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                          變壓器鐵芯動態磁滯和深度飽和表征與寬頻非線性電磁暫態模型

                          變壓器類設備是現代電力系統中發、輸、變、配、用全部環節中*重要的電氣設備,在軌道交通、電動汽車、全電艦船、多電飛機等前沿裝備與系統中也占據著越來越重要的地位。靈活多變的運行場景導致變壓器類設備需承受復雜的電磁暫態應力,對其**穩定運行造成極大挑戰。建立**表征變壓器類設備電磁暫態特征的物理模型,實現變壓器類設備在復雜電磁激勵下的準確模擬,對變壓器類設備的電磁暫態分析、趨勢預測、主動預警、事故溯源、電磁暫態防護和可靠運行等具有重要意義。變壓器類設備的物理本質是電場、磁場、物質間的相互作用,使變壓器表現出鐵芯非線性和頻率依賴特性等復雜電磁特性,而現有變壓器電磁暫態模型無法對其進行完整、精準地表征,從而難以準確地模擬變壓器類設備在寬頻帶寬幅值激勵下的電磁暫態過程與復雜特性。因此,本文以構建能夠表征寬頻帶寬幅值激勵下變壓器類設備電磁暫態特性的變壓器模型為目標;從變壓器鐵芯磁化動力學特性出發,建立考慮鐵芯磁化損耗特性的動態磁滯模型,并提出表征變壓器鐵芯復雜時空非線性的復合勵磁支路,建立計及鐵芯動態磁滯和深度飽和的變壓器電磁對偶模型;然后針對頻率依賴特性的表征,提出變壓器寬頻導納模型的電路實現方法,并與電磁對偶模型耦合建立變壓器寬頻非線性耦合模型;然后對耦合模型的動態磁化特性、非線性和頻率依賴特性的準確表征能力進行驗證,并與典型變壓器電磁暫態模型進行對比分析。論文的主要研究工作及重要成果如下:(1)提出考慮鐵芯磁化損耗特性的動態Preisach磁滯模型及其參數辨識方法。通過搭建變壓器鐵芯磁化動力學特性試驗平臺,研究變壓器鐵芯磁化動力學過程與特性;以Preisach磁滯模型的基本原理及其關鍵參數辨識方法為基礎,提出一種面向Preisach分布函數辨識的改進型中心回線辨識法,解決現有方法辨識效率與準確度的矛盾;提出了以磁鏈-電流表征的ψ-i型Preisach磁滯逆模型,并結合鐵芯磁化過程中的渦流損耗和剩余損耗,建立了動態Preisach磁滯模型。(2)構建計及鐵芯動態磁滯特性與深度飽和特性的變壓器電磁對偶模型。從電磁對偶基本原理出發,推導單相雙繞組變壓器的電磁對偶模型拓撲結構,提出通過動態Preisach磁滯模型和深度飽和單值曲線表征模型勵磁支路的方法,解決鐵芯復雜時空非線性特性表征的難題;提出變壓器鐵芯的深度飽和電感與深度飽和段勵磁曲線數據的測量與計算方法;構建了計及鐵芯動態磁滯特性與深度飽和特性的變壓器電磁對偶模型,并提出模型在ATP-EMTP中的實現方法。(3)建立同時表征鐵芯非線性和頻率依賴特性的變壓器寬頻非線性耦合模型。通過二端口網絡參數矩陣推導變壓器的寬頻導納模型,并由矢量匹配法獲取寬頻導納的頻域表達式;通過推導寬頻導納的離散狀態空間方程,在ATP-EMTP中建立了變壓器寬頻導納模型的等效電路,并對電路進行穩定性修正,構建以諾頓電流源與物理Cauer電路混合表征的變壓器寬頻導納電路模型;通過融合無損補償技術的互補型雙濾波器實現變壓器寬頻導納模型與電磁對偶模型的數學耦合,建立了變壓器寬頻非線性耦合模型,可同時表征變壓器鐵芯非線性和頻率依賴特性。(4)驗證變壓器寬頻非線性耦合模型的準確性和有效性。以單相試驗變壓器為對象進行參數辨識,并在ATP-EMTP中構建變壓器寬頻非線性耦合模型;通過試驗驗證了模型的動態磁化特性表征性能,證明了變壓器寬頻非線性耦合模型的非線性特性和頻率依賴特性的精準表征能力;然后將變壓器寬頻非線性耦合模型與典型變壓器電磁暫態模型進行對比研究,進一步驗證所提出的變壓器模型具有模擬勵磁涌流、雷電沖擊響應和鐵磁諧振等復雜電磁暫態的能力。研究結果表明:所提出的變壓器寬頻非線性耦合模型可以準確地模擬變壓器鐵芯的動態磁化過程,具有同時準確表征變壓器非線性特性和頻率依賴特性的能力,可實現變壓器類設備在寬頻帶寬幅值激勵下電磁暫態響應過程的精準模擬,滿足變壓器類裝備在多場景復雜電磁激勵下電磁暫態特性分析的要求,為實現變壓器類設備及其系統的狀態預估與可靠運行等提供基礎支撐。


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