关键词： 多绕组中频变压器   正交试验法   有限元仿真   灵敏度分析   响应面法   绝缘结构  

摘要： 随着间歇性的可再生能源并网,配电网正向电能双向流动的柔性直流配电网快速发展。其中,基于中频变压器的磁耦合DC-DC变换器在直流电网中可以起到大规模直流源互联、兆瓦级直流电压变换、能量传输和电气隔离的作用。然而中频变压器的温升高、局部电应力强等问题也成为限制变压器大容量化、高频化发展的重要因素。因此如何准确获取中频变压器的设计参数、如何进行快速有效的优化设计、分析电磁热多物理场特性以及如何考虑电应力保证可靠性对于实现磁耦合DC-DC变换器的研制和应用至关重要。首先,本文以损耗计算为基础,经过解析计算得出在某一频率下,中频变压器可设计的最大容量,进而推导出最优磁通密度,对变压器设计实例展开计算分析;其次,提出了多绕组中频变压器铁心损耗和绕组损耗的计算方法,并基于上述方法提出了多绕组中频变压器的整体优化方法;最后根据上述问题的研究,为充分考虑多绕组中频变压器的电应力裕量,提出了一种基于响应面法的变压器绝缘结构优化方法,为中频变压器结构设计以及绝缘设计提供指导和依据。具体研究内容如下:(1)针对中频变压器参数设计问题。首先基于变压器损耗计算方法,得出了中频变压器的最大设计容量,以及铁心磁密和工作频率的关系。其次推导了工作频率以及设计尺寸与中频变压器功率密度的表达式,分析了不同铁磁材料非晶、纳米晶以及铁氧体对功率密度的影响。最后分析了铁心最优磁密的计算方法,得到最优磁密下的变压器损耗,实现了变压器的效率优化,通过算例验证了方法的有效性,为中频变压器的优化设计奠定了基础。(2)针对多绕组中频变压器的优化设计问题。首先结合多绕组中频变压器的工作模式,给出了铁心损耗、绕组损耗、利兹线最优股径和股数相关计算公式。然后选择初次级绕组间距、不同初级绕组间距、不同次级绕组间距3个对中频变压器有影响的参数,用L(5)正交试验表设计了3因素5水平的正交试验方案。结合直观分析和极差分析对数值计算结果进行分析,分析得出3因素对漏电感和损耗2个评判指标的影响程度,确定最优组合方案。最后给出了一台额定参数为10 k Hz、50 k W的纳米晶铁心多绕组中频变压器最优方案,验证了设计方案的有效性,为多绕组中频变压器的优化设计提供依据。(3)针对多绕组中频变压器的绝缘结构优化设计问题。提出采用增加静电环和角环的方法对初级绕组端部区域的电场强度进行抑制,采用静电场有限元分析方法计算多绕组变压器电场强度分布。结合灵敏度分析方法研究静电环和角环各个尺寸参数对电场强度的影响程度,确定最大电场强度的决定性影响因素。利用响应面法构建与电场强度相关的响应面函数,对变压器绝缘结构进行优化,为中频变压器的电应力柔化问题提供了指导。

