基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂态分析模型.pdf

《基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂态分析模型.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂态分析模型.pdf（9页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410593526.5 (22)申请日 2014.10.28 G01R 31/00(2006.01) (71)申请人 中国南方电网有限责任公司电网技 术研究中心 地址 510623 广东省广州市天河区珠江新城 华穗路 6 号四层、 五层 505-508 号房 申请人 清华大学 (72)发明人 余占清 黄莹 张晓 邱伟 朱童 赵晓斌 曾嵘 何金良 王云超 张波 (74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事 务所 ( 普通合伙 ) 11201 代理人 廖元秋 (54) 发明名称 基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂 态分析模型 (5。

2、7) 摘要 本发明涉及一种基于双传输线结构的换流变 压器宽频电磁暂态分析模型， 属于电力系一种基 于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂态分析 模型， 其特征在于， 该模型由若干相同单元依次串 联构成传输线结构， 每一个单元为一个分布式换 流变压器单位长度宽频模型 ； 换流变压器内部绕 组和绕组间耦合以及对地电容采用传输线模型元 件等效， 将换流变压器线圈波过程数学表达式中 的参数矩阵与所建立的双传输线模型中的元件 一一对应， 每一元件物理意义与波过程方程参数 矩阵中参数所代表的意义相同。本发明考虑了换 流变压器不同磁路耦合和铁心饱和特性， 在工频 特性和骚扰特性下准确高效模拟换流变压器电磁 暂。

3、态。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104459370 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104459370 A 1/1 页 2 1. 一种基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂态分析模型， 其特征在于， 该模型 由若干相同单元依次串联构成传输线结构， 每一个单元为一个分布式换流变压器单位长度 宽频模型 ； 换流变压器内部绕组和绕组间耦合以及对地电容采用传输线模型元件等效， 将 换流变压器线圈波过程数学表达式中的参数矩阵与所建立的双传输线模型中的元件一一 对应。

4、， 每一元件物理意义与波过程方程参数矩阵中参数所代表的意义相同。 2. 如权利要求 1 所述模型， 其特征在于， 每个分布式换流变压器单位长度宽频模型结 构， 采用用以描述换流变压器绕组间的电磁耦合的等值电路， 该等值电路包括 8 个电容元 件 ： 2 个 Cg10、 2 个 Cg20、 2 个 C120、 1 个 Cs10、 1 个 Cs20， 4 个电阻元件 ： Rk10、 Rk20、 Rm1和 Rm2和 4 个 电感元件 ： Lk10、 Lk20、 M120和 M210； 各元件的连接关系为 ： 两个 Cg10和两个 Cg20的一端均接地， 第一个 Cg10的另一端与第一个 C120、 。

5、Rk10和 Cs10的连接点相连， 第一个 Cg20的另一端与第一个 C120、 Rk20和 Cs20的连接点相连， Lk10、 Lk20的一端分别与 Rk10、 Rk20的另一端的连接点相连， Lk10、 Lk20另一端分别与 M210、 M120的一端相连， M210、 M120的另一端分别与第二个 C120两端相连 ； 同时 M210、 M120两端分别与 Rm1和 Rm2两端并联 ； M210、 M120分别与 Rk10、 Rk20和 Lk10、 Lk20构成串联支路， Cs10、 Cs20分别与相应串联支路并联 ； 换流变压器的磁路耦合、 铁损和铁心饱和特性通过模型 中的电阻、 电容。

6、和电感表示。 权 利 要 求 书 CN 104459370 A 2 1/5 页 3 基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂态分析模型 技术领域 0001 本发明属于电力系统电磁暂态宽频模型领域， 特别涉及一种基于双传输线结构的 宽频电磁暂态分析模型， 主要考虑换流变压器绕组阻抗特性和绕组间耦合， 同时考虑换流 变压器磁路耦合、 铁损和铁心的饱和特性， 适用于直流输电系统换流变压器的电磁暂态分 析和交流场传导电磁骚扰水平分析。 背景技术 0002 换流变压器是高压直流换流站内主要设备之一， 是连接换流阀与交流侧的关键设 备， 换流变压器宽频建模的准确性直接影响到交流场传导电磁骚扰水平计算的有效性。

