买专利卖专利找龙图腾，真高效！ 查专利查商标用IPTOP,全免费！专利年费监控用IP管家,真方便！

申请/专利权人：国家电网公司;国网河南省电力公司经济技术研究院

摘要：本发明提供了一种基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法，基于三相三柱变压器铁芯拓扑结构及变压器参数，建立对应的电路模型与微分磁路模型，推导出微分电感矩阵，建立三相三柱变压器组电路模型，并根据数值算法，求解变压器微分电路方程组，求取目标变量，建立了一种准确、实用的变压器时域仿真模型。根据本发明提出的三相三柱式变压器模型，可用于准确计算变压器低频暂态和电能质量问题研究，可靠评估变压器耐受直流偏磁能力及确定有效合理的治理措施提供依据，为电力系统规划设计和设备选型提供依据。

主权项：一种基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法，其特征在于：包括如下步骤：根据三相三柱变压器铁芯拓扑结构及变压器参数，建立对应的电路模型；根据变压器微分磁路原理，确定微分参数关系，建立变压器微分磁路模型；根据微分磁路模型，推导出铁芯微分磁通与回路微分磁通关系式、微分磁链与回路微分磁通关系式；根据电路模型与磁路模型，推导出微分电感矩阵；根据三相三柱变压器绕组联接形式，建立三相三柱变压器组电路模型；根据数值算法，求解变压器微分电路方程组，求取目标变量；通过计算并仿真三相三柱式变压器模型投切时的励磁涌流，验证所推导模型的可信性和有效性。

全文数据：一种基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法技术领域[0001]本发明涉及变压器建模方法技术领域，尤其涉及一种基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法。背景技术[0002]目前，电磁暂态仿真软件中关于变压器的建模还不太成熟，在建立三相三柱变压器模型的过程中，通常会遇到一些比较复杂的问题，例如铁芯结构的多样性、参数的非线性和频变特性，以及许多需要准确表示的物理量，如绕组间的自感和互感、漏磁通、集肤效应、绕组临近效应、铁心饱和、铁芯磁滞和涡流损耗、电容效应等。为了研究电力系统的低频暂态和电能质量问题，需要建立合适准确的电力系统元件模型。就变压器而言，提出的各种各样的时域模型可以被分为以下几类：（IEMTPATP软件中提供的变压器模型。这些模型不能灵活考虑所有可能的铁心拓扑结构和铁心非线性，而且可能出现数值不稳定性；（2基于电路和磁路对偶原理的变压器模型。铁心的磁路被转化为等效电路，可以考虑绕组连接形式。只使用一个电路即可表示整个变压器的电磁行为是这种模型的优势，但由于对偶性理论只适用于具有平面磁拓扑结构的变压器，故存在较大局限性；（3用一组微分方程和代数方程组合来表示。此模型可以考虑绕组连接形式，铁心拓扑和铁心非线性。这种方法之间的不同主要是磁方程推导方式的不同；（4基于三维分析的变压器模型。这种模型适用于变压器设计，但是非常费时，不适合电力系统低频暂态分析。[0003]当前，特高压交直流输电在我国正获得大规模规划建设，高压直流输电在远距离、大容量输电和电力系统联网方面具有明显技术经济优势，正发挥着越来越重要的作用。然而，当高压直流输电采用单极大地回路运行方式时，强大的入地直流会引起变压器直流偏磁，严重威胁交直流混联电网的安全稳定运行。建立能够准确模拟直流偏磁时变压器电磁特性的模型是究的重要方向，这关系到能否准确研究直流电流对变压器运行特性带来的影响，也关系到能否合理评估直流偏磁对电网安全运行的影响，以及能否正确选择合理的直流偏磁抑制措施。[0004]申请号为201310725265.3的发明涉及一种直流偏磁试验用变压器模型，属于变压器技术领域。技术方案是：为单相双绕组无励磁调压变压器，铁心为三柱式，包含铁心22、高压绕组23、低压绕组24和油箱25，高压绕组与低压绕组同心套装于铁心上；变压器油箱中设有一个单相三柱式变压器器身，其铁辄为方形，器身从铁心柱起从内向外的绕组排列顺序为低压绕组、高压绕组，高压侧无励磁调压;高压绕组设有调压绕组，调压绕组位于高压绕组内，且调压方式为粗调细调相结合。本发明的有益效果是:利用该模型可以在工厂内模拟大容量单相双绕组变压器在空载和负载运行状态下，完成直流偏磁对变压器的影响实验。