计及磁滞效应的变压器低频电磁暂态模型及其在铁磁谐振中的应用

发布时间：2020-04-02 23:09

【摘要】：电力变压器是电力系统中最重要的电气主设备之一,其运行状态直接影响着电力系统的安全与稳定。随着电网规模的不断扩大,断路器等设备操作日益频繁,变压器遭受铁磁谐振、励磁涌流等低频电磁暂态损害逐渐增多,建立准确的变压器低频电磁暂态模型是开展电力系统电磁暂态仿真研究的基础。但变压器结构复杂、种类繁多且工作状态多变,构建一个精确的磁路和电路统一的变压器电磁暂态模型十分困难。此外,现有磁滞模型大多面向磁性材料特性,其通常以磁性参量为基准构建数学模型,然而典型的EMTP类软件通常以电气参量为计算基准构建元件模型,使得该类磁滞模型难以应用于变压器等设备特性的电磁暂态建模。因此,本文从变压器绕组和铁芯结构型式出发,建立不同结构三相变压器绕组频变模型和铁芯等值电路模型,提出一种考虑各向异性的变压器铁芯磁滞模型,探究不同结构三相变压器低频电磁暂态模型参数最优化算法及计算方法,研究在EMTP-ATP中实现电压驱动型磁滞电感以及构建变压器低频电磁暂态模型的方法,最后通过铁磁谐振试验验证本文变压器低频电磁暂态模型的准确性。论文的主要研究工作如下:(1)通过对现有变压器绕组和铁芯拓扑结构的分析,分别建立了不同结构型式频变绕组电阻、漏感以及电容的等值电路模型;建立了磁路转换为电路的电磁对偶变换定则,并据此得到了三相三柱、三相五柱以及三相壳式变压器铁芯等值电路;基于零序磁通分布的不均匀性以及不同励磁水平下变压器箱壁饱和程度不同的特性,建立了基于Cauer等值电路的三相三柱变压器箱壁电磁暂态模型。(2)以经典JA磁滞模型为基础,从能量平衡方程出发,推导并建立了动态JA磁滞模型及其逆模型,并通过对传统朗之万函数表示的无磁滞磁化曲线的修正,建立了考虑各向异性的复合JA磁滞电感;基于Matlab平台分别研究了不同算法求解复合JA磁滞电感的性能差异,并将复合JA磁滞电感模型与传统JA磁滞模型进行了比较,结果表明复合JA磁滞电感能够描述更多种类材料的磁滞特性;研究了参数对复合JA磁滞电感磁滞回线的影响规律,为模型参数辨识与计算奠定了基础;最后建立了计及复合JA磁滞电感的三相三柱、三相五柱以及三相壳式变压器低频电磁暂态模型。(3)提出了采用差分-混合蛙跳复合算法求取本文复合JA磁滞电感参数的方法;以1.0 T和1.5 T最大磁感应强度下取向和无取向硅钢环形铁芯磁滞回线试验结果为依据,研究了遗传算法、模拟退火算法、差分进化算法和差分-混合蛙跳复合算法对本文复合JA磁滞电感参数优化性能的差异;最后以变压器励磁涌流为例,通过三相五柱变压器三相励磁涌流试验,对比分析了本文复合JA磁滞电感和传统R//L模型所得励磁涌流仿真结果与试验结果的误差。(4)提出了一种电压驱动型动态ψ-i JA磁滞电感模型,探讨了其在EMTP-ATP中的实现步骤和过程;基于GO铁芯在50 Hz和150 Hz下的空载励磁特性,结合上一节中的差分-混合蛙跳复合算法,对两种不同表达式的动态ψ-i JA磁滞电感的精度进行了比较分析;以上升正弦励磁测试和谐波励磁测试为基准,分析了电压驱动型动态ψ-i JA磁滞电感在电磁暂态过程中的工作特性,最后分别开展了单相和三相变压器铁磁谐振基频和分频试验,通过非线性动力学分析方法,对比分析了基于电压驱动型动态ψ-i JA磁滞电感的铁磁谐振仿真结果与试验结果的误差,验证了本文基于EMTP-ATP的变压器低频电磁暂态模型的准确性。本文的研究结果表明:采用本文所建立的变压器低频电磁暂态模型分析铁磁谐振等低频电磁暂态现象,其稳态电压幅值的最大误差低于5%,各种类型铁磁谐振波形相似度均高于0.9。本文的研究成果弥补了不同结构型式计及磁滞效应的三相变压器低频电磁暂态模型研究的不足,有力地促进了包含磁滞电感的变压器低频电磁暂态模型在EMTP-ATP类软件中的应用,并为变压器低频电磁暂态模型向宽频电磁暂态模型的扩展奠定了基础。
【图文】：

三相五柱,变压器短路,二次侧

图 4.17 试验三相五柱变压器短路测试ig. 4.17 Tested three-phase five-legged transformer short-circuit 表 4.6 绕组参数Table 4.6 Winding parameters参数数值备注RH4.84 mΩ 一次侧RL4.84 mΩ 二次侧LHL6.94 μH 二次侧LLC2.29 μH 二次侧绕组匝数 14 : 14验变压器铁芯和绕组参数的测量，可得到如表 4.7 利用第三章所建立的变压器低频电磁暂态模型对励磁6
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM41

【参考文献】