关键词： 高频变压器   热点温度   多物理场耦合   冷却风   非线性热阻  

摘要： 新型电力系统的迅速发展对电气设备提出了更高的要求,高频变压器以其体积小、质量轻、效率和功率密度高等特点而逐渐被广泛应用。高频特性导致高频变压器单位磁芯和绕组损耗激增,大量的损耗导致温度快速上升,且由于散热面积较小限制了热量向外扩散,持续的高温将缩短其运行寿命,影响安全稳定工作环境。因此,探究高频变压器的电、磁、流和热特性,研究高频变压器不同工况对其温升特性的影响,快速而又精确地计算热点温度具有重要意义。围绕以上问题,本文主要研究内容如下:首先,建立数学模型和物理模型探究高频变压器电磁损耗特性。基于磁芯损耗分离理论,考虑非正弦激励作用下高频变压器实际运行工况,推导矩形波激励下不同占空比、梯形波作用下不同升降时间系数的涡流损耗和附加损耗计算模型,并进一步将其系数修正为受磁感应强度影响的变量,提高了在高频工况下的计算精度。借助有限元软件Maxwell对高频变压器建模,选取纳米晶作为磁芯材料,探究频率和绕组排布方式对其电磁场分布和损耗分布的具体作用规律。其次,以电磁场仿真中产生的损耗作为热源,通过Workbench平台将其导入流热仿真场中,结合实际流固物理特性,构建高频变压器电场、磁场、流场和热场多物理场耦合模型,依次探究不同来流角度、不同流体流速对其稳态温升及热区域分布特性的影响。研究表明,不同的来流角度影响热点温度位置,流体流速的上升可以有效降低稳态温度,但是该效果趋于饱和,为优化高频变压器散热设计提供了思路。最后,基于芯式高频变压器的磁芯结构和绕组布局,考虑风冷散热下不同区域的冷却风分布情况,提出一种计及非线性热阻的芯式高频变压器五节点暂态热路模型,并验证恒定负载作用下不同流体速度、不同负载系数、不同环境温度的计算精度,以及冲击负载和时变负载作用下的计算精度,在此基础上对努塞尔数进行修正。研究结果表明,稳态负载下所有工况平均稳态误差约为5.75%,恒定负载、冲击负载和时变负载整个温升过程中出现的最大误差为8.61%,采用修正后的努塞尔数求解对流热阻可将温度误差百分数降低约3%,为工程实践中预测高频变压器热点温度提供了一种简洁、低成本的计算方法。

关键词： 干式变压器   不平衡度差值   功率损耗变化率   匝间短路   诊断技术  

摘要： 干式变压器具备维护简便、损耗低、无油化、抗短路能力强等特点,在市区供电系统被广泛应用,其运行的安全稳定性直接影响供电可靠性。但受工艺材料、运行环境及负载特性的影响,干式变压器绕组绝缘老化问题仍然突出,极易发生绕组匝间短路故障,造成设备烧毁,引起供电中断事故。随着社会用电量的不断增加,对设备绝缘及其运行可靠性的要求越来越高。为减小干式变压器绕组匝间短路故障对配电网造成的影响,针对如何识别并预判绕组绝缘故障,提出行之有效的在线诊断技术,已成为研究干式变压器绕组绝缘状态诊断的热点问题。实际工程中干式变压器多采用熔断器保护或过电流保护。虽然发生绕组匝间短路故障时短路匝的电流剧增,但受绕组固有结构的限制,无法对绕组短路匝的电磁参数进行实际测量,而由此引起的主回路电流变化微弱,不能使保护干式变压器的熔断器熔丝熔断或引起过电流保护动作,从而导致干式变压器严重损坏甚至爆炸起火。目前针对干式变压器绕组匝间短路故障的诊断方法尚不成熟,为保证配电网安全稳定运行、预防设备损坏事故,提高干式变压器运行故障预警能力,有必要进一步研究其低压箔式绕组匝间短路故障的机理,分析绕组发生匝间短路故障前后特征量的变化特征,提出一种敏感有效且适用于干式变压器的匝间绝缘状态在线监测方法。首先,本文采用ANSYS有限元仿真软件构建了与实际干式变压器一致的“场-路”耦合模型及“电磁-热”多物理耦合模型,在工厂搭建试验平台,对该干式变压器进行了短路、空载和温升试验,通过理论计算和实际试验验证模型的正确性。在外电路模型中设置正常额定运行和匝间短路故障工况,仿真模拟干式变压器箔式绕组不同运行工况下的物理特征变化情况及分布规律,为下文提出绕组绝缘故障诊断方法奠定基础,同时为实施提高绕组抗短路能力的措施提供理论依据。然后,通过理论分析和仿真试验,提出了以干式变压器电流不平衡度标幺值与电压不平衡度标幺值的差值作为匝间短路故障特征量。通过在干式变压器外电路模型中设置不同接触电阻数值模拟绕组匝间劣化过程及不同工况下绕组发生匝间短路故障的运行情况,论证了该故障特征量不仅能实时感知绕组匝间短路故障,而且能够克服固有的三相不对称及不平衡运行带来的影响,为实时监测干式变压器绕组匝间绝缘状态提供一种新的思路。最后,从实际工程中实施难度出发,研究干式变压器绝缘故障诊断技术,在确定新故障特征量作为判断绝缘故障依据的基础上,研究并提出了一种通过功率损耗变化率可准确定位故障相的干式变压器绕组匝间短路故障诊断方法。该方法不仅能够灵敏感知绕组绝缘故障及故障相,而且实现了实时监测绕组绝缘状态,预判匝间短路故障,有助于完善干式变压器低压侧绕组绝缘状态在线监测与故障诊断技术。

