关键词： 主动配电网   Cholesky-拉丁超立方抽样   多目标灰狼算法   固态变压器  

摘要： 传统配电网正在结合信息、通讯和电力电子等技术变为主动配电网(ActiveDistributionNetwork,ADN)，但ADN中风机、光伏电池等可再生分布式电源出力的随机性和间歇性会增大系统网损和节点电压偏移量，因此对配电网的无功优化提出了更高的要求。新型的电力电子设备固态变压器(SolidStateTransformer,SST)相对于有载调压变压器不仅具有调压等基本功能，还可以精准地实现有功转移、无功补偿和电压转换等一体化功能。因此在源荷波动背景下，对含SST的ADN的动态无功优化方法进行详细研究具有重要意义。　　针对传统潮流计算方法不能适用于含SST的ADN的问题，本文对SST的无功控制原理和控制方式进行分析，建立SST一、二次侧的潮流计算数学模型，结合前推回代法提出了适用于含SST的ADN的潮流计算方法。最后通过仿真算例进行了验证。　　由于风机、光伏电池和负荷三者出力场景之间存在随机性和相关性，因此本文提出考虑三者出力之间随机性和相关性的Cholesky-拉丁超立方抽样的场景构建方法。为了防止抽样生成的场景数目过多导致潮流计算时间过长。最后利用改进的k-means聚类算法用来实现场景的缩减。　　为了能快速、准确地获得无功优化问题的最优解，本文提出了改进型多目标灰狼算法。该算法一方面引进了动态搜索因子防止陷入局部最优;另一方面引入熵权法对所求得的Partro前沿解集进行客观的选择。最后通过三个基准测试函数验证了所提出算法的可行性和优越性。　　针对风机、光伏电池出力波动性和间歇性导致配电网系统网损和电压偏移增大等问题，提出了基于SST两侧电力电子变换器的脉冲宽度调制技术控制潮流对配电网进行动态无功优化的方法。为了验证该方法，本文以上述的研究为基础，通过修改过的IEEE33节点配电系统进行仿真，证明了在源荷波动时，采用SST对配电网进行无功优化可以有效降低配电网网损、维持节点电压稳定，还可以减少电容器组的动作次数。最后对不同算法进行无功优化的结果进行了对比，以验证改进型灰狼算法在无功优化求解问题方面的优越性和有效性。

关键词： 油纸绝缘   温度梯度   聚合度   热老化   二阶动力学模型  

摘要： 油浸式电力变压器在电力系统中起着关键作用,其绝缘状态对电力系统的稳定运行至关重要。油纸绝缘系统是油浸变压器的主绝缘系统,其由绝缘油和纸绝缘构成。纸绝缘作为决定变压器服役寿命的重要因素,其老化状态可通过纸绝缘的聚合度进行判断,但现场的纸绝缘聚合度测量不仅取样困难较大,而且会对绝缘造成损伤。因此,寻找一种能够准确且无损的预测纸绝缘聚合度的方法具有重要意义。目前,老化动力学模型能很好的描述实验室恒温老化过程中聚合度的变化规律。然而,在变压器运行过程中由于绕组的非线性结构及油流循环等因素的影响,油纸绝缘出现了不均匀老化现象,而温度梯度下的纸绝缘的老化降解行为尚不清晰,且上述老化动力学模型尚未考虑不均匀热场下的温度及水分分布对老化的影响。针对此问题,本文提出了温度梯度下的油浸式变压器纸绝缘老化降解的二阶动力学模型。论文取得的创新性成果主要有:(1)分析了不均匀老化设备中的绕组轴向温度梯度及纸绝缘的含水量分布特性,基于回归分析方法得到了绕组温度与绕组高度的量化关系以及纸绝缘含水量与绕组高度/老化时间的量化关系。(2)为了量化老化过程中纸绝缘含水量变化对老化速率的影响,将整个老化过程划分为了三个老化周期。随后,基于二阶动力学模型拟合得到了各老化周期下的离散二阶动力学模型,并通过回归分析方法建立了模型参数k/k与环境参数(温度、含水量)的量化关系。(3)结合温度梯度下的温度/水分分布特性、模型参数与环境参数的量化关系以及离散二阶动力学模型,建立了温度梯度下的油浸式变压器纸绝缘老化降解的二阶动力学模型。最后基于多种误差分析指标,验证了所提模型的准确性。本文研究工作提出了一种温度梯度下变压器纸绝缘老化降解的二阶动力学模型,为获取温度梯度下老化的纸绝缘聚合度数据提供了一种新思路,将传统二阶老化动力学模型推广至不均匀热场下,完善了其应用形式和应用范围。

