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13 分布式光伏电网电力变压器中的磁冲击电流
分布式光伏电网变压器（DPV-GT）中的磁浪涌电流可以高达额定电流的10到20倍。这主要由HV和LV侧上的变压器线圈的电感性质驱动。峰值浪涌电流的近似公式由下式给出
A (13.1)
其中
Bs=空气空间中的磁通密度=(AC/A^)(B residual 2 x Bmax= 130 kL/in2) (13.2)
Ac=芯体面积 （平方英尺）
As=空间面积（芯到绕组，平方英寸） 芯面积（平方英寸）
N=绕组匝数（螺线管长度，英寸）
B残余变量=假设30kL / in2（即5 kL/cm2）
假定铁芯的饱和度为130kL / in2（即20.2kL / cm2）
一些峰值磁浪涌电流曲线如图13.1所示。
13.1 变压器涌入电流保护
·变压器吸入浪涌电流，在上电时可能超过饱和电流（图13.2）。
·浪涌电流影响磁芯的磁性。
·即使变压器没有负载并且其二进制开路，也会发生这种情况。
·涌入电流的大小取决于变压器接通的交流波形上的点。
·如果在AC电压波处于其峰值时发生接通，则不会有变压器吸入的浪涌电流。 在这种情况下，电流的大小将处于正常，无负载值。
分布式光伏电网变压器
图13.1峰值浪涌电流曲线。
变压器在此瞬间开始。 请注意，此时电压为零。
图13.2（参见颜色插入）变压器保护的峰值电流曲线。
·如果在接通交流波形时，交流电流经过其零值，则所流过的电流将非常高并超过饱和电流（见图13.1）。在这种情况下，变压器必须防止浪涌电流（见表13.1）。
13.2 变压器的保护
本应用笔记提供了一种方便的解决方案（图13.3），以解决变压器中涌流超过饱和电流的问题。该解决方案使用与初级串联的典型热敏电阻。 该热敏电阻在开关开始时提供高电阻，并限制浪涌电流。在短时间之后，热敏电阻电阻由于自加热而降低到低值，并且不影响正常操作。
分布式光伏电网电力变压器中的磁涌电流
图13.3（参见颜色插入）采用热敏电阻保护的典型电路
考虑以下DPV-GT：
每个变压器额定值：1000 VAr 变压器降压：30 V
总变压器额定值：2000 VA
使用的滤波电容器：30 V，2300 uF
13.2.1选择标准＃1：能源
热敏电阻所需的能量计算如下。 我们首先计算变压器的感抗：
Xl=电压/峰值电流=120/564=0.213Omega;
其中：
·在一个周期中产生的峰值浪涌电流= 564 A，在示波器上测量
·输入电压= 120 VAC
·频率=60Hz
Xl=2pi;fL
因此，
Xl=2times;3.142times;60times;L
其中，
L=565 uH
因此，热敏电阻的能量额定值
13.2.2选择标准＃2：稳态电流
假设变压器的效率为70％，环境温度为75°C，最小输入电压为90 V：
对于所考虑的变压器：
通常，热敏电阻的工作电流最高可达65°C，然后必须考虑降额系数。选择一个合适的热电偶，至少可以提供如上计算的稳态电流。
使用75°C下的额定降额曲线，并使用最大额定稳态电流的相应的90％，
可以使用表13.1和13.2中的任何热敏电阻，额定电压高达36.0 A，以满足稳态电流和能量要求。
13.3 由于地磁感应电流（GIC）产生的磁浪涌电流
在太阳风暴期间，随着冠状质量喷射（CME）等离子体云与行星碰撞，大的，瞬态的磁性扰动覆盖并改变地球的通常稳定的磁场。这些磁扰动被称为地磁暴并且可以在一天或两天的时间内影响行星。这些扰动可以引起沿着行星表面的电压变化并且在地球中感生电场以在接地点之间产生电压差，这导致地磁感应电流（GIC）流过变压器，电力系统线路和接地点。GlCs 可通过其地线 - 中性连接严重影响接地的Y形连接的变压器和自耦变压器。
GICs可以使变压器被驱动到半周期饱和，其中变压器的磁芯在交替半周期上磁饱和。只需要几个安培来中断变压器操作。 在高压绕组的中性点中的1至2V / km和5A的GIC电平感应电压足以使接地的Y形连接的配电变压器在一秒或更短时间内达到饱和。
