关键词： 电力电子变压器(PET)   电磁暂态(EMT)   多有源桥   死区时间  

摘要： 随着能源互联网的建设和发展,电力电子变压器(power electronic transformer,PET)作为“能量路由器”的核心设备,已成为近年来学术界、工程界研究的热点。随着电力电子器件开关频率的不断提高,中高频运行下的MAB型PET拓扑的死区效应已经不容忽略。同时由于模块内部故障类型复杂多样,针对这些故障,实际工程需要将更加详细的器件级模型进行整合和优化,建立能够反映故障特征的模块级高精度模型。此外,在不可避免的内外干扰下,为了保证系统可靠性,必须设计必要的冗余保护。因此,构建PET模块级故障仿真及冗余分析研究具有重要的理论及工程意义。针对上述问题,论文的主要研究工作如下:首先,针对子模块的周期性闭锁问题,提出了一种针对MAB型PET拓扑的死区效应电磁暂态加速等效建模方法。结合MAB拓扑将该模型的开关死区分为单侧死区和双侧死区。针对单侧死区,对整流侧和逆变侧分别建立相应的映射函数;针对双侧死区,进行状态类型划分,对其电流过零点进行预计算,以实现二极管导通信号的切换预测。基于已开发的MAB-PET的等效模型,考虑不同的死区设置与控制参数关系,建立不同电压调节比下MAB型PET开关死区电磁暂态等效模型。通过PSCAD/EMTDC的仿真对该模型的仿真精度与加速比进行验证。其次,以预设故障类型分析为基础,提出了一种针对MAB型PET拓扑的高精度故障仿真等效建模方法。根据各器件特点,将MAB模块内部的IGBT器件,二极管和变压器等器件进行高精度等效。对MAB模块内部故障类型进行分类后,分别进行故障特性分析。将故障特性与高精度等效模型相结合,建立MAB型PET拓扑的高精度故障仿真等效模型。通过PSCAD/EMTDC的仿真对不同故障类型的仿真特性进行了验证。最后,以系统可靠性为目标,提出了一种针对MAB型PET拓扑的故障冗余等效建模方法。结合MAB型PET拓扑,通过分析常用的两种冗余方案,分别分析两种方案的优缺点,提出了一种能够结合其各自的优势的模块级组合型备用冗余保护方案。在对组合冗余保护方案的拓扑结构和实现流程进行分析研究之后,通过PSCAD/EMTDC的仿真与常用的两种冗余方案进行对比,并对该组合型备用冗余保护方案的可靠性进行了验证。

关键词： 谐波   直流偏磁   换流变压器   振动特性  

摘要： 近年来,我国高压直流输电工程得到了迅速发展,有效缓解了能源与负荷逆向分布的问题。在高压直流输电系统中,换流变压器作为关键设备,在整流与逆变环节扮演着重要角色。换流变压器在运行中承受的电流电压含有大量谐波成分,同时受到直流偏磁的影响,导致铁芯及绕组的振动更加复杂,严重时威胁换流变压器的安全稳定运行。研究谐波和直流偏磁对换流变压器振动的影响规律,对换流变压器的安全稳定运行具有重要而深远的意义。为明晰换流变压器谐波规律,本文基于实际工程参数,基于Simulink搭建了考虑实际阀厅复杂结构的±800kV特高压直流输电系统双极仿真模型。依据此模型,对双极运行方式、单极运行方式和降压运行方式下换流变压器网侧电压和阀侧电压的谐波特性进行分析,得到了各次谐波含量数据,为后续仿真和实验研究提供了依据。结合电磁场理论和固体力学理论,搭建了换流变压器电-磁-力多物理场耦合模型,开展了谐波和直流偏磁影响下换流变压器振动特性的有限元研究,对比分析了 5种不同运行状态下铁芯和绕组的振动特性。将双极仿真模型中获取的谐波含量数据添加到激励源,与标准正弦电压激励时相比,铁芯位移增大了 22.22%,绕组位移增大了 16.73%。在直流偏置系数为1.0的情况下,与正常运行状态相比,铁芯位移增大了 25.40%,绕组位移增大了 31.27%。说明铁芯和绕组的振动均与谐波和直流分量呈正相关。根据实验与仿真相结合的研究思想,以换流变压器缩比模型样机为基础,设计了振动测试系统、谐波实验方案和直流偏磁实验方案,在负载试验和空载试验中研究了谐波和直流偏磁影响下换流变压器的振动变化规律。将双极仿真模型中获取的谐波含量数据加入到缩比模型样机中,使得负载试验和空载试验下振动加速度时域幅值增加为原来的1.72倍和1.69倍。直流偏磁实验中,通过可调电阻将直流偏置系数设置为0.5,使得振动加速度幅值在负载试验和空载试验下增加为原来的1.64倍和1.75倍,表明谐波和直流分量均使铁芯和绕组振动加剧。随谐波的加入,振动加速度中50Hz偶数次倍频分量增加;随直流分量的加入,振动加速度中50Hz奇数次倍频分量增加。

