关键词： 配电变压器   三相不平衡   换相开关   SVG  

摘要： 我国电力系统中的配电变压器连接组别常用的是Yyn0和Dyn11接线方式,当配电变压器处于三相负荷不平衡时,负荷侧会产生零序电流和谐波电流,由于二者的扰乱,配电变压器运行时会产生大量热量,增加铜损,出力能力降低,严重影响到电能质量。目前最常用的三相不平衡治理方法是在负荷侧加装换相开关或在电源侧加装SVG(Static Var Generator,静止无功发生器),在治理过程中除了需要保证电能质量合乎标准,还必须考虑治理装置的安装方式以取得最佳治理效果和经济效果。本文采用换相开关和SVG配合治理的方式针对配电变压器三相不平衡展开研究。针对配电变压器负荷侧的三相不平衡,本文采用在特定节点处安装换相开关的治理方式。面对三相负荷不均衡分配问题,本文以三相电流不平衡度最小和动作开关数目最少作为目标函数建立模型,并采用改进的粒子群算法求解负荷优化分配模型。最后通过Matlab仿真验证了通过改进的粒子群算法求解的负荷分配方案能够有效降低负荷侧的三相不平衡度,减少换相动作次数,均衡分配负荷;为了提高三相不平衡治理效果,本文以最低线路损耗和最低配电变压器损耗作为目标函数建立模型,并采用改进的遗传算法寻找换相开关在负荷侧的最佳安装位置,通过Matlab仿真验证了采用改进的遗传算法获得的换相开关安装方案,能够有效降低配电网损耗,改善三相不平衡治理效果。针对配电变压器电源侧的三相不平衡,本文采用在配电变压器电源侧安装SVG的方式进行无功电流补偿治理。采用瞬时无功理论与i-i电流检测法相结合的方式对不平衡负荷电流分离检测;采用电流内环保证输入电流稳定,电压外环保证输出电压稳定的双闭环电流直接控制方式,跟踪控制补偿的无功分量。为配电变压器电源侧的三相不平衡治理提供理论依据。最后,结合换相开关治理和SVG治理的优势,研究二者配合治理方案。运用算例验证该方案在降低配电变压器三相不平衡度、减少配电网损耗等方面的效果,通过Matlab/simulink仿真对比验证了换相开关+SVG配合治理方案与换相开关独立治理方案的仿真结果,验证了该配合治理方案的可行性,有效性。本研究丰富和拓展了配电变压器三相不平衡治理研究的理论框架和分析方法。与传统方法相比,采用换相开关和SVG配合治理能够有效解决负荷不平衡引起的电流、电压不平衡,大大降低了变压器损耗,提高了输出电能质量,降低了治理投资成本,延缓线路的老化,延长配电变压器的使用年限,减少了电力维修工作。保障了用户用电安全稳定,还给电网企业的城乡电网改造工程提供三相不平衡治理的科学决策方法和理论依据,同时为社会的节能减排事业做出贡献,具有很好的推广应用价值。

关键词： 配电系统   高频隔离型混合配电变压器   模型预测控制   最优占空比   电能质量治理  

摘要： 配电系统是构建以新能源为主的新型电力系统,实现"碳达峰、碳中和"目标的关键环节。而配电变压器又是配电系统中最关键的电气设备,它同时具备了不同电压等级电网的互联和电力交换的功能,因此,配电变压器安全稳定的运行对配电系统的安全与稳定有着直接的影响。然而,伴随着大规模分布式光伏、电动汽车和电池储能等新能源在配电网中所占比例的不断增大,配电网在电能质量控制、电网运行调控、源荷多元融合等方面的应用需求日益增长,对配电网的安全运行也带来了新的挑战。因此,电力电子变压器及混合配电变压器(Hybrid Distribution Transformer,HDT)等新型装置相继出现。其中,HDT将传统工频变压器与电力电子变压器的优势结合,在进行电网能量传输的同时实现对电能质量的治理。本文以已有的混合配电变压器的结构为基础,在此基础上,提出了一种新型混合配电变压器结构。本文的主要工作如下:首先,对现有的几种典型混合配电变压器拓扑结构及优缺点进行了分析,在此基础上,提出一种高频隔离型混合配电变压器结构,所提拓扑结构采用AC/DC/AC式变换器,具备电能质量综合治理能力,减少电能质量治理投资;提供直流端口,可以实现新型源/荷的友好接入。设计高频隔离变换器,可有效减小电流应力及HDT的体积。并对高频隔离型混合配电变压器的主电路结构及工作原理进行了详细的介绍,建立了相应的数学模型。其次,为保证电能质量治理能力的响应速度及质量,采用了模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC),并对传统模型预测控制方法的理论基础和设计要求进行了分析。针对高频隔离型混合配电变压器前后级变换器的结构特点,根据拓扑结构的数学模型,以传统的模型预测控制为基础,设计了连续控制集模型预测控制策略(Continuous Control Set-model Predictive Control,CCS-MPC)以及两步预测延时补偿模型预测控制策略,CCS-MPC通过直接计算最优占空比,实现前端变换器输出具有固定的开关频率和开关序列,减小寻优计算量。最后,利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建了一套10k V/0.4k V电压等级的高频隔离型混合配电变压器模型,并针对不同的阶跃情况分别作出了对比,仿真表明,本文所提结构可以很好的实现电压动态调节、电流谐波、无功补偿以及零序补偿等电能质量治理能力。同时,通过仿真,对比了传统控制与本文采用控制的效果。结果表明,所采用的控制策略具有更好的补偿效果及动态响应能力。