在地磁暴期间，在美国在中性线的变压器中测量到高达184A的GIC电流。
迄今测量的最大GIC是2000年4月6日在瑞典南部的地磁暴期间为270A。如果允许变压器半周饱和继续，杂散磁通可以进入变压器结构箱构件和电流绕组。随着温度在几分钟内上升几百度，局部热点可以在变压器箱内快速发展。
已测量到高达750°F的温度尖峰。 随着变压器在饱和和不饱和之间每秒切换60次，变压器的正常嗡嗡声变成一个喧闹的，开裂的噪音。反磁的区域和一个在钢板中的拳头撞击和振动100吨变压的大小，那几乎和一个小房子一般大。这种惩罚可以在地磁暴期间持续数小时。GIC诱导的饱和也可以在转录物内引起过量的气体释放。除了直接故障，变压器油中的气体含量增加，特别是纤维素分解产生的气体，变压器箱和铁芯的振动，以及变压器的噪声水平增加（噪声水平增加80 dB）。
GIC变压器损坏本质上是渐进的。 累积过热损坏导致变压器绕组绝缘寿命缩短，最终导致过早故障。
除了变压器中的问题，半周期饱和导致变压器汲取大的激励电流，该激励电流具有滞后90°的电源电压的基频分量，并且导致变压器变成系统上的意外的感性负载。这导致谐波失真和由于无功功率或伏安无功（VAR）需求而增加的负载。 这导致电气系统电压的降低和长传输连线的过载。 此外，谐波可能导致保护继电器不正常工作，并使电容器组过载。这些条件可能导致严重的电源故障。 当感应电流流入电网时，其具有使电网过载并且对发电厂的关键部件造成严重损坏的可能性。 太阳风暴可能导致严重的电力停电，可能影响地理区域上的数百万人。美国的电网由几个元件组成。 电力在水电坝，燃煤/燃气/燃油发电厂和核电站中产生。 电力网的主干由在230,345,500和765kV下工作的高压传输线形成。这些传输线及其相关的变压器用作美国的长距离重载电力动力。 电力在发电机和区域变电站之间在悬挂在100英尺高的塔上的非常重的供应线路上传送。 这些电缆通常是具有两条火线和一个地线的三相系统。 在区域变电站，电压转换为较低的电压从69,000至13,800 V.变电站通常使用电线杆向地方社区供电。 个人或社区变压器将电压降低到220 V，为家庭和企业提供电力。美国电力系统包括6000多个发电机组，超过500000英里的大量输电线路，大约12000个主要变电站，以及无数的低压配电变压器。所有这些都可以作为各自接地连接的潜在GIC入口点。 这个庞大的网络由100多个独立的控制中心控制，这些控制中心共同协调对实时网络操作的影响。
14分布式光伏电网电力变压器的涡流和杂散损耗计算
每个变压器中都存在涡流损耗（ECL）和杂散损耗。 主要杂散和涡流损耗是由于60Hz频率电流和绕组的导体厚度的相关厚度。这些损耗分量随着涡流电流的频率和平方的平方而增加。 如果逆变器将功率馈送到升压变压器中产生的谐波大于标准电平，则杂散和涡流损耗将增加。负载损失对效率的影响的增加通常不是关注的。 更令人关注的是绕组中的热点温度增加，这可以降低变压器的寿命。 特殊设计的变压器可补偿较高的杂散损耗和涡流损耗。 此外，可以选择大于必需的kVA变压器以补偿较高的操作温度。 然而，这些对ECL增加的关注通常被减轻，因为谐波小于1％。 然而，因为DPV-GT在低压侧具有高电流绕组，所以导体厚度成为加重如下所述的附加ECL的影响的焦点。
14.1 DPV-GT中的涡流损耗（ECL）
图14.1中的涡流损耗（ECL）[1,2,4]由下式给出
其中Beff是标称通量密度，Eeff是均方根（rms）电压，t是叠片的厚度，k4是取决于材料的常数，f是功率信号的频率。
LLC谐振转换器的分析模型可变占空比控制
摘要——在LLC谐振转换器中，可变占空比控制通常与可变频率控制组合扩大增益范围，提高轻载效率，或者抑制启动时的浪涌电流。但是，一个适当的可变占空比控制LLC的分析模型由于操作的复杂性，转换器仍然不可用模态和稳态方程的非线性。本文努力开发一种具有可变占空比控制的LLC转换器的分析模型。识别和讨论所有可能的操作模型和关键操作特性。所提出的模型能够更好地理解LLC转换器的操作特性和快速参数设计，否则将无法通过现有的基于模拟的方法和数值模型来实现。从提出的模型获得的结果与500-W原型的模拟和实验验证非常一致。