关键词： 变压器线圈   产线换模系统   双电机同步控制   交叉耦合控制  

摘要： 换模工作是干式变压器线圈产线中的重要一环，线圈产线中模具搬运、装卸、更换等流程依靠人工实现，故需要辅助机器人提升生产效率。人工换模采用吊架等工具，依据经验调整模具高度，对辅助机器人的换模系统而言，刚性的举升机构与模具夹具使模具两侧高度同步精度要求更高。结合模具更换经验与电机控制算法，为模具装卸与更换提供了一种辅助机器人换模系统。因此，本文围绕“辅助机器人换模系统的同步控制”这一关键问题展开，具体研究内容如下：　　首先，确定了换模系统总体设计方案。根据换模系统工作空间、夹具精度、模具重量及功能实现等条件，提出换模系统机械系统设计目标。结合机械同步实验，设计举升与同步等机构，完成了机械系统总体装配，并设计控制系统的硬件与功能。　　其次，完成换模系统动力学建模与分析。因模具线圈质量非均匀分布、模具与线圈具有多种类型，所以换模系统同步控制系统具有负载参数不确定性的特点。论文中对换模系统单侧支架进行集中参数建模以分析其动力学特性，并且基于拉格朗日方程建立了换模系统双侧支架的动力学模型，利用ADAMS完成动力学仿真验证。　　然后，进行换模系统双电机同步控制研究。结合换模系统动力学模型建立单侧电机传递函数，引入线性跟踪-微分器改进电机的调速性能。分析换模系统的主从、并行、交叉耦合三种同步控制，提出具有补偿选择器与模糊自适应模块的新型交叉耦合控制器，改善了负载非均布与交叉耦合反馈信号带来的时变干扰问题。设计模具在四种负载情况下完成长短两种位移的实验情况，利用MATLAB/Simulink与ADAMS联合仿真验证，对仿真结果进行了对比与分析，在预设的八种工况中，新型交叉耦合控制相对于传统交叉耦合控制的同步偏差最多减小59.6%，稳态误差最多减小44.8%。　　最后，针对传统交叉耦合与新型交叉耦合控制进行换模系统双支架同步运动实验，并分析实验结果，验证了新型交叉耦合控制的有效性。