关键词： 变压器故障诊断   DGA   RFRFE   多核合成核函数   ACMAO   MSVM  

摘要： 随着我国经济发展与能源结构改革进入新的发展时期,生活和生产中对于供电安全性和可靠性的要求变得越来越高。变压器作为高压输配电网络的核心电力设备,一旦故障将会对电网的安全运行产生极大影响,造成重大财产损失,甚至导致灾害性事故的发生。因此,对于变压器的运行状态进行实时监测,对不同故障类型进行诊断,具有重要的研究意义。本文基于油中溶解气体分析(DGA)技术,提出一种基于改进超参数优化的多核合成核函数支持向量机(MSVM)变压器故障诊断方法。首先,针对故障特征参量冗余对故障诊断模型的运算量和诊断精度的影响,提出随机森林递归特征消除(RFRFE)实现对原始故障数据的特征选择,构造RFRFE-SVM故障诊断模型。为验证其有效性,将优选后的特征数据输入到SVM模型中得到故障诊断结果,与未优选特征参量的SVM模型作对比,经优选后的SVM模型在诊断精度方面有明显提升。同时,选用经RFRFE优选后的故障数据作为输入,选取多项式核函数、径向基(RBF)核函数、Sigmoid核函数和本文提出的多核合成核函数,分别构建支持向量机故障诊断模型并对比,结果表明经RFRFE特征参量优选的多核合成核函数支持向量机(MSVM)模型与其余模型相比具有一定优越性。其次,针对RFRFE-MSVM故障诊断模型相关超参数的设置对于故障诊断精度影响性较大的情况,本文提出一种基于自适应交叉变异天鹰优化算法(ACMAO)对其模型超参数进行寻优。引入惯性权重因子、纵横交叉策略以及柯西精英变异策略对天鹰算法进行改进,构建ACMAO算法;然后选取12个基准测试函数对ACMAO进行算法性能验证,通过与粒子群算法(PSO)、蝗虫优化算法(GOA)及天鹰优化算法(AO)进行对比,得出ACMAO算法在求解精度、收敛速度以及稳定性方面有一定提升。最后,对所提出RFRFE-ACMAO-MSVM故障诊断模型进行仿真分析。将经RFRFE算法优选后的特征参量输入到PSO-MSVM、GOA-MSVM、AO-MSVM、ACMAO-MSVM模型中,故障诊断精度分别为81.67%、85%、86.67%、93.33%,实验结果表明,RFRFE-ACMAOMSVM模型在诊断精度方面具有显著优势,验证了ACMAO-RFRFE-MSVM模型在变压器故障诊断领域中的实用性,能更准确的对变压器运行状态做出诊断,具有一定的工程应用价值。该论文有图35幅,表18个,参考文献61篇。

关键词： Multiple output power supply   Power supply   Toroid transformers   Transformers   Medium voltage applications   Power devices  

摘要： When operating in high power applications, power devices dissipate tens or hundreds of watts of power in the form of heat. The ability of the power devices to withstand power and dissipation of heat across the power devices becomes a prominent requirement in designing the power converter. This challenge demands a power converter design to be more effective and consistent which factors in size, cost, weight, power density and reliability. This study aims to propose a gate driver isolated power supply design that can be used in medium voltage applications (e.g., up to 10 kV) while respecting the principle of scalability. A versatile design that facilitates addition of another power switch to the converter if needed, without having to alter too many power supply components while retaining the main structure, thus reducing system complexity and size. The proposed topology is a full-bridge converter with a single-turn primary side transformer, realized using a high voltage insulated hook-up wire as primary winding, while the secondary winding is wound around a toroidal core. This structure can supply several gate drivers simultaneously without replicating the primary side converter, but by simply adding a toroidal core with the secondary side converter which effectively reduces the size of the power supply. To satisfy magnetic and electric constraints, the proposed toroidal transformer needs to exhibit a very low primary to secondary coupling capacitance to avoid high common mode current, which leads to control signal distortion. For this, a multi-objective optimization design has been performed for the magnetic components of the topology. In this paper, a single input and three output power supply design is proposed for a 10 kV active gate driver.