7、， 继 而影响到交流场空间电磁骚扰水平预测的准确性。 0003 换流站中每一极采用六台相同容量的单相双绕组变压器， 对应于 12 脉动换流器 的两个 6 脉动换流桥。单相双绕组换流变压器的绕组结构如图 1 所示， 由铁芯 1、 阀绕组和 网侧绕组2、 外壳3构成。 阀绕组和网侧绕组同轴绕制， 绕组之间、 绕组与铁芯和外壳之间均 会产生容性耦合。 0004 换流变压器器身绝缘多采用两柱并联结构， 网侧和阀侧绕组同轴排列在相同铁芯 柱上， 绕组间和绕组对地容性耦合较强。换流变压器的杂散参数主要存在于绕组对铁芯及 绕组对地的分布式电容， 杂散参数能影响正常运行时换流变压器磁激励测的电流波形和谐 波，。

8、 同时在高频时建立复杂的电流通路。 0005 换流变压器对在交流侧传播的骚扰有强烈的抑制作用， 其特性对骚扰水平仿真影 响很大。 在直流系统设计阶段， 很难得到特定换流变压器的准确阻抗特性， 且设备试验会大 大延长设计周期。电磁干扰的预测阶段， 模型的参数通过行业规范和结构设计能够比较容 易得到。 在稳态和骚扰统一计算中， 要兼顾其工频特性和骚扰传播特性， 杂散电容是一个非 常重要的影响因素。 0006 现有的换流变压器模型包括双端口模型、 三端口模型和 型等效电路等。换流变 压器的杂散参数主要存在于绕组对铁芯及绕组对地的分布式电容， 采用 Preisach 理论将 铁芯的磁滞损耗、 铁芯损耗。

9、等效为非线性电感， 涡流损耗等效为非线性电阻， 可以建立换流 变压器的 型等效电路。在此基础上采用阶跃响应法和双端口网络参数法可以测量端口 开路和短路阻抗， 建立双端口网络模型。但是这两种模型没有涉及和考虑换流变压器内由 涡流导致的导体趋肤效应下的杂散参数频变特性。双绕组换流变压器三端口宽频模型， 其 电容矩阵 ( 即模型中所有的电容 ) 可以包括三个杂散电容参数， 如图 2 所示， 图 2 中 C1为 网侧绕组间的耦合电容， C2为阀侧绕组间的耦合电容， C12为网侧对阀侧的耦合电容。另外 Rw1为网侧绕组等效电阻， Ll1 为网侧绕组等效电感， Rw2 为阀侧绕组等效电阻， Ll2 为阀侧。

10、 绕组等效电感。电容矩阵也可以包含六个独立参数， 如图 3 所示， 图 3 中， 1、 2、 3、 4、 5和 6分别表示端口 A、 B、 C、 D 之间的耦合电容， 换流变压器网侧和阀侧绕组间为理想耦 合。这些电容参数可以通过端口测量提取， 模型建立在换流变压器工作在线性区内的假设 上， 在十倍工频的范围内能保持较好的准确度， 但是对于换流变压器工作在非线性区的情 说 明 书 CN 104459370 A 3 2/5 页 4 况， 模型存在较大的误差。此外还有线性频变宽频模型， 应用导纳参数测量法， 利用频谱网 络分析仪测量换流变压器导纳参数， 可以建立 50Hz-1MHz 频率适用范围的线。

11、性频变宽频模 型， 但该模型未考虑磁饱和特性以致低频下将产生较大误差。 0007 为了准确分析换流变压器的电磁暂态特性和交流场传导电磁骚扰水平， 应准确考 虑杂散参数频变特性和换流变压器饱和特性。在暂态传播和电磁骚扰传播分析中， 绕组间 的耦合会对换流变压器传递特性产生很大影响， 因此绕组间耦合建模是另一个十分重要的 问题。 为了避免建模对换流变压器精细结构参数的依赖， 同时兼顾模型的计算速度， 需要以 模拟绕组阻抗特性和绕组间耦合为目标进行建模， 在工频特性和骚扰特性下保证模型计算 结果的准确性。 0008 换流变压器内部绕组中波过程类似于传输线， 对于具有饼型线圈的换流变压器， 可采用平行。