关键词： 多端口电力电子变压器   直流电流母线耦合   电流源变换器   混合双有源桥  

摘要： 电力电子变压器是先进的能量路由设备,在未来能源互联网中扮演着重要角色。多端口电力电子变压器能够支持多个不同类型的源、网、荷、储等设备柔性接入电力系统,有利于实现多能互补、提高能源利用效率,因而受到越来越多的关注。但是现有的能够实现中压交流并网的多端口电力电子变压器,一部分存在体积庞大的问题,另一部分存在端口功率解耦困难的问题。这就需要提出一种可以在实现端口自然解耦的同时,避免体积庞大问题的多端口电力电子变压器。直流电流母线耦合多端口电力电子变压器具有端口自然解耦、功率密度高的优点,但其中混合双有源桥的软开关实现问题限制了直流电流母线耦合多端口电力电子变压器的应用,仍需对其进一步开展相关研究。本文以采用集中式电流源变换器作为中压并网接口的多端口电力电子变压器为应用场景,提出一种混合双有源桥的电流母线耦合多端口电力电子变压器架构,其前级为集中式电流源变换器,后极为混合双有源桥变换器。对于前级电流源变换器的控制,较为成熟。关于后级混合双有源桥变换器的相关技术作为研究重点。首先介绍并分析了集中式电流源变换器的工作原理,讨论了集中式有关电流源变换器的几种工作模式,接下来介绍了一种应用于集中式电流源变换器的控制技术,即电流外环电流内环双闭环控制策略以及空间矢量调制策略,并通过仿真验证了所提控制方法有效性。然后分析了混合双有源桥电路的工作特点,通过对目前研究中所提到过的相关电路的控制策略进行分析,对混合双有源桥电路的功率双向传输的软开关功能的实现提出了控制策略,详细讲述了混合双有源桥电路在功率正向及反向传输下的工作原理和工作模态,并通过仿真验证了所提控制方法有效性。最后搭建了包含集中式电流源变换器及混合双有源桥变换器的多端口电力电子变压器的硬件实验平台。依据前文理论分析,实验结果验证了本文所提出方法的正确性和有效性。

关键词： 变电站   变压器   噪声预测模型   噪声治理  

摘要： 噪声污染是当今社会公认的环境问题之一。伴随着政府和人民环保意识的日益提高,变电站的噪声问题也日益成为人们重点关注的问题。变电站噪声主要集中在中低频段,因其衰减慢,穿透性强而容易导致厂界噪声超标。因此,构建变电站噪声预测模型,对变电站噪声进行精准预测和降噪分析对变电站环境噪声治理具有极为重要的现实意义。传统的噪声预测模型中,往往采用点声源与水平面声源替代变压器声源,预测精度较低。本研究以雄安某500k V变电站为例,采用声强法对主变轮廓线声强级进行了测量,通过公式转换得到了主变的A计权声强级,并基于多点等效源理论构建了变压器的多点等效源模型,分别采用多点等效源、点声源和水平面声源对变电站噪声预测模型进行了建模仿真,通过厂界噪声的预测结果与实际测量结果对比分析,验证了多点等效源模型比传统的点声源与面声源模型在噪声预测时具有更高的准确性,本研究所构建的模型预测误差在2d B以内。在雄安某500k V变电站噪声预测模型的基础上,提出了一种通过改变防火墙吸声特性来进行降噪的方法,研究了防火墙吸声特性对变电站噪声的影响,结果表明防火墙吸声特性对噪声的影响主要在防火墙两侧,在无防火墙侧影响较小,防火墙的低频吸声特性对噪声分布的影响大于高频吸声特性带来的影响,在利用防火墙吸声特性进行降噪时,应着重提高防火墙在中低频的吸声特性。最后,针对宗州变电站的厂界噪声超标问题,本文提出了在变压器一侧加装声屏障、在厂界围墙增加声屏障、加装隔声罩三种治理方案,对比分析了不同方案的降噪效果,结果表明隔声罩的降噪效果远远优于声屏障的降噪效果,并且隔声罩的降噪效果不会随着距离、位置的变化而改变。