关键词： 高频电抗器   寄生电容   绝缘老化检测   高频方波电压  

摘要： 磁性器件在电力系统及电力电子装备中应用广泛,是重要的电气基本元件之一。电抗器作为典型的磁性器件,在电力电子装备中具有重要的作用。随着电力系统及电力电子技术的不断发展,对电抗器的性能与稳定性要求也在不断增加。国内外大量研究表明,电抗器等磁性器件的寿命本质是由其绝缘寿命决定的,匝间绝缘老化是引发电抗器局部放电、短路、发热等故障的主要原因。造成电抗器绝缘老化的因素包括过电压、高温、震动等严酷的工作环境。近些年随着变频等技术的迅速发展,高频方波电压的运用增多,也会对绝缘材料施加较强的电应力,长期积累会促进绝缘老化。为更准确地检测电抗器绝缘状态,本文通过分析和验证电抗器的绝缘老化与寄生电容值之间的关系,提出了基于高频方波电压激励的电抗器绝缘老化状态检测方法。由于高频方波信号中包含多种频率的正弦信号,可以在检测分析中实现更宽范围的频率分析,有助于准确检测电抗器匝间寄生电容值,进而分析绝缘的老化程度。本文研究的主要工作包括:(1)通过实际加速热老化实验和COMSOL仿真等验证了电抗器绝缘存在老化的事实,证实了绝缘老化后匝间寄生电容的增大趋势。并以此为理论基础,分析了寄生电容增大后电抗器阻抗特性的变化规律;(2)搭建电抗器绝缘老化检测实验平台,开展老化检测实验,采集、处理并分析数据。根据阻抗特性的变化规律,分别从电压电流的相频特性、幅频特性、多维度和多分辨率分析的角度,设定三种不同的绝缘老化检测指标,从不同的角度对老化程度进行量化分析;(3)从不同的维度对比三种老化指标的优缺点,分析其各自适用的工况场合和测量条件。该检测方法是一种非侵入、非破坏、快速的检测方法。可较为准确地分析出电抗器绝缘的老化程度,做到绝缘早期老化状态检测,为电抗器的安全运行提供测量分析的依据。

关键词： 高频变压器   缺陷检测   YOLOv7   注意力机制   IOU损失  

摘要： 高频变压器是工作频率超过10KHz的电源变压器,是开关电源的重要组成部分,广泛应用于各种电子设备的电源适配器中。其外观缺陷的检测是保证高频变压器产品质量的必要环节。目前常规的检测方法包括人工流水线形式的质检和常规机器视觉算法辅助检测。人工质检易受人为因素影响。常规的机器视觉方法的检出率低,泛化能力差,对缺陷的识别停留于表层特征,以至于误检率和检出率都不理想。所以本文基于深度学习理论和需求对高频变压器外观缺陷实时检测算法进行研究。具体研究工作如下:(1)生产现场的图像数据采集和分类。在四川某高频变压器生产厂的帮助下,共搜集了1300余张图片,然后依照缺陷的特征进行种类划分,共划分为6大类缺陷,覆盖实际生产中可能出现的14类外观缺陷。随后进行了数据集的标注工作,每类标记得到1100余个目标框,全数据集共有目标框6900余个。至此,完成高频变压器外观缺陷数据集的制作。(2)选择实时性较好的深度学习目标检测网络YOLOv7作为基础模型,并对其网络结构进行改进。针对YOLOv7的特征提取网络具有模型尺寸和浮点计算量庞大的问题。将YOLOv7的原特征提取网络替换为其他轻型结构进行对比实验,最终选择轻型结构Densenet121作为新的特征提取网络。结果显示可使模型的浮点运算量FLOPs下降75%,模型大小减少57%,但同时精度小幅下降1.4%。(3)对特征融合网络部分进行改进。通过对比多种注意力机制的实验结果,发现高频变压器外观缺陷数据集对空间注意力更加敏感。故基于SAM空间注意力模块,设计了一种多分支的空间注意力机制SAMPlus。SAMPlus分为空间信息记录和空间信息融合两个模块,可以对一定范围内的空间信息记录并加以利用,其相较于SAM模块对空间特征信息具有更强的处理能力。应用于YOLOv7-densenet121的特征融合网络后,使模型的m AP@0.5:0.95提高了2.3%。(4)将YOLOv7的IOU损失函数GIOU更换为EIOU,加快了模型收敛速度的同时,使网络精度得到进一步提升。最终,模型的m AP@0.5:0.95达到84.0%,FLOPs为26.26G,模型大小62.25M。相比于原YOLOv7模型,分别优化了2.1%,75.2%,57.5%。(5)搭建测试平台,进行模型精度和速度的测试。经测试原模型在部署后平均处理速度为23帧/s,而经过优化后的YOLOv7-densenet121-4SAMPlus模型的处理速度达到了42帧/s。使用100个次品元件进行精度测试,优化后模型的漏检数和误检数均为最低。测试结果表明,优化后的模型满足高频变压器外观缺陷实时检测要求,精度相比于传统算法亦有大幅提升。