12、多导线的模型。 如果将换流变压器的饼型线圈的所有线匝沿子午面展开成直导 体， 则变为平行多导体， 假设第 i 线匝末端的电压和电流等于第 i+1 线匝的电压和电流， 这 样， 换流变压器线圈的波过程可描述为 : 0009 0010 式中 u 和 i 为所有线匝的电压和电流列矩阵 ； M 为电感系数矩阵 ； B 为电容系数矩 阵 ； x 的方向沿线匝的首端到末端。 0011 对于频率较高的暂态过程， 存在如下的关系 ： 0012 MB BM 0mK (2) 0013 式中 0和 m分别为介质的导磁率和介电常数 ； K 为单位矩阵。 0014 换流变压器波过程方程的递推公式为 0015 w1uR(。

13、t) -R1e(t)+R2e(t-)+w2uR(t-)+I(t-) (3) 0016 式中 uR为线匝端部的电压矩阵 ； w1,w2,R1和 R2为系数矩阵 ； 为暂态波通过一个 线匝的时间 ； e(t) e1(t),0,0,0， e1(t) 为在第 1 匝线圈首端施加的电压， I 是等值 电流源列矩阵。 发明内容 0017 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处， 提出一种基于双传输线结构的换流 变压器宽频电磁暂态分析模型， 以换流变压器的物理模型为基础， 重点考虑了换流变压器 绕组阻抗特性和绕组间耦合， 同时考虑了换流变压器磁路耦合、 铁损和铁心的饱和特性， 将 换流变压器绕组内传播的暂态。

14、过程用传输线结构等效， 解决了现有换流变压器宽频分析模 型在低频及饱和工况下计算准确度不高的问题， 在直流输电系统换流变压器的电磁暂态分 析和交流场传导电磁骚扰水平分析中具有突出的优势。 0018 本发明提出的一种基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂态分析模型， 其特 征在于， 该模型由若干相同单元依次串联构成传输线结构， 每一个单元为一个分布式换流 变压器单位长度宽频模型 ； 换流变压器内部绕组和绕组间耦合以及对地电容采用传输线模 型元件等效， 将换流变压器线圈波过程数学表达式中的参数矩阵与所建立的双传输线模型 中的元件一一对应， 每一元件物理意义与波过程方程参数矩阵中参数所代表的意义相同。

15、。 0019 本发明提出的换流变压器双传输线结构宽频电磁暂态分析模型， 其理论基础是描 说 明 书 CN 104459370 A 4 3/5 页 5 述换流变压器内部绕组暂态的波过程， 将其等效为传输线模型， 可以准确描述波在绕组中 的传播以及电压在绕组间的分布， 还可以用于分析绕组本身的瞬态过程和绕组局部放电探 测。通过传输线模型得到的绕组间磁通耦合表示绕组的整体耦合特性， 绕组匝间电容用集 中参数电容表示， 每个单元的电感和电阻元件构成一个工频经典变压器模型， 这样可以考 虑换流变压器的磁路耦合、 铁损和铁心饱和特性。采用电路元件对换流变压器暂态过程进 行模拟， 可以方便的在电路分析平台中。

16、实现， 计算效率高。 0020 本发明将换流变压器内部绕组的暂态过程采用波过程方程描述， 进而得到换流变 压器波过程方程的递推公式， 与传输线模型进行类比， 将换流变压器整体模型划分为若干 相同单元， 方程中的参数分别与传输线单元模型中的元件对应， 换流变压器阀侧绕组和网 侧绕组的漏电感、 电阻、 耦合电容和对地电容特性可以完整地用两条平行的传输线表示。 0021 与原有换流变压器宽频模型相比， 本发明的优点如下 ： 0022 1) 考虑了换流变压器绕组阻抗特性和绕组间耦合， 可以在换流变压器不同磁路耦 合和铁心饱和特性下模拟换流变压器电磁暂态， 在工频和骚扰频率范围内均具有很高准确 度。 0。