关键词： 电力变压器   绕组变形   脉冲频率响应法   电路建模   数据增强  

摘要： 当下电力系统扮演着越来越重要的角色,而变压器作为电力系统中最重要的组成部件之一,其安全稳定运行是保障优质电能正常供应的必要基础。研究与实践表明,机械故障是引发电力变压器故障的主要原因,其中绕组变形占到了相当大的比重。因此,开展变压器绕组变形的检测工作有着非凡的意义。经过众多学者多年的努力,变压器绕组变形的离线检测方法已经走向成熟。但近年来故障检测的在线化、智能化趋势非常明显,频率响应分析法作为最被广泛接受的绕组变形检测方法,其相关在线化应用研究却仍待进一步开展。在线频率响应法中,基于电容耦合的脉冲频率响应法具有较好的应用前景。为满足检测的需要,本文研制了绕组变形在线检测装置,并对基于电容耦合的脉冲频率响应法进行了安全性仿真论证,在真实变压器上开展了与离线扫频频响法的等效性验证。针对频率响应难以理解和解释的难题,本文从物理几何结构出发,搭建了变压器绕组的等值电路模型,仿真绕组的频率响应曲线,在此基础之上仿真了几种典型机械故障下频响曲线的变化趋势。顺应故障诊断智能化的发展,本文提出了一种数据增强技术,依托实验得到的小样本数据,实现了故障频响数据的扩充,并借助数据增强搭建了性能更强的绕组变形故障诊断模型。本文的主要工作如下:(1)针对现场的应用需求,研制了一套在线绕组检测装置,为脉冲频率响应测试提供硬件支持;仿真了电容耦合传感器的安装对套管电场分布的影响,以及脉冲耦合进入绕组的信号在绕组中的电压分布情况,由此论证了脉冲频响法的绝缘安全性;在实验室的模型变压器以及网内在役变压器上都验证了脉冲频响法与离线扫频频响法的等效性。(2)根据变压器的设计参数,建立了有限元模型,仿真计算绕组相关的电容、电感、电阻等电气参数,计及了远距离导体电容、远距离线圈互感以及参数的频变效应,得到参数构建了等值电路模型;利用所构建的电路模型仿真频率响应,与实测的频响曲线有较好的一致性;在所构建模型上进行了几种典型机械故障模拟,分析了故障下频响的变化规律,与实测频响的变化规律能够较好地对应。(3)基于模型变压器模拟绕组变形获取的小批量故障频率响应数据,训练得到基于Conditional-WGAN-GP的数据增强模型;利用数据增强模型生成大量数据,用以训练得到故障诊断模型,证实了数据增强对于故障诊断有重要意义;用三台实际的网内变压器绕组故障案例佐证了本文所提出方法的有效性。

关键词： 故障诊断   变压器   等规度映射   SSA算法   LSSVM  

摘要： 电力变压器是电网输送电的重要设备,在输、送电过程中起升压和降压的作用,其性能直接影响到整个供配电系统的安全,变压器出现故障,整个电力系统的运行将会受到威胁,因此研究变压器故障诊断方法对电力系统稳定运行有重要意义。本文基于油中溶解气体分析技术(DGA),提出一种基于等距度量映射(Isomap)与改进樽海鞘算法(ISSA)优化最小二乘支持向量(LSSVM)的变压器故障诊断辨识方法。首先对采集到的变压器故障原始数据进行预处理,并针对高纬度的原始数据容易存在的冗余信息影响故障诊断精度的问题,提出Isomap算法,对原始数据进行维度约简,去除冗余特征。为验证维度约简后的数据对精度的影响,采用LSSVM算法作为故障诊断模型,结果表明,采用维度约简后的数据作为输入可以提升诊断精度和缩短运行时间,并通过不同的核函数对比分析,验证了径向基核函数在仿真实验中的优良表现。同时,与其他常用的变压器故障诊断模型相比,实验结果证明LSSVM在变压器故障诊断中良好的模式识别能力与稳定性。为提高变压器的故障诊断精度,提出一种改进的樽海鞘算法对LSSVM的惩罚因子C和径向基核函数σ进行优化求解。首先,采用半数均匀初始化和随机初始化提升种群多样性和随机性;结合混合反向学习提高算法的收敛精度;并利用非线性递减权重的策略来平衡樽海鞘优化算法全局搜索与局部开发能力。采用十个基准测试函数,同樽海鞘算法(SSA)、粒子群算法(PSO)、正余弦算法(SCA)以最优值、平均值及标准差为评判标准进行对比分析,结果表明改进后的樽海鞘算法具有一定的提升。最后,以改进后的樽海鞘算法对LSSVM模型进行优化,建立ISSA-LSSVM的变压器故障诊断模型,提高诊断精度。以Isomap算法维度约简后的数据作为输入进行仿真实验,以建立的ISSA-LSSVM的变压器故障诊断模型得到仿真结果。同时与SSA-LSSVM、PSO-LSSVM及SCA-LSSVM的变压器故障诊断模型在诊断精度方面和运行时间方面进行了对比分析,结果表明,ISSA-LSSVM的变压器故障诊断模型相较于其他三种故障诊断模型诊断精度分别提升了10.833%,9.15 6%和7.5%。运行时间分别缩短了6.349秒,16.807秒和10.7秒。从而证明了本文提出的方法能够更加精确、快速的对变压器故障信息进行可靠准确的诊断,因此在工程实际应用中具有一定的价值。该论文有图33幅,表30个,参考文献70篇。

