplorer中进行联合仿真。在变压器一次侧接逆变桥，二次侧接整流桥，由此构成了一个DC/DC变压器的拓扑结构。对仿真结果进行分析，包括一、二次侧电压电流波形，变压器的铁芯损耗以及绕组铜耗数值的记录，并与理论数据相对比。其中铁芯损耗理论计算可以参照斯坦梅兹(Steinmetz)公式：【2】
最后对变压器效率进行计算并做出相应改善。
参考文献：
[1]杨晓静.高频开关电源的研究与设计【D】.武汉理工大学硕士学位论文2011（05）
[2]王新勇.高频变压器损耗及温升特性分析【D】.河北工业大学硕士学位论文2013（12）
本文受江苏省大学生直流配电网DC/DC变压器研究项目资助（项目编号：201511276027）