海军工程大学舰船综合电力国防科技重点实验室的研究人员王瑞田、肖飞、范学鑫、杨国润、张新生，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文指出，隔离型中压大容量直流变换器在低开关频率下可能存在直流偏磁问题。
针对三电平移相全桥直流变换器拓扑，首先分析中频变压器一次电压谐波含量，结合电压电流双闭环控制策略，推导考虑移相角波动的变压器一次电压直流分量表达式，研究移相角交流分量与一次电压直流偏置分量的关系，再进一步分析控制频率对电压直流分量的影响。建立实验平台进行实验，对比不同控制频率下中频变压器的直流偏置，验证理论分析的正确性。
随着中压直流电能在陆地配电网、舰船综合电力系统等场合的深入应用，大容量直流变换器已成为研究热点。相关文献主要侧重于变换器拓扑、数学建模及控制器设计，较少涉及直流变换器内部隔离变压器的直流偏磁问题。在实际工作过程中，隔离变压器磁路应达到动态的“伏秒平衡”以避免偏磁。
若变压器一次电压正负波形对称，则正负半波伏秒值相等，铁心磁工作点以零点为中心沿磁滞回线对称往复运动。若变压器一次电压正负波形不对称，则正负半波伏秒值不等，会使正负半波磁感应强度幅值不同，磁滞回线将偏向第一或第三象限，即形成直流偏磁。
隔离变压器铁心直流偏磁可能引起如下不良后果：
- （1）过电流保护：变压器磁路饱和，励磁电流急剧增加，触发变压器、IGBT过电流保护，若保护不及时可能损坏功率器件。
- （2）局部过热：随着变压器励磁电流大幅增加，绕组、铁心和夹件的涡流损耗增加，温度升高，引发局部过热。
- （3）噪声增大：变压器铁心饱和，谐波分量增加，导致磁滞伸缩加剧，噪声增大。根据有关文献，2004年5月，贵广Ⅰ回高压直流输电工程的监测记录表明，在750MW单极大地回路运行方式下，当春城站主变压器中性点直流电流达34.5A时，变压器噪声为93.6dB，与发生偏磁前相比增加了19dB。
- （4）绝缘受损：严重的直流偏磁可能引起铁心饱和，造成漏磁增加，变压器本身会因此出现振动加剧、局部过热现象，严重时可能造成绝缘受损。
引起变压器伏秒不平衡可能的原因包括：
- （1）直流输入电压波动，中点电位不平衡。
- （2）主电路中功率器件导通，饱和压降不同。
- （3）控制系统中正弦调制波或三角载波存在直流分量、死区不对称，或者采用窄脉冲抑制等波形校正技术对脉宽进行动态调节时，PWM控制信号正负不完全对称。
- （4）由于逆变器在短路保护或关机时采用驱动脉冲瞬时封锁，工作周期不完整。
- （5）非线性负载扰动所带来的偏磁。
- 有学者在Jiles-Atherton模型基础上建立铁心动态磁滞损耗模型，研究直流偏磁时的励磁电流。
- 有学者针对处于直流偏磁工况下的电力变压器，提出一种电路-磁路模型，根据铁心和绕组的空间几何结构，考虑了绕组间的磁链耦合和相线圈的漏磁及铁心涡流效应，得到了时域迭代计算公式，其计算结果能够反映绕组电流的变化趋势，但计算精度仍有待改进。
- 有学者通过仿真模型研究了油浸式三相三柱电流变压器在直流偏磁状态下的运行特性，指出直流偏磁时需要考虑油箱对磁路的影响。
- 有学者研究了直流电流引起变压器磁路逐渐饱和的暂态过程。
现有文献研究重点主要集中于电力变压器的直流偏磁，而对工作于直流变换器内部的中频变压器直流偏磁研究不够深入。由于本文所讨论的中频变压器一次侧输入电压幅值较高，微小的偏差和不对称即会引入直流分量，而大容量决定了一次绕组直流电阻非常小，对偏置电压非常敏感。
另外，较低的开关周期限制了控制器的调节速度。目前较常见的做法是：①在变压器回路中串联隔直电容，基本上可以解决变压器直流偏磁问题，但必须考虑隔直电容耐压、额定电流、体积、质量等因素，不适用于中压大容量变换场合；②检测变压器一次电压或一次电流的直流分量，参与PWM控制信号反馈控制，但受采样精度、控制频率等因素影响较大，适用性与可靠性存在不足。
本文在分析移相全桥直流变换器拓扑的基础上，计算大容量中频变压器的一次电压谐波最佳工作点，通过最小化一次电压总谐波畸变率降低中频变压器工作时的高次谐波含量。针对中频变压器直流偏磁问题，首先在不考虑控制器离散化过程的条件下，分析移相角波动时中频变压器一次电压的直流分量，进而研究控制频率对移相角交流分量及电压直流分量的影响；最后建立了实验平台，验证理论分析的正确性。
图1 大容量三电平中频隔离直流变换器主电路原理
图9 直流变换器样机
总结- 1）研究了三电平H桥输出电压的谐波特征，通过谐波最佳稳态工作点的选取，降低中频变压器工作时高次谐波含量，进而降低高次谐波分量引起变压器的铜耗、铁耗、空气噪声。
- 2）分析了移相角波动时中频变压器一次电压的直流分量，指出移相角波动会使得中频变压器一次电压产生直流分量，造成中频变压器直流偏磁、三电平H桥中点电位波动，从而恶化直流变换器稳态性能。
- 3）分析及实验结果表明，控制频率fc等于开关频率f0时，移相角波动不再引起中频变压器一次电压的直流分量。
- 4）对于低开关频率的大容量直流变换器，若选择控制频率等于开关频率，虽然解决了稳态时中频变压器直流偏置问题，但是有限的控制系统带宽可能影响变换器动态性能，因此需要进一步研究能够实现直流变换器优异动静态性能的复合控制策略。