关键词： 石英增强光声光谱   变压器故障   乙炔气体   有限元分析  

摘要： 变压器是电力系统中的核心器件之一,对变压器油中溶解气体进行分析可以发现存在的早期故障,有效预防电网瘫痪带来的巨大损失。在变压器出现故障时,变压器油会裂解生成不同的气体,如甲烷、乙炔、氢气等等。其中,乙炔(CH)为变压器故障的重要特征气体之一。因此,对CH的浓度进行实时检测,对变压器故障的辅助判断具有重要意义。石英增强光声光谱技术(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS)是一种基于光声效应的气体探测技术,具有检测范围大、检测响应快等优势,因而在气体检测领域应用广泛。本文主要对变压器故障气体乙炔检测进行研究,通过搭建QEPAS变压器故障气体乙炔检测系统,采用锁相放大器进行信号的处理,对检测系统中的音叉耦合共振管模块进行优化,实现对变压器故障气体乙炔的高灵敏度探测。首先,在理论研究部分,对变压器故障类型及气体进行了分析,并针对变压器油中溶解气体,将气体检测技术进行了分类和对比,对气体分子吸收理论进行了分析,通过对光声效应的分析,详细的研究了光声光谱的技术原理;对石英音叉的压电效应以及QEPAS技术的共振增强理论进行了相关的分析。其次,搭建了基于QEPAS的变压器故障气体乙炔探测系统,对变压器故障气体乙炔以及其他影响气体的吸收谱线进行了分析,对光源、音叉、共振管以及锁相放大器等实验设备进行了选择,对锁相放大器的电路以及信号处理过程进行了分析。对变压器故障气体乙炔检测系统的核心之一,即石英音叉进行了优化设计,以有限元方法为基础,建立石英音叉的模型并对其振动模态进行了仿真,并对石英音叉不同的尺寸对应的谐振频率进行了仿真。以标准石英音叉和定制音叉为研究对象,建立了音叉与共振管的耦合模型,对音叉与共振管的耦合位置、共振管的长度和内径进行了研究,分析结果得到两种音叉与共振管的耦合模型的最优参数,由此确定变压器故障气体乙炔检测实验所选取的参数。最后,通过搭建好的石英增强光声光谱气体检测系统进行实验,利用标准音叉对变压器故障气体乙炔进行了探测,通过实验分析了系统性能,实现了对变压器故障气体乙炔1.22 ppm的探测下限,优化了系统的调制深度,完成了对乙炔的浓度测量,并探究了温度和压强对变压器故障气体乙炔检测系统的影响。

关键词： 改进BP神经网络   变压器   绕组故障   故障检测   检测方法   故障识别  

摘要： 当前的变压器绕组故障检测节点设置一般为独立形式，检测的范围受限制，导致故障检测均值差增加。为此，本文提出基于改进BP神经网络的变压器绕组故障检测方法的设计与验证分析。根据实际的故障检测需求及标准，提取变压器绕组频响特征，采用多目标的方式，打破故障检测范围的限制，布设多目标检测节点，以此为基础，设计改进BP神经网络故障检测模型，采用自适应修正实现故障检测处理。测试结果表明：对比传统数据均衡化与改进鲸鱼算法变压器绕组故障检测小组、传统优化模糊推理变压器绕组故障检测小组，此次所设计的改进BP神经网络变压器绕组故障检测小组最终得出的故障检测均值差被较好地控制在0.25以下，说明此次在改进BP神经网络技术的辅助与支持下，对于变压器的绕组故障识别效果更佳，识别的速度快、范围广，具有实际的应用价值。