[0005]申请号为201310219233.6的发明公开了一种220KV变压器的三维模型系统，涉及220KV变压器三维仿真技术领域。该系统利用建模软件，以零件级为单位，根据设备的装配关系添加几何约束进行装配，最终生成一套220KV变压器三维虚拟模型；模型建设好后，将其导入到仿真平台中，仿真平台包含模型引擎、数据引擎、声音引擎、脚本引擎以及逻辑引擎;模型引擎将在建模软件中建好的模型导入进来，之后使用逻辑引擎给模型添加数学逻辑关系和几何约束条件，按照标准的变压器拆装步骤和检修流程，对变压器模型进行交互动画制作，同时，程序员也能够使用声音引擎和脚本引擎给仿真系统添加语音和演示动画。优点：大大提高教学质量，同时也减少对实物设备的损耗。然而，上述模型对于三相三柱变压器而言，适用性不强，且建模过程比较复杂，精度不高。发明内容[0006]本发明的目的是提供一种三相三柱变压器模型，基于等效微分磁路原理，用以解决现有模型过于复杂或精度不高的问题，为准确计算变压器低频暂态、研究电能质量问题、可靠评估变压器耐受直流偏磁能力，进而确定有效合理的治理措施提供依据。[0007]为实现上述目的，本发明的方案是：一种基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法，包括如下步骤：[0008]1根据三相三柱变压器铁芯拓扑结构及变压器参数，建立对应的电路模型；[0009]2根据变压器微分磁路原理，确定微分参数关系，建立变压器微分磁路模型；[0010]3根据微分磁路模型，推导出铁芯微分磁通与回路微分磁通关系式、微分磁链与回路微分磁通关系式；[0011]4根据电路模型与磁路模型，推导出微分电感矩阵；[0012]5根据三相三柱变压器绕组联接形式，建立三相三柱变压器组电路模型；[0013]6根据数值算法，求解变压器微分电路方程组，求取目标变量；[0014]7通过计算并仿真三相三柱式变压器模型投切时的励磁涌流，验证所推导模型的可信性和有效性。[0015]所述变压器参数包括铁心截面积，铁心长度，原、副边绕组匝数，原、副边绕组电流，铁心磁通量，原、副边绕组电阻，铁芯涡流损耗电阻，原、副边绕组电感;所述铁芯涡流损耗电阻由一个与原边绕组并联的非线性电阻等效。[0016]所述微分参数关系包括变压器支路磁压、支路磁通、磁动势的变化率关系。[0017]所述微分电感矩阵包括原边端电压矩阵以及原、副边绕组的电阻、电感、电流矩阵。[0018]所述数值算法包括有限差分法或时域有限差分法，通过Matlab软件将微分方程转换为数字迭代的代数方程;所述目标参数包括变压器在正常工况以及直流偏磁时的励磁电流参数、磁密参数、磁场强度参数。[0019]本发明的方法在对三相三柱变压器建模时，综合考虑了铁芯磁滞效应、涡轮效应、铁芯拓扑结构、漏磁通、铁芯饱和等关键要素，基于EIC原理，即等效微分电（磁路原理构建变压器电磁親合方程，基于JiIes-Atherton模型或单值磁化曲线表征铁芯磁化特性，基于Bertotti理论准确计算铁芯涡流损耗，建立了一种准确、实用的变压器时域仿真模型。根据本发明提出的三相三柱式变压器模型，可用于准确计算变压器低频暂态和电能质量问题研究，可靠评估变压器耐受直流偏磁能力及确定有效合理的治理措施提供依据，为电力系统规划设计和设备选型提供依据。附图说明[0020]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：[0021]图1为本发明三相三柱芯式变压器建模方法流程图。[0022]图2为变压器铁芯叠片示意图。[0023]图3为变压器铁芯等效磁支路。[0024]图4为芯式变压器铁芯原始磁路模型。[0025]图5为芯式变压器铁芯等效磁路模型。[0026]图6为三相三柱双绕组芯式变压器铁芯结构示意图。[0027]图7为变压器铁芯磁支路示意图。[0028]图8为变压器铁芯集总参数等效磁支路示意图。[0029]图9为变压器铁芯微分等效磁支路示意图。[0030]图10为三相三柱双绕组芯式变压器微分磁路模型。[0031]图11为YY联接变压器等效电路。[0032]图12为三相三柱变压器A相励磁涌流仿真图。[0033]图13为三相三柱变压器B相励磁涌流仿真图。[0034]图14为三相三柱变压器C相励磁涌流仿真图。[0035]图15为三相三柱变压器中性线励磁涌流仿真图。具体实施方式[0036]一种基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法，其各步骤具体分析与关系式求解如下：[0037]1.