关键词： 变压器   片式散热器   传热结构  

摘要： 本文针对变压器用片式散热器的传热结构进行了改进优化的数值研究。通过基于数值模拟的方法，分析了传统片式散热器存在的传热问题，并提出了相应的结构改进方案，具体包括优化散热片设计、优化整体结构以及改进支架结构等方面。通过本文介绍的数值模拟方法，可以比较改进结构与传统结构的传热性能差异，评估改进结构的优势和预期效果。

关键词： 变压器   温度预测   LMD-VMD双分解法   极限学习机   鲸鱼优化算法  

摘要： 变电站是电网输电系统中至关重要的组成部分。随着社会、科技和经济的进步,人们使用的电气设备越来越多,此类设备的运行依赖于高质量的电能,因此供电的可靠性直接关系到了人们的生产以及生活。变电站对于正常的供电至关重要,需要保证变压器、断路器等主要电力设备处于稳定的工作状态,如果发生故障或者异常问题,则必然影响到了电力设备的运行,甚至带来严重的后果。在变压器诸多故障中,由于温度升高引起的热故障占了大多数,因此应该重视对变压器温度的监测分析,研究和优化变压器关键部位温度的预测和预警,确保温度始终处于正常运行范围。本文首先研究变电站变压器的结构、变压器温度升高的原因、故障类型和数据特性。接着分析变压器温度预测和故障预警方法。在已有的温度数据基础上,通过变分模态分解法(VMD)和局部均值分解法(LMD)对数据信号进行预处理,再将处理好的数据通过BP神经网络和鲸鱼优化算法(WOA)优化的极限学习机(ELM)对原始数据进行预测,研究这两种分解法和两种预测模型在本文背景下的预测性能,找到最优的预测模型。最后本文采用了三种预警方法,分别是采用表面温度法、同类比较法和相对温差法,判断是否发出预警信息。本文提出了一种基于鲸鱼优化算法的双分解极限学习机混合优化(LMD-VMDWOA-ELM)模型用于变压器温度的预测和研究,该模型中包括LMD、VMD双分解数据处理算法,鲸鱼优化算法,极限学习机以及评价方法等。在MATLAB仿真实验中,原始数据通过局部均值分解法和变分模态分解法(LMD-VMD)双分解后,再将分解后的各个分量代入鲸鱼优化算法的极限学习机(WOA-ELM)模型中进行预测,并引入了对比模型和综合评价指标。实验结果表明,本文所提出的混合模型较其他常见的模型有更高的精确性和稳定性,可有效用于变压器温度预测。

关键词： 固态变压器   四绕组变压器   多目标优化   自由参数扫描   模拟测试电路  

摘要： 在混合交直流配电网中,固态变压器(Solid state transformer,SST)的稳定运行对整个配电系统具有重要意义。大容量高频变压器是SST中承担电压隔离、电压等级变换的关键设备,且高频变压器的体积、效率及漏感参数直接影响SST的功率密度和运行特性,使针对大容量高频变压器损耗、漏感的精确建模及整机的优化设计变得十分重要。本文对应用于SST中大容量四绕组高频变压器的参数约束、损耗特性、漏感特性及整体结构的优化设计进行研究。首先,介绍了基于感应滤波的四有源桥SST拓扑结构及控制策略,简要描述了采用混合同步移相调制下SST的脉动功率抑制特性及电压箝位特性。进一步建立四绕组变压器磁路模型及电路模型分析了两种运行特性下高频变压器电流及分布参数对前级模块化多电平变换器(Modular multilevel converters,MMC)子模块电容电压的影响,从而得到四绕组变压器的参数约束。为后文进行四绕组变压器设计奠定基础。其次,论文基于Dowell一维电磁场模型,介绍了高频变压器磁芯损耗、绕组损耗解析计算方法并通过有限元仿真验证解析计算方法的可靠性。详细推导了宽频范围内环形磁芯变压器漏感的解析计算方法,并通过有限元仿真及原型测试验证了计算方法的合理性。在变压器损耗及漏感解析模型的基础上,分析了变压器磁通密度、绕组匝数及绝缘距离对变压器损耗及漏感的影响,得出变压器效率、功率密度、漏感等目标函数之间存在的制约关系。进一步指导四绕组变压器多目标优化设计。然后,基于前文推导的SST运行特性中四绕组高频变压器的参数约束,本文通过有限元仿真对绕组不同绕制方式下的电场强度分布及磁场强度分布进行对比分析,择优选择具有最小漏感以及分布参数一致性的绕制方式,完成四绕组变压器的结构设计。在此基础上,采用自由参数扫描法对变压器磁通密度、绕组匝数、磁芯尺寸进行广泛的数据扫描,得到大量的变压器设计方案,在考虑变压器效率、功率密度、漏感以及变压器温升情况折中确定最终的四绕组变压器设计方案。最后,为了对所设计的四绕组高频变压器进行功能性及可靠性验证,提出了一种SST工况模拟测试电路,通过仿真及实验验证了所提工况模拟测试电路以及所设计四绕组变压器的合理性。