关键词： 变压器   主动噪声控制   混合辨识   复合控制   多通道   分布式控制  

摘要： 电力变压器运行产生的噪声具有典型低频特性,穿透及绕射能力强,强度大,其治理成为社会关注的焦点。采用隔音、吸声等被动降噪方式对低频噪声控制效果不明显,且隔断导致主变散热问题,增加了消防隐患。主动噪声控制(Active noise control,简称ANC)基于声波相消原理,通过产生频率相同、相位相反的次级声波,叠加初级噪声后产生相消性干涉,实现主动降噪,是解决低频噪声控制的主要途径。当前ANC研究主要采用单通道、前馈控制方式,无法实现室外变压器在扰动作用下的空间降噪效果。针对这一问题,本文研究了基于复合控制结构与次级通道辨识的电力变压器噪声分布式控制方法,主要研究工作包括:第一、对声波相消与自适应滤波原理进行研究。考虑系统实现的可靠性与可行性,选择具有代表性的两类算法即滤波-x最小均方类算法与滤波-x递推最小二乘类算法进行对比,发现滤波-x最小均方算法(filter-x LMS,简称Fx LMS)具有计算量小、易拓展、适用于窄带噪声控制的特点。通过实验对Fx LMS的信号频带特性进行分析,显示Fx LMS适用于处理低频窄带噪声。同时,对控制器长度、步长等参数对算法的性能影响进行了分析,为算法扩展与应用打下基础。第二、室外变压器声道具有时变特性且存在扰动噪声,基于前馈的ANC方法无法处理扰动噪声,降噪效果变差。针对这一问题,设计了融合前馈与反馈的复合控制结构。针对前馈和反馈之间的耦合问题,采用消减并补偿误差信号的方式对复合控制进行解耦,使反馈控制器对前馈控制器的影响消除,实现前馈控制与反馈控制相互独立更新。解耦后的复合控制系统满足稳定性条件,且结构简单、计算复杂度下降、易于系统实现。采用电力变压器实际噪声数据进行仿真实验,结果显示采用解耦的复合控制架构总体降噪提升3d B左右。变压器次级通道具有时变特性,导致降噪效果下降。因此,设计了变压器次级通道混合辨识方法,使用离线辨识提供初始参数并结合在线辨识实时更新参数,提升了辨识的精准度。采用实际噪声数据进行仿真实验显示,与单纯采用在线辨识相比,总体降噪提升2d B左右。第三、室外变压器降噪属于自由场中的空间降噪,而单通道ANC仅能实现单点降噪。因此,设计了集中式多通道变压器噪声复合控制算法。将Fx LMS算法拓展到多通道ANC中,采用最速下降法迭代计算控制器权系数,以最小化所有通道的均方误差,实现多通道Fx LMS算法。采用基于误差补偿解耦的复合控制结构以及多通道混合辨识,实现了集中式多通道变压器主动噪声复合控制。以两通道、六通道ANC系统为例,采用电力变压器实际噪声数据进行仿真实验显示,两通道ANC比单通道ANC总体降噪提升3d B左右,六通道ANC系统比两通道ANC系统总体降噪提升5d B左右。第四、集中式多通道ANC虽然解决了空间降噪问题,但是计算复杂度随通道数量成二次方增加。为解决这一问题,研究了分布式多通道噪声复合控制算法。该算法采用分布式协同控制思想,将整体空间降噪分解为具有环形拓扑结构的网络节点模块,每个网络节点设置控制器进行主动噪声复合控制。利用控制器的参数传递原理,以增量方式传递控制器参数。每一个网络节点更新的参数都会传递给所有的网络节点,从而更新整个ANC算法。分布式ANC能够将集中式ANC的计算复杂度平均分配到每个网络节点上,有效降低了单个控制节点的计算复杂度,并且协同策略保证了全局降噪效果。通过理论计算说明,分布式ANC每个控制器分担的计算量随通道数增加仅线性增加,相对于集中式ANC的计算复杂度有了显著改进。采用变压器噪声数据进行实验对比,显示分布式ANC比集中式ANC的总体降噪提升1d B左右。