关键词： 数字隔离器   片上变压器   脉冲计数   幅度调制   置位复位  

摘要： 数字隔离器有多种隔离方式,包括光耦、容耦和磁耦。其中基于片上变压器的磁耦隔离器可以提供高共模瞬变抗干扰度、使用寿命长、高速低功耗等优点。为了使得数据传输通过片上变压器,需要将其编码成脉冲信号,并在接收电路中解码还原。不同的编解码方式决定了数字隔离器的性能。本文旨在研究基于片上变压器的数字隔离器编解码原理。首先总结回顾了数字隔离器的主要参数、片上变压器的结构,以及现存的编解码方式。在此基础上,通过比较电路的设计、仿真和测试数据,深入研究了脉冲计数、幅度调制、置位复位三种编解码方式的原理、特点及其应用场景。然后针对直流信号及低数据率的传输情况,本文对两种基于边沿的编解码方式设计了刷新电路。最后本文还提出了一种对置位复位编解码方式改进方法,采用差分信号检测方式使其适合高噪声应用环境。研究发现,在功耗方面,基于沿的编解码方式在低数据率传输场景下具有优势,而幅度调制在高数据率传输场景下具有优势;在传输速率方面,脉冲计数编解码方式和置位复位编解码方式存在较大的限制,而幅度调制可以实现较高的传输速率;在共模瞬态抗干扰度方面,改进的置位复位和幅度调制编解码相比于脉冲计数编解码方式具有更大的优势;在面积方面,置位复位采用双变压器架构相比于其它编解码方式的单变压器架构占用的面积更大,意味着更高的制造成本。本文设计的脉冲计数编解码的最大传输速率为35Mbps,在100Kbps的传输速率下的电流消耗为420.2 μA,典型条件下的传输延时,tPLH=22.89ns,tPHL=23.06ns,脉宽失真为PWD=168ps。幅度调制编解码的最大传输速率为150Mbps,在150Mbps的传输速率下的电流消耗为3.05mA,典型条件下的传输延时,tPLH=3.37ns,tPHL=2.77ns,脉宽失真为PWD=594.8ps。置位复位编解码的最大传输速率为20Mbps,在100Kbps的传输速率下的电流消耗为908.08μA,典型条件下的传输延时,tPLH=25.16ns,tPHL=25.92ns,脉宽失真为PWD=755.90ps。

