基于开关瞬态波形提取高频隔离变压器漏感参数｜大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制专题

清华大学电机系电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室的研究人员袁立强、谷庆、李婧、孙建宁、张春朋，在2017年第14期《电工技术学报》上撰文指出，双有源桥（DAB）DC-DC变换器中的高频隔离变压器是电能路由器的核心器件之一，在整个系统中承担着电气隔离、电压变换和功率双向传输的功能，对高频隔离变压器的漏感参数进行精确提取具有重要意义。而基于传统变压器实验的漏感测量方法不能很好地匹配变压器的实际工作波形，为此，提出一种基于DAB移相控制实验的提取漏感方法。

基于该方法，在不同的工作频率和电压条件下，对待测变压器进行了多组实验，实验结果证明了该方法的有效性。最后分析总结了变压器漏感和工作频率、电压幅值、移相比等因素的变化关系。

为了应对全球能源危机和日益严峻的环境问题、抑制全球气候的变化，各国政府都在积极探索新能源发电技术和分布式电源系统[1]。分布式电源系统的发展使得传统的配电由单纯的供电功能扩展出发电功能，灵活性增强[2]。除了少数分布式电源系统直接用来就地供给用户以外，大多数需要实现与传统配电网的并网，而并网过程的实现一般需要借助于电力电子装置[3]。

带有高频隔离变压器的电能路由器是一种集成融合了信息技术和电力电子变换技术的装置，能够实现能量的双向传输和高效利用[4]，是分布式电源系统并网的理想选择，因此近年来受到越来越广泛的关注。

电能路由器的拓扑形式多种多样，其中具有代表性的是美国北卡罗来纳州立大学提出的未来可再生能源传输和管理系统（Future RenewableElectric Energy Delivery and Management, FREEDM）[5]。

电能路由器的核心环节本质上是一台多端口电力电子变压器，典型的电力电子变压器拓扑主要分为基于模块化多电平变换器的结构[6]和基于级联H桥的结构[7]。基于级联H桥结构的电力电子变压器典型拓扑如图1所示，主要由输入整流器、中间双有源桥（Dual-ActiveBridge, DAB）DC-DC变换器和输出逆变器三级构成。

DAB是一个由铜、铁和半导体构成的组合系统，在整个电力电子变压器中承担着电气隔离、电压变换和功率双向传输等功能[8-10]，而高频隔离变压器则是DAB的核心器件之一。当DAB采用移相控制时，不论是单重移相控制、拓展移相控制、双重移相控制，还是三重移相控制，其最大可传输功率都是一定的，并且直接受控于高频变压器的漏感大小[11]。

因此，在设计变压器时，需要根据最大传输功率的需求，对变压器的漏感进行精确设计。换句话说，对于一个已经设计好的变压器，需要对其漏感进行精确检测，以此判断该变压器能否满足设计者对于DAB最大可传输功率的要求。高频变压器的漏感除了直接影响DAB的最大可传输功率以外，还是一些先进控制算法的输入参数。

例如，为了提高DAB电流内环的带宽，文献[12]提出了一种预测电流控制，而该控制方法依赖于变压器漏感的精确提取。综上所述，对电能路由器中高频隔离变压器的漏感进行精确提取具有重要理论意义和使用价值。

图1  基于级联H桥结构的电力电子变压器拓扑

目前最常见的变压器参数测试方法是基于变压器实验实现的，即通过变压器开路实验测量其等效励磁阻抗，通过变压器短路实验测量其等效漏磁阻抗[10,13]。采用该方法测量变压器参数时，施加在变压器上的电压信号通常为正弦波，而实际上电能路由器中的变压器是由高频方波信号驱动的。

除此以外，高频变压器中的磁场分布还和DAB的工作条件以及控制方法有关。因此，单纯通过变压器实验测量其漏感等参数是无法满足高精度需求的，对变压器漏感参数的提取需要尽可能地模拟其实际的工作条件。

基于上述考虑，本文提出一种高频变压器漏感参数的实验提取方法。该方法将变压器直接应用于DAB实验中，利用实验过程中变压器一次、二次电压、电流的测量结果对变压器的漏感进行计算。通过该方法测量出来的漏感，能够最大限度地模拟变压器的实际工作条件。

作为比较，本文同时介绍了变压器开路实验和短路实验的基本原理，并给出了通过变压器实验得到的漏感测量结果。在此基础上，结合DAB的实验波形，对通过变压器实验测得的漏感结果进行分析，指出其测量精度的缺陷。最后，对电能路由器中高频隔离变压器的漏感变化规律进行了总结。

结论

本文提出了一种基于开关瞬态波形提取高频隔离变压器漏感参数的方法。该方法基于DAB的移相控制原理，并利用DAB的移相控制波形进行参数的计算。作为比较，同时介绍了基于变压器开路实验和短路实验的传统测量方法。对一台实际变压器的参数进行了测试，测试结果表明，传统变压器实验由于无法模拟高频变压器在DAB中的实际工作条件，导致其测量结果与DAB实验波形不相符。

为此搭建了DAB实验平台，按照本文提出的基于DAB实验的测量方法对该变压器进行了50组实验测试。结果表明，变压器的匝比基本不随其工作条件的变化而改变；但是变压器的漏感会随着工作频率的提高而增大，同时会随着DAB移相比的增加而增大，而漏感和电压幅值的关系比较复杂，没有明显的规律，总的来说随着电压幅值的增大，漏感将先增大而后减小。

由于本文提出的高频变压器漏感提取方法，直接利用了变压器的实际工作电压和电流数据，具有较高的测量精度，可应用于一些先进控制算法的参数在线辨识等应用领域。