关键词： 电力电子变压器   改进的粒子群算法   主动配电网   启发式时空解耦   灵敏度分析   动态优化  

摘要： 随着新能源技术的迅速进步,以清洁能源为核心的主动配电网正逐步走向成熟,因分布式电源的加入,改变了配电网线路内的潮流形式,使传统配电网转变为具有双向潮流的主动配电网。但由于接入分布式电源的规模逐渐增大,对配电网的平稳运行提出了巨大挑战。主要表现为:分布式电源并网与有功/无功调节手段不足导致的电压不稳定,极大地影响了电网的运行。所以考虑主动配电网中分布式能源与负荷接入后,如何有效地进行动态优化就显得尤为重要。因电力电子变压器装置相较于传统有载调压变压器而言,具有更强的控制能力以及更灵活的调控方式,工作时能够减少并联电容器组投切时所需的经费成本,还保护系统免受过多无功造成的污染。故本篇文章将主动配电网作为研究对象,结合电力电子变压器的优势,对配电网的动态优化过程进行研究,主要研究工作有以下几个方面:首先,阐述了主动配电网进行动态优化的研究背景与意义,说明对主动配电网实施动态优化的必要性。并且总结了目前电力电子变压器以及动态优化的研究现状,并对优化时采用的算法进行阐述。同时对主动配电网的结构、功能以及各种分布式电源特性与数学模型进行分析,并叙述了当下流行的潮流算法,为研究主动配电网的动态优化奠定理论基础。其次,以有功损耗、电压偏移量、节点最低电压值为多目标,建立了主动配电网的无功优化数学模型。介绍了标准粒子群算法的基本原理,针对其处理多个目标的复杂问题时,可能出现的局部收敛以及早熟收敛等问题,利用种群集中度概念调整算法的惯性权重值,并在算法的学习因子中引入正弦和余弦控制因子,提出改进的粒子群算法。将改进算法用于主动配电网无功优化的求解,并在改进的IEEE33节点系统上进行算例仿真,证明本文所提出的改进粒子群算法相较于其他算法的有效性与优越性。再次,考虑到负荷、分布式能源的间歇性与波动性以及电力电子变压器装置的经济性与连续性特点,建立了含电力电子变压器的主动配电网多时间尺度动态无功优化模型。日前阶段考虑离散型补偿设备的约束条件,将电压偏差与有功网损作为目标,实行小时级优化策略,利用启发式时空解耦策略以及灵敏度分析的方法对各时段内设备的约束进行处理,优化调整各时段内设备动作的优先级队列,以便得到最优的调节方案;日内阶段考虑连续型无功补偿设备的调节能力,将分布式能源与电力电子变压器装置的无功出力作为控制变量,目标函数仍为有功网损与电压偏差,实行分钟级优化策略,以保证系统在短时间内能够平稳、可靠的运行。最后,建立含有功装置(储能)和无功装置(电力电子变压器)的动态有功无功协调优化模型,通过储能单元的充放电策略,来平滑电压波动,缓解电网负荷压力,再利用PET装置来减少调压设备的动作次数,在提高电网运行水平的同时,降低了电网的经济成本。利用改进后的粒子群算法对所建立的动态优化模型求解,在改进的IEEE33节点系统上进行仿真,对本文提出的含PET的主动配电网动态优化策略进行验证,结果表明提出的动态优化策略对主动配电网的经济性、稳定性以及安全性具有一定的理论意义和实践价值。

关键词： 液压变压器   高速开关阀   模糊PID控制   脉宽调制   联合仿真  

摘要： 液压变压器是恒压网络系统中的核心液压元件,通过调节液压系统输出压力、流量来满足负载端需求,作用与电网系统中的变压器类似。然而,目前变压器存在着变压范围窄、控制策略复杂和体积较大的问题,需要改进液压变压器结构,以提升液压变压器工作性能。针对液压变压器存在的问题,本论文提出了一种脉宽调制型液压变压器,具有结构简单、可实现连续调压和控制策略鲁棒性高的优点,该变压器由高速开关阀控制阀组、液压马达和阀块组成,控制液压马达两侧高速开关阀占空比,调节液压系统输出流量,最终实现系统输出压力变化。首先对液压变压器构成进行数学建模,然后根据液压变压器控制液压缸运动的工作原理,设计了基于S7-1200PLC的模糊PID压力控制器,实现高速开关阀占空比控制。然后在AMESim中搭建液压系统仿真模型,仿真研究了变压器压力特性、流量特性、调压特性等静态工作特性,以及阶跃响应特性、控制特性等动态工作特性,依次分析了转动惯量、粘滞阻尼系数和开关阀的最大通过流量等结构参数对变压器动态特性影响,然后和Simulink联合仿真验证了变压器控制策略的合理性。最后搭建变压器样机,并在实验台上开展变压器工作特性研究,利用PLC改变高速开关阀占空比,通过实验研究变压器静态工作特性和动态工作特性,实验结果表明所设计变压器能够实现大范围内连续调压,并且控制器可以根据外负载力变化实时调整系统变压比,实验验证了变压器的控制策略有效可靠。