基于三相三柱变压器铁芯拓扑结构及变压器参数，建立对应的电路模型；[0038]1非线性电阻表征变压器铁芯涡流损耗[0039]变压器铁芯磁通不断变化，变化的磁场将在铁芯中感应电动势并产生电流，这些电流在铁心内部环绕磁通呈祸流状流动，称为祸流。图2为铁芯置片不意图，铁芯置片长度为^，厚度为i，截面积为^4为叠片宽度，◎为电导率，％为磁感应强度。[0040]根据Bertotti理论，芯式变压器铁芯瞬时功率损耗为：[0042]上式中，氏表示与铁芯涡流电流有关的磁场强度，无量纲常数与铁芯置片磁畴壁引起的内势有关，一般与最大磁感应强度有关。：具有电压的量纲，故IMM具有电阻量纲的倒数，即ίϊ4,铁芯涡流损耗可表征为：2[0044]当变压器微分磁路模型确定时，根据2式可确定铁芯等效涡流损耗电阻$。涡流电流产生的磁势可以写为，将（1代入上式，可得：3[0046]因此，图2中叠片涡流效应可用磁动势、磁阻》_、磁通^串联等效磁支路表示，如图3所示。若铁芯由1a层叠片叠装而成，根据单层叠片等效磁路模型，可以得到B层叠片构成的芯式变压器的等效磁路模型，如图4所示。设所有叠片完全相同，由图4可I根据安培环路定理可得：'⑷[0048]因此，图4磁路模型可进一步等效为原边磁动势、副边磁动势和铁芯涡流磁动势与铁心磁阻串联，如图5所示。原、副边绕组电流和铁芯涡流电流共同作用的磁动势为：[0050]5式说明，铁芯的涡流损耗可用一个与原边绕组并联的非线性电阻表示，其中，。根据三相三柱变压器铁芯形式和磁路模型，可以得到铁心涡流损耗电阻\。[0051]2三相三柱变压器电路模型[0052]对任意三相变压器，la、Id-为铁心截面积、铁心长度，％、％为原、副边绕组匝数，H为原、副边绕组电流，^为铁心磁通Λ、3I分别为原、副边绕组电阻，为铁芯涡流损耗电阻，分别为原、副边绕组电感。[0053]根据上面推导，三相三柱变压器原边电路模型可表示》卜联、其他参数串联的形式，副边电路模型可以表示为各参数之间的串联的形式，其电路模型可如图6所示。[0054]2.基于变压器微分磁路原理，确定微分参数关系，建立变压器微分磁路模型；[0055]1微分磁路原理[0056]图7中，心为铁芯截面积，Ili为铁心长度，M为绕组匝数，量为绕组电流，#4为铁心磁通；图8中，U为磁阻上的磁压降，为铁心等效磁阻，F为磁动势，.i为磁通,¾为支路磁压。可得：[0058]上式两端对时间量求导，得：[0060]其中，微分磁导率μ**碼權ί，微分磁[0061]7式第一个方程表示了支路磁压、支路磁通、磁动势变化率关系，即微分磁路原理，如图9所示。[0062]2基于三相三柱变压器参数，建立变压器微分磁路模型[0063]对于任意形式的三相变压器，基于EIC原理，可建立微分磁路模型。[0064]对于三相三柱变压器，其磁路模型可如图10所示。其中为铁芯、辄微分磁阻为绕组间微分漏磁阻，錢资为对应的微分磁通。„^„t,嚷分别为A、B、C相原、副边微分磁动势。[0065]其中，微分磁阻通过铁芯单值磁化曲线或者Jiles-Atherton模型求取。对于单值磁化曲线B，其微分磁导率可表示为：[0067]对于JiIes-Atherton模型興，其微分磁导率可表示为：[0071]凡非磁滞磁化强度，殊饱和磁化强度，％平均场参数，％表述非磁滞磁化曲线形状，k反映磁畴对运动牵制作用，E可逆磁化系数，61。[0072]3.根据微分磁路模型，推导出铁芯微分磁通与回路微分磁通关系式、微分磁链与回路微分磁通关系式；[0073]基于三相变压器微分磁路模型，根据基尔霍夫定律，可得铁芯微分磁通、微分磁动势与回路微分磁通关系式：[0075]基于三相变压器微分磁路模型，微分磁链矩阵与回路微分磁通矩阵关系式：[0077]微分磁动势矩阵術淑与微分电流矩阵关系式：[0079]对于三相三柱式变压器，铁芯微分磁通、微分磁动势与回路微分磁通关系式分别如式14-3、14_13、14-〇，微分磁动势矩阵与微分电流矩阵关系式如式14-1:[0083]4.根据电路模型与磁路模型，推导出微分电感矩阵；[0084]上面首先给出了变压器微分磁路建模基本理论、铁心磁化特性表示形式、铁芯涡流损耗表达式，它们共同构成了本文变压器建模基本理论。微分电感矩阵是联结变压器磁路-电路的桥梁，表征了铁心饱和特性和磁滞效应。微分电感矩阵~为：[0086]其中，T为原、副边绕组磁链矩阵，为原、副边绕组电流矩阵。