关键词： 电力电子变压器   模块化多电平换流器   均压控制   控制策略   不平衡负载  

摘要： 随着智能电网概念的提出,电力系统发生了许多新的变化,具有单一功能的传统电力变压器已经不能满足新型电力系统的要求。电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)是高频变压器和电力电子变换器的结合,不仅具有传统电力变压器的功能,还可以实现对电能质量的灵活调节,为分布式能源提供并网接口。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)高度模块化并且具有高压直流母线,以MMC作为输入级的电力电子变压器可以提供多种交直流端口,对智能电网的发展具有重要意义。本文对MMC型PET各级的控制策略进行研究,主要研究内容概括如下:(1)根据MMC型PET的三级式结构,分别对输入级、隔离级和输出级的工作原理进行了分析。输入级是MMC,基于其拓扑结构和子模块的工作状态,分别建立了交流侧和直流侧的等效模型,根据常用调制策略的特点选择了合适的调制方式。隔离级是输入串联输出并联的双向有源桥(ISOP-DAB),基于DAB的拓扑结构分析了单移相控制的工作原理,简要介绍了ISOP-DAB的拓扑和基本原理。输出级是三相电压源型逆变器,基于其拓扑结构分析了工作原理,并介绍了适用于该逆变器的SVPWM调制方式。(2)以电压电流双闭环控制为基础,对输入级MMC的控制策略分别从电容电压均衡控制和环流抑制两个方面进行研究。介绍了采用载波移相的传统均压控制策略,针对传统策略存在直流母线电压波动较大和电容电压一致性较差的问题,提出了一种基于电容电压平均值前馈控制的改进均压控制策略,降低直流母线电压波动的同时也提高了电容电压的一致性。对环流中交流分量的成分进行了分析,建立了负序二倍频环流的数学模型,基于此模型设计了负序二倍频环流抑制控制器。基于上述研究最终得出了MMC的整体控制策略。(3)分别对隔离级和输出级的控制策略进行研究。为了实现对ISOP-DAB的功率均衡控制,基于共同移相比控制提出采用输入均压的电压双环控制。为了实现对不平衡负载下三相电压源型逆变器的控制,首先研究了传统控制策略,针对传统策略存在不平衡负载下输出电压不平衡的问题,提出了一种基于延迟相消技术的改进双环控制策略,在不平衡负载下能够维持三相输出电压的平衡。最后根据每一级的控制策略搭建各级仿真模型,并通过对比仿真分析验证了各级所采用控制策略的有效性,对MMC型PET进行了整体仿真,验证了各级模型的正确性。