17、023 2) 采用双传输线结构等效换流变压器， 换流变压器内部绕组和绕组间的耦合和对 地电容特性可以通过电路元件进行模拟， 计算过程简单高效。 0024 3) 可以同时解决直流输电系统换流变压器部分交流场传导电磁骚扰计算问题。 附图说明 0025 图 1 为现有 “三电容” 双绕组换流变压器等效电路。 0026 图 2 为现有 “六电容” 双绕组三端口换流变压器等效电路。 0027 图 3 为单相双绕组换流变压器绕组轴向剖面图。 0028 图 4 为本发明的换流压器双传输线宽频模型。 0029 图 5 为本发明的分布式换流变压器单位长度宽频模型 具体实施方式 0030 本发明提出的基于双传输线。

18、结构的换流变压器宽频电磁暂态分析模型建模方法 详细说明如下 ： 0031 本发明的模型基于双传输线理论和式 (1)， 在骚扰特性中考虑换流变压器的内部 暂态波过程， 采用双传输线模型进行类比， 将换流变压器内部绕组的暂态过程采用波过程 描述， 换流变压器内部绕组和绕组间耦合以及对地电容采用传输线模型元件等效， 换流变 压器的磁路耦合、 铁损和铁心饱和特性通过模型中的电阻、 电容和电感表示。 将换流变压器 线圈波过程数学表达式中的参数矩阵与所建立的双传输线模型元件一一对应， 每一元件物 理意义与波过程方程参数矩阵中参数所代表的意义相同。 0032 本发明提出的基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁。

19、暂态分析模型， 如图 4 所 示， 该模型由若干相同单元依次串联构成双传输线结构， 每一个单元为一个分布式换流变 压器单位长度宽频模型 ； 换流变压器内部绕组和绕组间耦合以及对地电容采用传输线模型 元件等效， 将换流变压器线圈波过程数学表达式中的参数矩阵与所建立的双传输线模型中 的元件一一对应， 每一元件物理意义与波过程方程参数矩阵中参数所代表的意义相同。图 说 明 书 CN 104459370 A 5 4/5 页 6 4 中方框 1、 2、 3、 n 分别代表一个分布式换流变压器单位长度宽频模型。 0033 每个分布式换流变压器单位长度宽频模型结构， 采用图 4 所示的等值电路， 用以 描述。

20、换流变压器绕组间的电磁耦合， 该等值电路包括 8 个电容元件 (2 个 Cg10、 2 个 Cg20、 2 个 C120、 1 个 Cs10、 1 个 Cs20)、 4 个电阻元件 (Rk10、 Rk20、 Rm1和 Rm2) 和 4 个电感元件 (Lk10、 Lk20、 M120和 M210； 各元件的连接关系为 ： 两个 Cg10和两个 Cg20的一端均接地， 第一个 Cg10的另一端与第一 个 C120、 Rk10和 Cs10的连接点相连， 第一个 Cg20的另一端与第一个 C120、 Rk20和 Cs20的连接点相 连， Lk10、 Lk20的一端分别与 Rk10、 Rk20的另一端的。

21、连接点相连， Lk10、 Lk20另一端分别与 M210、 M120 的一端相连， M210、 M120的另一端分别与第二个 C120两端相连 ； 同时 M210、 M120两端分别与 Rm1和 Rm2两端并联 ； M210、 M120分别与 Rk10、 Rk20和 Lk10、 Lk20构成串联支路， Cs10、 Cs20分别与相应串联 支路并联 0034 换流变压器的磁路耦合、 铁损和铁心饱和特性通过模型中的电阻、 电容和电感表 示 ； 其中， Cg10、 Cg20分别表示单位长度网侧和阀侧绕组对壳体的容性耦合， C120表示单位长度 网侧和阀侧绕组之间的容性耦合， Cs10和 Cs20分别。

