中南大学研究者提出一种损耗最小化的变压器分层设计方法

发布日期：2025-09-09 11:25    点击次数：60

感应滤波变压器因其特殊设计的滤波绕组，可有效改善大电流工业整流系统电磁环境。但是，当前感应滤波变压器相关研究中较少涉及零阻抗匹配设计和性能优化的问题，限制了感应滤波变压器向低运行损耗发展。中南大学智慧能源与先进控制实验室刘芳、杨伊、刘乾易、刘建峰与常州大学江苏省能源动力高端装备工程研究中心王傲合作，在2025年第6期《电工技术学报》上撰文，考虑感应滤波变压器特殊的阻抗匹配条件，创新性地提出一种损耗最小化的变压器分层设计方法，运用Sobol灵敏度分析方法对变量进行分层，解决了传统设计易陷入局部最优的难题，在保证感应滤波性能良好的同时，使变压器运行损耗显著降低，为新一代高效节能电力装备研发提供了全新思路。

研究背景

在“双碳”战略推动下，工业整流系统作为冶金、化工等支柱产业的电力心脏，正面临绿色转型的严峻考验。这类承担千安级交直流转换重任的核心装备，长期受困于"三高"痛点——高谐波污染、高电能损耗、高运营成本，其中仅变压器损耗在工业整流系统损耗中占比高达40%，成为制约工业领域节能减排的“卡脖子”难题。

针对这一问题，项目组提出了一种考虑阻抗匹配的感应滤波变压器损耗分层优化设计方法，通过电磁环境和物理结构协同优化，实现对谐波治理和损耗优化的有机统一，为工业电力装备绿色升级开辟全新路径。

论文所解决的问题及意义

大电流、低电压的工业整流系统存在电磁环境差、能耗高等问题，该文以感应滤波整流变压器为对象，利用Sobol灵敏度算法对变压器参数进行了分层处理，提出了一种考虑阻抗匹配的变压器损耗分层优化设计方法，在保证滤波效果的同时，能有效降低变压器的损耗，达到节能降损的目的。

论文方法及创新点

1、阻抗匹配约束

感应滤波变压器结构如图1所示，在理想调谐频域下，滤波器阻抗为零，忽略网侧谐波电压影响，若变压器绕组设计满足滤波绕组的等值漏阻抗为0，此时高压侧电流不含谐波成分，即负载侧的谐波被滤波器组滤除，高压侧不受谐波侵扰。

通过调节尺寸参数可以实现滤波绕组对应等值漏阻抗为0（如图2），但对应绕组辐向宽度及绝缘间隙需要趋于0，在实际工程应用中多采用近似零等值漏阻抗设计。构建表征谐波滤除率与阻抗匹配关联关系的数学模型，得到不同滤除率对应近似零等值漏阻抗范围。

2、损耗分层优化

在确定优化目标、优化约束、优化变量后，采用Sobol算法进一步评估优化变量相关灵敏度探寻影响优化目标及约束性能的变量设计权衡，从而通过分层优化降低优化维度。

3、结果分析与验证

运用蒙特卡洛采样构造变量矩阵，通过变压器设计解析式得到优化目标矩阵，进一步地进行Sobol灵敏度分析，得到图3所示的感应滤波变压器损耗相关优化参数一阶灵敏度分析结果，并进行分层优化。

图4(a)为各层优化迭代曲线，图4(b)为50次分层优化和对照优化的随机优化结果。分层优化中各层能在上层优化的基础上进一步优化目标函数，在算法收敛后，分层优化能够降维跳出收敛，寻到更优解，且在相同迭代次数下，分层优化得到的总损耗目标均值为44.88kW，优化最小值为42.37kW，对照优化均值为47.21kW，最小值为47.15kW。分层优化的最优值和优化均值都优于对照优化，其寻优能力和稳定得到了有效提升。

结论

本文提出一种感应滤波变压器损耗最小化的结构参数分层优化设计方法。该优化方法在保证滤波效果的同时，能有效降低变压器的损耗，达到节能降损的目的。相较于全局优化方法，该方法能使变压器损耗进一步降低11.30%，网侧电流谐波畸变率从8.84%降至4.29%。总结如下：

1）探究了感应滤波变压器的滤波机理，分析了滤波性能与阻抗匹配条件的关联关系，建立了谐波滤除率与阻抗匹配之间的数学模型，获得了不同滤除率对应的近似零等值漏阻抗范围。

2）运用Sobol灵敏度方法对变量进行分层，降低优化维度，充分探寻搜索空间，提升寻优能力和稳定性，解决了感应滤波变压器的结构参数维度较高且存在交互效应的问题。

3）提出基于改进差分进化算法的分层优化设计方法，在算法陷入局部收敛时降维跳出收敛，寻到更优解，在保证感应滤波性能良好的同时降低变压器的损耗。

团队介绍

中南大学智慧能源与先进控制实验室刘芳教授团队主要研究方向为新能源电力系统稳定分析与控制、电能变换装备集成与设计、电能质量优化与控制等。近五年完成多项国家级项目研究与示范工程研发工作，在国际国内著名学术刊物发表SCI/EI论文80余篇。

刘芳，教授，博士生导师，早稻田大学工学博士。研究方向为电力系统稳定，电网规划，故障诊断，新能源发电技术，智能电网，信息融合，深度学习、复杂系统和网络时滞等时滞相关鲁棒控制等。

杨伊，硕士研究生，研究方向为感应滤波变压器优化设计。

刘乾易，工学博士，中南大学自动化学院专任教师，硕士生导师，研究方向为新型电力系统电能质量优化与控制。

刘建峰，硕士研究生，研究方向为有源配电网损耗分析、变压器优化设计。

本工作成果发表在2025年第6期《电工技术学报》，论文标题为“一种低损耗的感应滤波变压器结构参数分层设计方法“。本课题得到国家自然科学基金、湖南省重点领域研发计划和江苏省能源动力高端装备工程研究中心开放课题基金项目的支持。