关键词： 功率放大器   功率附加效率   Ka波段   变压器   CMOS工艺  

摘要： 为了满足人们对高速低延时的通信需求,无线通信技术迎来了快速发展和迭代,Ka波段作为5G毫米波频段的一部分,由于该频段的信号具有低延迟、高穿透性等优点成为了研究热点。射频功率放大器是无线通讯系统收发机电路中主要组件之一,它对信号的放大能力直接影响着整个收发电路的性能,但传统的功率放大器在功率回退时,效率下降很快,会损耗大量直流能量。而Doherty结构的功率放大器使用有源负载牵引技术,在功率回退区仍能提供较高的效率,成为功率放大器重要研究热点之一。本文以此为背景,通过对功率放大器的输入功率分配网络和输出功率合成网络进行设计,在65nm CMOS工艺下完成Ka波段Doherty功率放大器仿真和设计。主要工作如下:论文首先介绍了功率放大器的结构、基本原理、指标和种类,以及Doherty功放的工作原理和有源负载牵引理论。然后分析了有源器件在电路中的寄生效应和如何降低无源器件在电路中的损耗,来提高功率放大器的增益、效率和输出功率。基于上述理论,本文基于65nm CMOS工艺设计了两款Ka波段功率放大器。第一款功放采用两级共源差分电路,并采用交叉耦合电容技术来中和晶体管栅极和漏极的寄生电容,利用低损耗变压器进行输入和输出匹配,提高电路的增益和输出功率。最终得到后仿结果,在28-32GHz小信号增益为22-24d B,最大输出功率为15.8d Bm,峰值功率附加效率PAE达到25%,且功率1d B压缩点的输出功率和PAE分别为13d Bm和16%。第二款Doherty功率放大器以第一款功率放大器为基础,主功放和辅功放都采用了两级级联差分共源电路,在输入端利用正交分配器实现主、辅功放的功率分配和信号的90°相位差,在输出端上利用变压器实现功率合成和阻抗变换,完成Ka波段Doherty功率放大器的设计。最终后仿得到在28-32GHz小信号增益为20-25d B,最大输出功率为18.9d Bm,峰值功率附加效率PAE达到28%,且在功率回退6d B时,PAE能达到20%。本文的Doherty功率放大器利用变压器来代替传统的λ/4传输线,解决了传统的λ/4传输线在版图中面积大和损耗大的问题,并使用Doherty结构来提高功率放大器功率回退时的效率。虽然设计过程中还存在很多不足之处,但是对Doherty功率放大器设计的一次探索,对后续无线通信系统的研究者具有一定的参考价值和意义。

关键词： 干式变压器   绕组辐向形变   轴向漏磁场分布   状态评估  

摘要： 干式变压器绕组的健康状态是保障其长久安全稳定运行的关键。然而在干式变压器实际应用中,时常遭受到短路电流冲击,绕组容易发生形变,并且其形变的程度会随着冲击次数增多而不断加剧,这就将危及干式变压器的寿命。此外,变压器绕组形变可分为轴向形变和辐向形变,其中,辐向形变的潜伏性更强,危害更大,更是引起绝缘破损、匝间短路故障的主要原因。因此,在线监测、实时评估干式变压器绕组辐向形变状态对提高设备可靠性和安全性具有重要意义。 目前干式变压器绕组辐向形变状态评估领域的研究尚未得到广泛关注,电网运维中传统的定期巡检制度又无法完成对干式变压器绕组辐向形变状态及时、准确的评估。针对以上现状,本文开展了干式变压器绕组辐向形变状态与漏磁场关系的研究,解析了变压器绕组辐向形变与轴向漏磁场分布的具体关系,提出了基于漏磁监测的干式变压器绕组辐向形变状态评估方法,设计了相应的漏磁在线监测系统。并在此基础上,优化了干式三相变压器漏磁监测时传感器的布控方案,减少了传感器的布控数量,降低了监测成本。本文的研究内容如下: 首先,对变压器漏磁场分布计算及绕组形变的特点进行理论分析,明确了变压器绕组辐向形变与其轴向漏磁场分布有关,奠定了后续干式变压器漏磁场分布计算及绕组形变仿真研究的理论基础。同时,通过对物理场计算方法的比较,选择了有限元法开展变压器的漏磁场分布的计算与分析。 其次,基于有限元法,定性、定量地研究了干式变压器绕组辐向形变与其轴向漏磁场分布的具体关系。在有限元仿真软件中,建立了干式变压器绕组不同辐向形变状态的模型,并设定相同的运行工况,分析其电磁场仿真计算的结果,同时,还搭建了干式变压器绕组辐向形变漏磁监测实验平台对仿真结果进行验证。结果表明,轴向漏磁场分布变化可以实现对干式变压器绕组辐向形变状态的评估。 然后,基于干式变压器绕组辐向形变与轴向漏磁场分布的具体关系,提出了基于轴向漏磁分布变化评估变压器绕组辐向形变状态的方法,设计了相应的漏磁监测系统。此外,建立了干式三相变压器电磁固多物理场的耦合仿真,分析了绕组易辐向形变位置,并针对干式三相变压器绕组易辐向形变处进行传感器优化布控,减少了传感器布控数量,降低了其监测成本。 最后,为了方便运维人员后期的操作和管理,开发了基于漏磁监测的干式变压器绕组辐向形变状态评估系统软件,并通过实例演示了该软件的相关操作流程。