22、表示了绕组的匝间和饼间容性耦合 ； Rk10 和 Rk20均表示单位长度绕组的铜损耗， Rm1和 Rm2均代表换流变压器的铁损 ； Lk10和 Lk20均表 示绕组漏磁特性。M210表示阀侧绕组磁通变化在网侧单位长度绕组上产生电动势 M120表示 网侧绕组磁通变化在阀侧单位长度绕组上产生电动势。 0035 绕组间的磁通耦合 M120和 M210反映的是绕组的整体耦合特性， 绕组匝间电容用集 中参数电容表示， 每个单元的电感和电阻元件构成一个工频经典变压器模型， 这样就可以 考虑换流变压器的磁路耦合、 铁损和铁心饱和特性。 0036 该分布式换流变压器单位长度宽频模型以换流变压器的物理特性为基础。

23、， 经典变 压器模型 T 参数可以从额定参数和标准测试中获得。杂散参数根据标准 GB1094-1 规定的 设备出厂型式测试中 “绕组对地和绕组间电容测定” 结果选取， 在未作标准测试但有设备规 范的情况下， 可以利用设备规范中规定的杂散参数规定值选取， 设网侧线圈对地杂散电容 为 C11、 阀侧线圈对地杂散电容为 C22、 绕组间杂散电容为 C12、 绕组匝间电容为 Ck1和 Ck2， 短路 电阻为 Rk1和 Rk2， 铁损电阻为 Rm， 漏电抗为 Lk1和 Lk2， 互感电抗为 M12和 M21， 则传输线单位长 度参数可以由以上参数与换流变压器等值线圈长度 Len相除得到， 如式 (4) 。

24、所示 ： 0037 0038 0039 0040 0041 0042 Rk10 Rk1Len 0043 Rk20 Rk2Len 0044 Rm1 Rm2 2RmLen 说 明 书 CN 104459370 A 6 5/5 页 7 0045 M120 M12Len 0046 M210 M21Len 0047 Lk10 Lk1Len (4) 0048 Lk20 Lk2Len。 0049 得到该分布式换流变压器单位长度宽频模型后， 再根据换流变压器绕组等值长度 决定分布式单位长度宽频模型的串联个数， 可以得到换流变压器整体双传输线宽频模型， 如图 4 所示。 0050 不同单相换流变压器安装位置较远。

25、， 接地外壳也可以起到很强的屏蔽作用， 可忽 略不同换流变压器间的近场耦合。 0051 单相三绕组、 三相双绕组、 三相三绕组的结构与单相双绕组不同， 不同相的绕组间 或同相不同接法绕组间存在电磁耦合， 容性耦合 ( 用杂散电容表示 ) 会对电磁骚扰的传导 产生影响。电力变压器不同相绕组一般处于不同芯柱， 不同相绕组之间的耦合小于同相高 低压绕组间的耦合， 可以在计算中忽略。 0052 考虑到安装运输和功率问题， 目前新建的大功率超高压和特高压换流站一般采用 两种单相双绕组换流变压器， 分别将阀侧绕组做三角形和星形连接， 为换流器供电。 换流站 变压器在绕组结构上与 Y 型变压器相似， 只在容。

26、量和套管尺寸上有所不同。 0053 以下是本发明的一个实施例， 测量直流输电系统受端江门站 800kV 备用换流变压 器， 绕组接线方式为 Y 接， 设备生产厂家为德国 ABB 公司。给定换流变压器双传输线宽频模 型参数， 其中 Lk1、 Lk2 75mH， M12、 M21 12mH， Rk1、 Rk2 800， Rm 250， C11、 C22、 C12 13nF， Ck1、 Ck240nF。 将模型计算得到的工频特性和骚扰特性与实测阻抗特性对比， 在1 10MHz 范围内特性曲线基本重合， 准确度很高。 说 明 书 CN 104459370 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104459370 A 8 2/2 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 104459370 A 9 。