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中国电机工程学报 2023年第2期43卷 819-830页

作者：杨鸣龙洋汪可乐波厉璇张和杨春司马文霞输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆市沙坪坝区400044 中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192 国网经济技术研究院有限公司北京市昌平区102209 西安西电变压器有限责任公司陕西省西安市710077

三相三柱变压器广泛运用于电力系统中,需建立精准的三相三柱变压器模型支撑电力系统电磁暂态分析与防护研究。经典的变压器BCTRAN模型被广泛运用在电磁暂态仿真研究中,然而经典BCTRAN模型难以准确模拟铁芯在深度饱和状态下变压器不同端... 详细信息

三相三柱变压器广泛运用于电力系统中,需建立精准的三相三柱变压器模型支撑电力系统电磁暂态分析与防护研究。经典的变压器BCTRAN模型被广泛运用在电磁暂态仿真研究中,然而经典BCTRAN模型难以准确模拟铁芯在深度饱和状态下变压器不同端口的饱和特性。该文利用序分量参数建立三相三柱变压器BCTRAN模型,精准表征变压器各相绕组间的耦合关系;利用交直流混合源对变压器进行端口试验获取励磁支路深度饱和电感从而构建完整励磁支路;在经典BCTRAN模型的基础上,通过在变压器端口添加表征铁芯空间励磁特性差异的励磁支路,进而建立考虑铁芯深度饱和特性的三相三柱变压器改进BCTRAN模型。对300VA三相三柱变压器及22kVA三相三柱变压器有限元模型分别进行励磁涌流试验,与传统模型相比,改进模型不同端口励磁涌流首峰值更接近实测值。试验证明,提出的三相三柱变压器改进BCTRAN模型能够较为准确地表征变压器端口的饱和特性,可为电力系统电磁暂态仿真研究提供基础模型。

关键词：三相三柱变压器改进BCTRAN模型深度饱和特性参数辨识励磁涌流

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考虑铁芯深度饱和特性的三相三柱变压器改进BCTRAN模型

考虑铁芯深度饱和特性的三相三柱变压器改进BCTRAN模型

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作者：龙洋重庆大学

学位级别：硕士

三相三柱变压器(Three-Phase Three-Limb Transformers)广泛应用于常规电力系统及新能源电力系统中,起到电能传送、计量保护、电气隔离等关键作用,是输变电环节最重要的设备之一。然而,由于变压器铁芯材料的非线性及多绕组复杂的耦合关... 详细信息