关键词： 数字孪生   电力变压器   磁-热-流耦合   分布式光纤   热稳定性评估  

摘要： 在国家“碳达峰、碳中和”的实施背景下，世界能源发展呈现出智能高效的新趋势，因此，智能化已经成为未来的主要发展方向，节能降损也成为研究的重点问题之一，变电站的数字孪生系统作为推动智能化发展就显得尤为关键。数字孪生平台主要是对变电站内主要器件变压器进行实时监测，在感受到异常数据时进行报警和故障显示等，进行数字化评估。本文主要工作内容如下所示:　　(1)电力变压器热问题分析。为了更详尽了解变压器温度场方面，首先介绍温度场以及热数字孪生方面研究背景和研究现状。对变压器产热与散热方面的主要问题进行理论上的分析，叙述变压器损耗以及温度场合理的数学模型，有助于温度场与流体场进行仿真。　　(2)数字孪生多物理场耦合仿真。数字孪生首先需要对物理实体进行三维仿真建模，模型的高还原度能提高仿真的精度。对一台油浸式变压器模型进行磁-流-热耦合仿真，将磁场损耗作为热源输入，分析流体场与温度场以及一些典型的过热故障，将结果与温升实验的结果相互比对，考虑分析温度分布状况与热点温度等因素，验证该方法的可行性，为数字孪生平台提供计算的方法。　　(3)热数字孪生体数据传输以及故障显示。采用GA-ELM遗传算法搭建热数字孪生温度预测模型，考虑到传统的温度采集无法做到数据的实时传输，效率低下，选择采用分布式光纤测温系统，此系统不仅能做到采集温度，还可以直接将数据传输至计算机内，拥有实时性。通过油色谱法以及气体继电器对变压器油内气体进行分析，可以检测出变压器内部是否产生过热故障，并利用三比值法分析具体故障类型，当故障出现以后，在故障树内提醒，向工作人员报警，并且在平台上显示已出现过热故障。

关键词： 并联运行   电压差   环流   反向电量  

摘要： 结合一次10 kV专变用户两台变压器并联运行，导致智能电能表出现反向电量的现场实例，运用计量参数数据和变压器并联运行条件，分析智能电能表反向电量原因和计量误差，提出了相应防范措施。

关键词： 交直流混合微电网   固态变压器   混合储能   功率分配  

摘要： 近年来，交直流微电网由于既可以较好的整合各种分布式发电单元，同时又能够做到与大电网的配合工作，逐渐形成了一个发展重点。而能量存储体系作为微网技术中最关键的一个部分，其能够发挥平衡电网能量的变化，保证母线电压稳定的作用。其中混合储能技术以其成本低、性能好等优点而迅速发展。对混合储能系统的控制和电能分配的研究是一项根本性的技术问题。本文以含固态变压器以及混合储能装置的交直流微电网为研究对象，研究其在并网模式下的能量管理策略。具体研究内容如下：　　首先，介绍固态变压器、交直流微电网和储能技术及其控制策略的发展过程以及研究现状。针对本文采用的固态变压器结构，对其各子单元进行建模分析和控制方案设计。为了加快固态变压器的动态响应并提高系统的稳定性，提出一种将前后级协同氢储能工作的协调控制策略。随后，通过仿真验证本文所提控制方法的有效性，并为之后的功率分配和能量管理提供了基础。　　其次，分析各储能技术的优缺点并确定本文所选用的储能系统。通过对各储能系统子单元进行建模分析并设计相应的控制方案构建出一个完整的混合储能体系。然后通过一阶低通滤波器对混合储能单元进行了初分配，利用不同储能单元的功率响应特性将系统内不平衡能量中高频分量和低频分量分隔开。为了延长氢储能的使用寿命，优化功率分配以及提高超级电容的利用率，实现配电网、交直流微电网和混合储能单元三者之间的稳定运行与功率平衡，提出一种功率分配策略，通过设计一种滤波系数自动调节的低通滤波器对不平衡功率进行再分配，使得混合储能单元在并网模式下获得各自所需充电/放电的功率状态。　　最后，在Matlab/Simulink中搭建基于固态变压器的交直流混合微电网仿真模型，设计并网工作模式下多种运行工况，对本文所提能量管理策略的有效性进行验证，仿真结果表明，与定常低通滤波器相比，本文提出的控制方法与能量管理策略可以实现更优的功率分配并提高系统运行稳定性。