关键词： 牵引传动系统   牵引变压器   高频谐波   谐波谐振   感应滤波  

摘要： 电气化轨道交通系统因其能源利用率高、运输能力强、环境友好等优点,自十九世纪中叶以来,逐步成为世界各个国家和地区的主要交通方式,在实现我国“十四五”现代综合交通运输体系的进程中发挥着日益重要的作用。目前工频交流和低频交流供电制式因其电压等级高、线路损耗低、供电区间长等优点成为世界各国规划干线客运铁路以及长途货运铁路的首选牵引供电制式。随着电力电子器件及其控制技术的发展,采用绝缘栅双极晶体管结合脉冲宽度调制技术的同步前级整流电路逐步替代了依赖调节晶闸管触发角的相控整流电路,实现了更高的列车运行速度。 同步整流方案虽然实现了更高的网侧功率因数和更好的低频谐波表现,但也带来了高频谐波注入的问题。高频谐波电流将恶化沿线电气设备的工作条件,如加剧车载牵引变压器震动和发热、引起继电保护装置误动作、引发车-网高频谐振。目前工程上采用的谐波抑制方案均存在大量占用土地面积或车载空间的缺点。 针对上述高频谐波和谐波谐振问题,本文以交流电力机车牵引传动系统为研究对象,对其车-网系统建模、新型变压器参数设计开展研究,具体而言,主要包含以下内容: (1)首先,针对本文研究对象,建立了车载交流牵引传动系统以及牵引供电系统的解析模型以及仿真模型,仿真分析了不同交流牵引传动系统的运行特性以及牵引供电系统的阻抗特性,通过分析车载变流器的谐波电流特征和牵引网的阻抗特性详细说明了车-网高频谐振的机理。 (2)提出了基于电力感应滤波原理的集成感应滤波绕组车载牵引变压器,对交流机车运行过程中向牵引网注入的谐波电流进行有效抑制的同时,减少车载设备间滤波元件的数量,节省车载空间。建立了集成感应滤波绕组变压器的有限元模型并在此基础上进行了电磁场分析以及短路阻抗计算,基于计算结果研制了牵引变压器样机。 (3)根据牵引传动系统网侧谐波电流特性设计了相应的滤波支路,并从理论计算的角度说明了该设计合理性。最后,通过仿真模型和硬件在环实验证明了提出的新型变压器能有效抑制车-网高频谐振。 该论文以轨道交通领域实际工程问题为导向,针对牵引网谐波问题,从新型车载牵引变压器结构入手,通过对以上关键领域的研究优化现有的列车的电路结构,具有重要的工程应用价值。

关键词： 连续雷电冲击   油纸绝缘   极化/去极化电流   抗拉强度   陷阱  

摘要： 随着全球气候持续变化,雷暴天气出现较为频繁,变压器受到连续雷电冲击的概率增加。油纸绝缘作为油浸式变压器的核心绝缘系统,其损伤程度在累积的雷电冲击电压作用下不断加深,随着变压器服用年限的不断增加,变压器存在严重的安全隐患。为研究多次雷电冲击电压对变压器油纸绝缘性能的影响,本文搭建了雷电冲击实验平台以模拟雷电冲击电压对油纸绝缘的作用,并研制了极化/去极化电流测试中的高压继电器自动转换装置。制作油纸绝缘试验样品,并对该样品进行连续的雷电冲击试验,再利用极化/去极化电流测试装置测量了不同雷电冲击次数样品的极化和去极化电流值。随后利用扫描电子显微镜、微水测量仪、电子拉力机等设备分别对绝缘纸开展微观形貌观测、油中含水质量分数测量,以及绝缘纸抗拉强度测试。最后,结合上述试验结果分析了绝缘纸应力-应变的影响机制,并基于去极化电流值获得油纸绝缘样品的去极化陷阱能级密度谱,分析了油纸绝缘的陷阱能级密度与其老化程度的变化关系。结果表明,随着雷电冲次数的增加,绝缘纸的纤维结构劣化程度加深,应力峰值减小;绝缘油的微水含量增加,油品颜色加深;油纸绝缘的极化/去极化电流曲线以及去极化陷阱曲线均上移,去极化陷阱密度曲线峰值和峰值时间常数增加。应力峰值的下降是绝缘纸纤维劣化的宏观体现,去极化陷阱曲线峰值和峰值时间常数可以作为油纸绝缘在雷电冲击作用下的老化特征量。