三相三柱变压器(Three-Phase Three-Limb Transformers)广泛应用于常规电力系统及新能源电力系统中,起到电能传送、计量保护、电气隔离等关键作用,是输变电环节最重要的设备之一。然而,由于变压器铁芯材料的非线性及多绕组复杂的耦合关系,系统中与变压器饱和相关的暂稳态事故频发。因此,需建立精准的三相三柱变压器电磁暂态模型,实现对变压器端口电气量的精准模拟,为系统安全运行及防护分析提供可靠数据。三相三柱变压器利用电磁感应原理实现电能的实时传送,内部铁芯与铁轭为各相磁通提供相互交链的主磁路,当铁芯饱和程度加深时,铁芯磁导率降低,励磁电感值迅速减小,流入绕组气隙中的磁通增加,导致磁通空间分布呈现不均匀性。变压器BCTRAN模型是目前主流电磁暂态仿真模型之一,具有强大的通用性及优异的扩展性,模型采用矩阵形式描述绕组间的耦合作用,当涉及变压器非线性问题的仿真研究时,常通过将励磁支路添加在靠近铁芯的绕组来模拟端口饱和非线性。然而,现有BCTRAN模型励磁支路的表征方法难以描述铁芯进入深度饱和状态时磁通空间分布的不均匀性,导致在模拟不同端口饱和特性时暂态响应误差激增。因此,本文以建立能够精准表征不同端口饱和特性的三相三柱变压器暂态模型为目标,基于变压器自互感矩阵原理,建立准确表征绕组间耦合特性的三相三柱变压器BCTRAN矩阵;基于电磁对偶原理,结合实际变压器物理磁路,通过各相铁芯非线性测试试验获取对应端口励磁支路未饱和段参数;基于经典变压器BCTRAN模型电气结构,提出适配三相三柱变压器深度饱和电感的测试方法及参数辨识方法,获取各相各端口具有磁化特性差异的励磁支路,进而建立考虑铁芯深度饱和特性的三相三柱变压器改进BCTRAN模型,实现对变压器不同端口饱和特性的准确表征。最后,在实验室搭建三相变压器试验平台进行空载试验及励磁涌流试验,同步在ATP-EMTP电磁暂态仿真软件中建立现有模型及改进模型,将现场试验结果与两种模型仿真结果对比分析;利用有限元仿真软件对多个变压器有限元模型进行励磁涌流试验仿真,将有限元结果与现有模型及改进模型仿真结果对比分析,验证本文改进BCTRAN模型的准确性与适用性。本文的主要研究工作及成果如下:①基于变压器自互感矩阵原理,推导得到任意绕组数量的三相三柱变压器BCTRAN矩阵构建方法;利用单一绕组序分量构建法,建立双绕组变压器的BCTRAN参数矩阵;利用绕组间序分量共轭对构建法,建立多绕组变压器BCTRAN矩阵;提出BCTRAN矩阵元素的试验测试方法及参数辨识方法。建立的三相变压器BCTRAN矩阵能够准确描述不同绕组间的耦合关系,为后续深度饱和电感参数测试提供模型基础。②基于经典三相BCTRAN模型电气结构,提出适配三相三柱变压器深度饱和电感的试验测量方法及参数辨识方法。利用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件,结合宽频谐波源,实现对不同连接方式,不同连接组号下变压器端口深度饱和电感测量方法的仿真验证;最后,在实验室搭建深度饱和电感试验平台,利用小信号交直流混合源作为激励,对一台真型三相三柱变压器各端口进行深度饱和试验,获取端口励磁支路深度饱和电感值,实现对铁芯磁通空间分布特性的差异化表征。③建立并验证三相三柱变压器改进BCTRAN模型的准确性及有效性。以真型300VA三相三柱变压器为研究对象,搭建参数测试平台并进行试验,在ATP-EMTP中建立变压器现有BCTRAN模型及改进BCTRAN模型,同步开展三相空载试验和三相励磁涌流试验,对比验证本文改进模型的准确性;借助有限元仿真软件分别开展22kVA三相双绕组变压器、12.5MVA风电场塔筒变及35kVA三相三绕组变压器有限元模型不同端口励磁涌流试验,并在ATP-EMTP中同步开展现有BCTRAN模型及改进BCTRAN模型的试验仿真,对比验证本文改进模型对大容量变压器和多绕组变压器的准确性及适用性。研究表明:本文提出的三相三柱变压器改进BCTRAN模型能够准确描述铁芯深度饱和时磁通空间分布的不均匀性,精准表征变压器不同端口饱和特性,为电力系统运行规划及防护分析提供可靠模型。

关键词：三相三柱变压器改进BCTRAN模型深度饱和特性参数辨识励磁涌流

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电磁式电压互感器“低频过电压激励-响应”逆问题求解

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电工技术学报 2021年第17期36卷 3605-3613页

作者：杨鸣熊钊司马文霞李永福何东升邹滨阳输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 国网重庆市电力公司重庆电力科学研究院国家智能电网输配电设备质量监督检验中心

电磁式电压互感器(PT)作为电力系统中已大规模应用的电压感知设备,在低频电磁暂态电压激励下可能出现铁心饱和,引起二次响应电压波形畸变、测量误差激增。通过求解PT的"低频过电压激励-响应"逆问题,由PT二次响应电压计算得到其一次激励... 详细信息

电磁式电压互感器(PT)作为电力系统中已大规模应用的电压感知设备,在低频电磁暂态电压激励下可能出现铁心饱和,引起二次响应电压波形畸变、测量误差激增。通过求解PT的"低频过电压激励-响应"逆问题,由PT二次响应电压计算得到其一次激励电压。该文基于电磁对偶原理建立计及铁心深度饱和特性的PT正向电路模型及其参数提取方法,进而构建其逆向数学模型,提出PT"低频过电压激励-响应"逆问题的求解方法。针对10kV真型PT的低频暂态仿真与试验数据进行"低频过电压激励-响应"逆问题求解方法的验证,结果表明:提出的逆向求解方法可将PT的低频电磁暂态测量误差从65.6%降低至10%,解决了其在低频暂态电压激励下的测量失真难题。