关键词： 牵引变电站   变压器缺陷   计算机视觉   异常检测   DifferNet  

摘要： 变压器是负责变电站电压转换的重要设备,受环境的影响,随着使用时间的增加,变压器表面可能出现锈迹、裂纹、划痕、污垢等缺陷。由于现场缺陷样本采集难度较大,同时缺陷具有类型多样,位置随机,大小不确定等特征,传统目标检测方法难以实现缺陷的鲁棒检测。研究无缺陷样本情况下的变电站变压器表面缺陷检测算法可以规避建立缺陷数据集困难的问题,具有一定的现实意义。 论文在总结国内外相关研究内容的基础上,设计并实现了一种基于归一化流的变电站变压器表面缺陷检测方法,通过建立无缺陷变压器样本到指定分布的双映射,实现缺陷检出,论文的主要工作有两点。 (1)由于背景干扰可能导致缺陷误判,在进行变压器缺陷检测前需要对图像中的变压器进行提取。同时,考虑到对完整变压器建立映射模型可能导致特征过拟合,进而使缺陷特征也被错误地映射到正常范围。针对这些问题,论文将变压器分解成若干部件,设计了一种三阶段的变压器部件提取方法,将变压器部件作为变压器缺陷检测算法的输入。该方法包括基于Dense ASPP的变压器部件粗分割,基于Cascade PSP的变压器部件分割结果细化和分割结果后处理三个阶段,分步实现了部件分割掩膜边缘细化、噪点滤除、异常空洞填充、进行自适应裁剪等功能。实验显示,该方法在变压器部件提取数据集上m AP达到了97.26%,m Io U达到可92.20%,该实验结果表明,该方法能够为归一流模型(Differ Net)提供轮廓清晰,干扰较少的变压器部件图像。 (2)由于Differ Net直接应用于变压器缺陷检测效果较差,论文从四个方面对网络进行了改进,设计了基于改进的Differ Net变电站变压器缺陷检测算法。首先,为提升算法特征编码能力,使用Mobile Net v3-large替换Alex Net主干网络;其次,为提升网络对不同尺寸缺陷的检测能力,采用特征金字塔结构提取不同尺度的特征图,利用该金字塔特征图分别训练归一化流模块;再次,将正余弦编码的特征图位置编码作为先验信息,参与归一化流模块训练,提升网络对缺陷的分割效果;最后,将不同尺度的异常得分图进行逐层上采样融合得分,得到融合得分图,减少融合过程的运算量。实验准备阶段,论文使用了图像处理手段从无缺陷样本批量生成伪缺陷样本,用于定量分析缺陷检测算法的性能。实验显示,论文所提出的方法缺陷检测准确率达到了93.69%,缺陷定位分割准确率达到了91.22%,综合效果优于其他参与对比的算法。实验结果表明,本文设计的检测方法是有效的,能够在缺少缺陷样本的情况下检出缺陷。 论文设计的变压器缺陷检测方法能够在缺少缺陷样本的情况下完成变压器缺陷检测任务,并且在训练和应用的过程中对硬件存储资源的占用较少,具有一定的实用价值。