关键词： 高温超导变压器   带气隙铁芯   有限元仿真   交流损耗  

摘要： 随着电网保障供电的需求以及不停电小时数要求的提升,特别是对于如检修,应急供电,临时保供电等特殊情况,采用移动式变电站进行快速供电应急部署都是一项理想的技术解决方案,但受道路运输条件的限制,在现有技术框架下想要大幅增大移动式变压器容量已经非常困难。为此将超导技术应用于变压器线圈无疑是一种较好的选择。虽然大载流量的超导绕组相比铜绕组体积和重量都有所减小,但变压器中还有很大一部分重量来自于铁芯,采用部分铁芯设计的超导变压器的设计思路逐渐进入研究者视野。但部分铁芯或者空心设计会带来较大的空载损耗,对于长期挂网变压器来说是不经济的。为此本文提出了将移动式变压器与高温超导技术相结合的技术解决思路,结合应急用移动变压器不用长期挂网的特点,部分铁芯效率损失和超导设备需要配套复杂的低温系统等问题都不再是不能容忍的矛盾,全新设计的铁芯和线圈具有的轻量化特征可以突破道路运输瓶颈,将超导变压器的优势提升到新的高度。本研究首先根据高温超导变压器的研究现状,以及原理、结构与特点,设计了容量为40MVA的铁芯带气隙的轻量化应急移动式超导电力变压器,确定了其基本参数。与传统变压器相比,除了绕组重量以及体积上的减小外,由于铁芯柱气隙的存在,铁芯柱重量减少了25%左右。其次用有限元方法对高温超导带材进行建模分析。文章采用变量较少、迭代速度比较快、且收敛性高的H法来进行仿真分析,并对二维模型中的H方程进行了扩维。基于H法,用大型有限元软件中mfh来快速运用超导E-J特性,建立了单根YBCO超导带材的模型,为后续章节提供了建模基础。接着利用单根带材的建模方法,建立了高温超导双饼线圈二维模型,并对比了三匝、六匝高温超导双饼线圈磁通分布图。仿真结果表明:无论是单根带材的左右两端还是双饼线圈上下两个端部,其磁通密度模值相比中间部位数值较大。同时由于交流损耗与磁通分布有着密切关系,因此端部的交流损耗也比较大。之后根据双饼线圈模型,进一步建立超导绕组与铁芯距离优化模型,为此建立了超导绕组塞入气隙中,超导绕组与气隙上下铁芯齐平,超导绕组远离气隙三组模型。仿真结果表明:磁场强度较强的地方位于气隙内部以及绕组上下两端,以及铁芯边缘处。绕组越靠近气隙内部,其漏磁越大,损耗也随之增大。最后构建了单相高温超导变压器模型,以及复杂的高温超导变压器模型,仿真结果表明:随着气隙数量的增加,绕组上的磁场不均匀度也在增加,漏磁也在不断增大,导致损耗有所增加,但是总体上来看,带气隙的漏磁与全铁芯的相差无几,在可接受范围内。对于三相变压器而言,磁场的变化随着电流成周期性变化,在0.02s内随着时间推移从左到右,从右到左依次增大。当注入电流超过临界电流时,超导线圈失超导致损耗成倍增加。