关键词： 变压器   升高座   电弧爆炸   显式动力学   静动力分析   绝缘油  

摘要： 近十年来，全球变压器需求和用电量也均呈现持续增长的态势。目前我国发电量稳居全球第一，对于全球能源结构变革起着决定性作用。我国现已投运33条特高压电力输送线路和水电站中，变压器作为核心设备，其稳定安全的运行成为大家生产生活的重要保障。变压器中含有大量的绝缘油，当发生电弧故障时，绝缘油被电弧分解瞬间汽化，产生可燃性混合油蒸汽，最终导致变压器爆炸。这种情况多发于变压器升高座处，一旦发生爆燃事故，将带来巨大损失。　　由于有限的理论水平与计算能力，电弧爆炸有限元模拟的压力升高机制研究尚不完全，许多分析只将变压器箱体视作刚性结构，而不考虑冲击波-绝缘油/空气-油箱壁之间的耦合和破坏过程。本文基于显式动力分析方法，利用CIGRE的经验电弧作用力公式和耦合欧拉-拉格朗日CEL算法对不同电弧能量工况下的某升高座结构进行分析，并结合现场试验的现象与数据对数值模拟的方法和结果进行验证。具体工作内容如下：　　（1）研究现状主要围绕我国以往变压器在水利工程中的应用、变压器故障种类和当前电弧故障仿真技术这三方面进行阐述，之后重点介绍了研究电弧故障机理的必要性和现有研究的不足。　　（2）利用有限元软件建立了某升高座模型，选取线弹性材料与合适的非线性材料对模型施加电弧作用力经验计算值，对比分析两种材料模型模拟电弧爆炸时的应力应变和位移响应，并与试验数据对比分析误差。研究发现，非线性材料模型计算时，应力应变集中于升高座顶面边缘连接处和顶面中部。13.89MJ工况时顶面呈明显向外突状。实际试验中在13.89MJ，300ms持时结束时，升高座被气体压力顶飞，底面呈向下凹状，顶面呈向外突状。模拟现象与试验现象具有一致性，所以非线性材料模型在静力模拟之中更加贴近实际情况。　　（3）重点阐述了基于CEL流固耦合的电弧爆炸模拟方法的基础理论，并基于试验工况采用J-C动态强化材料模型对某升高座内部电弧压力产生、传播进行显式动力仿真。在与试验电流、电压和结果数据进行误差分析后，验证了本文计算方法的可行性和有效性。结果表明，0.8MJ、1.46MJ和13.89MJ工况的顶部测点超压峰值与试验数据的误差均在5%左右，与试验相契合，偏差在可接受的范围内。　　（4）应用升高座模型进行内部油量变化的0.8MJ-20MJ工况电弧故障模拟，并对不同工况下的响应进行对比，探究结构破坏规律、薄弱的位置和泄压过程。研究得出，电弧产气瞬时会诞生一个压强极值，随后压力衰减，平稳波动。随着电流电压的持续提供，在100ms左右升压速率突然变大，最终压力波集中于升高座顶部。当器壁达到承压极限，升高座拉格朗日网格被侵蚀消失，破点附近压力骤降。由于破坏在底部焊缝，顶部测点的压强会有滞后下降的现象，滞后时间约5ms。通过对于此升高座结构的爆炸数值模拟，结构的薄弱位置锁定在底部焊缝处和顶面与筒壁的连接处，一是由于材料焊化特性，二是由于顶面各向变形的不一致。