关键词：电磁式电压互感器低频暂态电压深度饱和特性逆问题求解

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基于电磁式电压互感器的低频暂态过电压逆向求解研究

基于电磁式电压互感器的低频暂态过电压逆向求解研究

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作者：熊钊重庆大学

学位级别：硕士

电磁式电压互感器(PT)作为电力系统中已经大规模应用的电压感知设备,在低频电磁暂态过电压激励下可能出现铁心饱和,导致二次侧响应电压波形畸变,引起测量误差激增。通过精准表征PT端口电压传输特性,研究PT“低频过电压激励-响应”逆问... 详细信息

电磁式电压互感器(PT)作为电力系统中已经大规模应用的电压感知设备,在低频电磁暂态过电压激励下可能出现铁心饱和,导致二次侧响应电压波形畸变,引起测量误差激增。通过精准表征PT端口电压传输特性,研究PT“低频过电压激励-响应”逆问题的求解方法,是实现低频暂态过电压准确感知的重要手段。目前,基于PT的暂态电压感知研究主要针对雷电过电压,尚未实现低频暂态电压的准确求解,其原因在于目前PT低频模型建模方法的研究仍存在不足:变压器类设备仿真计算中应用最为广泛的T模型为端口等价模型,难以精确表征PT深度饱和条件下的传输特性。电磁对偶π模型物理意义明确,但难以提取其铁心非线性励磁参数。此外,尚未有适用于PT低频暂态过电压求解的离散数值方法。本文基于PT拓扑结构,提出具有明确物理意义的电磁对偶π模型,通过试验提取PT绕组与铁心参数实现其深度饱和特性的精确表征,构建PT正向电路模型;基于PT正向电路模型,构建端口电压逆向求解数学模型,并提出含高度非线性元件的离散状态量数值计算方法,实现了PT低频暂态过电压的准确求解;基于真型PT励磁涌流试验与仿真对比,验证正向电路模型的准确性;通过搭建PT低频过电压试验与仿真平台,验证PT端口电压逆向求解方法的有效性。本文所提出PT低频暂态过电压逆向求解方法,提高了PT电磁暂态电压的感知水平,且该方法不需要新增任何一次设备,为电力系统低频电磁暂态电压准确获取提供有效的解决方案。论文主要工作如下:(1)首先,基于PT拓扑结构与电磁对偶原理推导得到了计及铁心深度饱和特性的PT正向电路模型,采用两条励磁支路表征端口励磁特性;提出了正向电路模型中绕组参数与铁心参数的提取方法,基于交-直流耦合电源搭建铁心深度饱和特性测试平台,实现了PT铁心深度饱和特性的准确测量;通过求解PT非深度饱和段与深度饱和段励磁曲线,实现了铁心励磁特性精准表征,完成了PT正向电路模型参数提取,为端口暂态电压逆向求解提供了模型基础。(2)其次,基于计及深度饱和特性的PT正向电路模型,根据其端口电压传输特性构建了PT端口电压逆向求解数学模型,并提出含高度非线性元件的暂态电压逆向求解算法;构建PT端口电压逆向求解算法的离散形式并进行求解,基于Adams-Bashforth算法进行离散数值计算的误差抑制,实现了PT端口暂态电压的逆向求解;基于真型PT进行参数提取,搭建ATP-EMTP工频过电压仿真平台,仿真PT负载为0 VA(空载),5 VA,15 VA(额定负载)条件下的端口电压传输特性,暂态电压逆向求解误差最大为2.26%,验证了本文所提出方法的有效性。(3)最后,搭建PT励磁涌流试验平台与ATP-EMTP电磁暂态仿真模型,通过仿真与试验结果对比,验证了本文所提出的正向电路模型在PT深度饱和条件下的计算精度;基于真型PT搭建低频电磁暂态过电压试验平台,获取在不同电压幅值的谐振过电压激励下的PT端口电压实测波形,基于PT二次电压逆向求解一次电压波形,暂态电压求解最大误差由65.6%降低至9.14%,验证了本文所提方法的准确性;此外,基于三台同一型号的PT进行参数提取与暂态电压求解,针对本文方法在实际应用中的可行性与通用性进行评价。

关键词：电磁式电压互感器低频暂态过电压 π模型深度饱和特性逆问题求解

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