关键词： 电力变压器   状态评估   油色谱在线监测   马氏距离   马田系统   健康指数  

摘要： 自2020年以来,我国已经实现了全面小康社会的目标,随着国内经济的稳步发展,电力工业技术成为我国产业发展的重要组成部分。保障电力系统的高效运转和减少因故障带来的损失变得至关重要。因此,建立一个合理的健康管理方案并有效地评估和预测变压器的状态已经成为当前研究的热点之一。健康状态评估是变压器状态检修的关键环节,而现有变压器油中溶解气体在线监测系统可在一个监测周期内根据气体浓度来判断变压器正常或异常状态,但存在评估结果边界模糊、判断不准确的问题。本文提出了一种基于马氏距离的变压器健康状态评估的方法,为电力变压器进行动态短时评估提供了一个可借鉴的方案。首先利用油色谱在线监测系统采集的变压器油中溶解气体数据构建初始特征集,参照DL/T 1685-2017《油浸式变压器(电抗器)状态评价导则》中的评价方法,利用各特征可能产生缺陷时的注意值作为初步判断的标准。接着,本文针对变压器油色谱在线监测数据所收集到的特征,引入马田系统通过计算马氏距离,并构建正交表、计算信噪比及其均值,对关键特征进行提取,防止对后续变压器状态评估产生误差影响。通过信噪比可以挑选出对评估具有正向作用的特征并将其保留,负向影响较大的特征予以删除。最后利用单台变压器所有油中溶解气体数据计算的马氏距离构建单台变压器健康指数模型,采用Box-Cox变换和3σ准则确定所有变压器健康指数的警戒值和阈值;以实际情况为例,验证了所提方法能反映变压器运行状态的动态变化并能可靠评估变压器的状态。避免了健康指数中参数和权重选取主观性强、边界模糊和易引起误判等问题,可为变压器状态检修策略提供决策依据。

关键词： 换流变压器阀侧套管   表面电荷积聚   暂态   电压极性反转  

摘要： 换流变压器阀侧套管连接着换流站与阀厅,是高压直流输电系统中不可或缺的核心设备,由于运行条件比较严苛,对绝缘性能要求极高。套管内部SF气腔中游离的自由电荷在电场的作用下会积聚在固体绝缘介质表面-电容芯体侧、复合外套侧。电荷积聚过程中固体绝缘介质表面电荷密度随时间发生变化,因此有必要从暂态的角度展开研究。开展换流变压器阀侧套管表面电荷积聚特性研究对套管的设计及绝缘性能研究具有重要意义。首先,本文以±400k V换流变压器阀侧套管为研究对象,建立了换流变压器阀侧套管表面电荷积聚数学模型。仿真结果表明,施加电压大约10万小时之后,固体绝缘介质表面的电荷密度基本不再变化,此时电荷积聚达到稳态。SF气腔中固体绝缘介质表面的电荷密度和沿面场强均随时间呈增长趋势。其中,电荷积聚对电容芯体侧沿面场强影响较大。其次,研究了不同气体压强条件下以及不同体电导率条件下表面电荷分布及沿面场强的暂态特性。SF气腔内气压升高,电容芯体侧积聚的电荷会减少,沿面场强也随之降低;而复合外套侧积聚的电荷会增多,场强随之升高。体电导率越大,电容芯体侧中间位置的表面电荷密度随之增加,沿面场强随之增大;复合外套侧下半部分位置的表面电荷密度随之增加,场强也随之增大。当体电导率大于10γ时,对电容芯体侧和复合外套表面电荷密度和沿面场强分布的影响较为明显。体电导率对电荷积聚速率也有影响,体电导率越大电荷积聚越快。最后,换流变压器阀侧套管实际运行中会出现电压极性反转,因此本文研究了电压极性反转电压前、中、后三个不同时间阶段内,电容芯体侧和复合外套侧的表面电荷积聚情况;以及三个不同时间阶段内,不同体电导率对电容芯体侧和复合外套侧表面电荷密度及沿面场强变化规律的影响。结果表明,电压极性反转前与反转中,电容芯体侧和复合外套侧的电荷密度与沿面场强分布基本不变;反转后电容芯体侧电荷开始消散,电荷密度峰值明显减小,出现峰值的位置也发生了变化。电压极性反转前、中、后,电容芯体侧与复合外套侧的表面电荷密度随电导率的增大而增大,场强也随之升高。电压极性反转后,不同体电导率对电容芯体侧与复合外套侧的表面电荷密度及沿面场强的影响较极性反转前的小。