引言
LLC谐振转换器由于其在效率和功率密度方面的优势，越来越多的研究兴趣和工业应用[1] - [2]。 可变频率控制广泛应用于LLC谐振转换器。 最近，越来越多的出版物开始关注可变的占空比控制。 它有助于拓宽转换器的增益范围[3] - [4]，提高轻载效率[5] - [7]，以及抑制启动和短路时的浪涌电流[8 ] - [10]。 可变占空比控制的本质在于增加谐振电路输入电压的占空比。 为了产生具有可变占空比D的矩形波电压，可以应用相移调制（PSM）或脉宽调制（PWM）。
为了获得可变占空比控制的特点，通常使用三种方法，即仿真[5] - [6]，数值计算[3] - [4]，[8] - [9]和分析模型 [7]。 仿真方法可以作为初步验证设计的有效途径。 然而，这是耗时且麻烦的，因为在为不同参数映射关键指标之前，应该进行相当多的模拟。 该方法不适用于LLC谐振变换器的参数优化，因为存在多个谐振元件（即谐振电容器，谐振电感和磁化电感）和许多关键设计指标（如直流电压增益，峰值谐振电流，峰值谐振电压等）。
在[4]中采用数值计算，以获得增益特性，并对PWM控制的LLC谐振变换器进行参数设计。 在[8]中，使用数值计算来获得具有可变占空比控制策略的起振峰值谐振电流特性。在[9]中，作者通过使用状态空间描述来分析系统，呈现状态矩阵进行数值模拟。然而，对于数值计算方法，需要进行许多迭代，如果多个变量的初始值未被动态调整，则获得的结果可能会有显着的错误。 因此，数值计算不适用于快速可靠的参数设计和优化。
通过忽略短谐振状态，在[7]中提出了可变占空比控制LLC谐振转换器的简化分析模型。该模型在轻载条件下具有较高的精度。然而，由于该谐振阶段的持续时间长，在重载条件下不能忽略，所以忽略的共振阶段可能导致重载分析模型的显着误差。 此外，对于具有可变占空比控制的LLC谐振转换器，还没有进行系统的操作模式分析。
本文的主要贡献是总结了固定频率可变占空比控制LLC谐振转换器的所有可能的工作模式，并为主要使用的操作模式开发了一种分析模型。 它能够理解LLC转换器的电路参数的运行特性和设计优化
操作模式分析
图1显示了全桥LLC谐振变换器。 为了在谐振回路输入端产生交流矩形波形，可用PSM或PWM调制有源开关S1-S4，如图3所示。 分别为图2（a）和（b）。
为了推广分析，电压和电流在整篇论文中归一化，基准是：
其中Zr =Delta;Lr/ Cr是谐振槽的特性阻抗。 LC谐振角频率omega;r= 1 /radic;LrCr，电感比例m定义为m = Lm / Lr，直流电压增益M定义为M = nVo / Vin，其中n表示变压器匝数比。
LLC谐振转换器可以在一个开关周期内根据电路规格，开关周期，开关频率和负载条件在多个谐振状态下工作。通过可变频率控制，谐振槽电压在正半开关周期中始终为正。根据励磁电感两端的电压，谐振槽识别出三个谐振状态：正钳位状态uLm = nVo（状态P），负钳位状态uLm = -nVo（状态N）和续流状态| uLm | lt;nVo（状态O）[11]。状态P，N和O的约束条件分别为iLrgt; iLm，iLr lt;iLm和iLr = iLm（| uLm | lt;nV o）。然而，对于可变占空比控制，除了不同的uLm值之外，谐振槽电压在正半开关周期中也具有两个不同的电压电平，即，utank = Vin（状态p）和utank = 0（状态o）。因此，根据uLm和utank的电压电平，可以确定五个谐振级：1）utank = Vin，uLm = nVo（状态pP）; 2）utank = Vin，| uLm | lt;nVo（state pO）; 3）utank = 0，uLm = nVo（state oP）; 4）utank = 0，| uLm | lt;nVo（stage oO）; 5）utank = 0，uLm = -nV
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