[0087]将11、（12、（13式代入15式，得微分电感矩阵L4:[0089]对于三相三柱芯式变压器，将（14-a、（14-b、（14-c、（14-d式代入（15式，即可得微分电感矩阵h。[0090]5.基于三相三柱变压器绕组联接形式，建立三相三柱变压器组电路模型；[0091]基于上述理论，根据变压器的铁芯结构和绕组联结形式，即可实现微分电感矩阵快速求解，进而建立变压器直流偏磁模型，实现变压器直流偏磁仿真。根据芯式变压器详细磁路模型，下面推导了三相三柱变压器涡流损耗电阻和微分电感矩阵表达式。[0092]以YY联接三相三柱式变压器为例，如图11所示，根据1〜4部分推导方程，列出电路方程为：[0094]其中，E为原边端电压矩阵遢戎分别为原、副边绕组电阻矩阵，具分别为原、副边绕组电感矩阵Λ4为原边绕组电流矩阵，后者包含铁心涡流损耗电流。[0095]根据（17式，可实现对YY联接变压器空载运行特性研究。当绕组联接形式不同时，可得到不同电路方程，实现直流偏磁时域仿真，一般形式为：[0097]其中p、s分别代表原、副边，風|!分别为电阻、电感矩阵，K代表单位矩阵。[0098]6.基于数值算法，求解变压器微分电路方程组，求取目标变量；[0099]在Matlab软件中运用有限差分法或时域有限差分法FDTD对（18进行离散化，即将微分方程化为代数方程，进行数字迭代，可求得变压器在正常工况以及直流偏磁时的励磁电流、磁密、磁场强度等参数。[0100]7.通过计算并仿真三相三柱式变压器模型投切时的励磁涌流，验证所推导模型的可信性和有效性；[0101]为验证推导模型有效性，计算了某三相三柱式变压器投切时的励磁涌流，并与实验结果进行了对比，结果表示在图12〜图15所示和表1中，变压器模型参数见表2。变压器铁芯磁化特性见（19式：[0_~表1三相三柱变压器励磁涌流最大值比较[0105][0106]表2三相三柱变压器参数[0107]从表1可以看出，本文计算的各相励磁涌流峰值与实验值符合较好。而励磁涌流波形和实验波形基本符合，励磁涌流快速衰减，也验证了本文推导的三相三柱变压器模型计算精度较好，这种基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法具有很好的理论依据与实践价值。

权利要求：1.一种基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法，其特征在于:包括如下步骤：根据三相三柱变压器铁芯拓扑结构及变压器参数，建立对应的电路模型；根据变压器微分磁路原理，确定微分参数关系，建立变压器微分磁路模型；根据微分磁路模型，推导出铁芯微分磁通与回路微分磁通关系式、微分磁链与回路微分磁通关系式；根据电路模型与磁路模型，推导出微分电感矩阵；根据三相三柱变压器绕组联接形式，建立三相三柱变压器组电路模型；根据数值算法，求解变压器微分电路方程组，求取目标变量；通过计算并仿真三相三柱式变压器模型投切时的励磁涌流，验证所推导模型的可信性和有效性。2.如权利要求1所述的基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法，其特征在于:所述变压器参数包括铁心截面积，铁心长度，原、副边绕组匝数，原、副边绕组电流，铁心磁通量，原、副边绕组电阻，铁芯涡流损耗电阻，原、副边绕组电感;所述铁芯涡流损耗电阻由一个与原边绕组并联的非线性电阻等效。3.如权利要求1所述的基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法，其特征在于:所述微分参数关系包括变压器支路磁压、支路磁通、磁动势的变化率关系。4.如权利要求1所述的基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法，其特征在于:所述微分电感矩阵包括原边端电压矩阵以及原、副边绕组的电阻、电感、电流矩阵。5.如权利要求1所述的基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法，其特征在于:所述数值算法包括有限差分法或时域有限差分法，通过Matlab软件将微分方程转换为数字迭代的代数方程;所述目标变量包括变压器在正常工况以及直流偏磁时的励磁电流参数、磁密参数、磁场强度参数。

百度查询： 国家电网公司 国网河南省电力公司经济技术研究院 一种基于EIC原理的三相三柱变压器建模方法