CN104459370A - 基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂态分析模型 - Google Patents

Abstract

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态。

Description

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

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

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，继而影响到交流场空间电磁骚扰水平预测的准确性。

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。

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，同时在高频时建立复杂的电流通路。

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。

现有的换流变压器模型包括双端口模型、三端口模型和π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π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R_w1为网侧绕组等效电阻，Ll1为网侧绕组等效电感，R_w2’为阀侧绕组等效电阻，L_l2’为阀侧绕组等效电感。电容矩阵也可以包含六个独立参数，如图3所示，图3中，γ₁、γ₂、γ₃、γ₄、γ₅和γ₆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。

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。

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:

$\frac{\∂u}{\∂x}=-M\frac{\∂i}{\∂t},\frac{\∂i}{\∂x}=-B\frac{\∂u}{\∂t}---\left(1\right)$

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。

对于频率较高的暂态过程，存在如下的关系：

MB＝BM＝μ₀ε_mK  (2)

式中μ₀和ε_m分别为介质的导磁率和介电常数；K为单位矩阵。

换流变压器波过程方程的递推公式为

w₁u_R(t)＝-R₁e(t)+R₂e(t-τ)+w₂u_R(t-τ)+I(t-τ)  (3)

式中u_R为线匝端部的电压矩阵；w₁,w₂,R₁和R₂为系数矩阵；τ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

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。

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。

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实现，计算效率高。

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。

与原有换流变压器宽频模型相比，本发明的优点如下：

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。

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。

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

图1为现有“三电容”双绕组换流变压器等效电路。

图2为现有“六电容”双绕组三端口换流变压器等效电路。

图3为单相双绕组换流变压器绕组轴向剖面图。

图4为本发明的换流压器双传输线宽频模型。

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

本发明提出的基于双传输线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：

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。

本发明提出的基于双传输线结构的换流变压器宽频电磁暂态分析模型，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。

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C_g10、2个C_g20、2个C₁₂₀、1个C_s10、1个C_s20)、4个电阻元件(R_k10、R_k20、R_m1和R_m2)和4个电感元件(L_k10、L_k20、M₁₂₀和M₂₁₀；各元件的连接关系为：两个C_g10和两个C_g20的一端均接地，第一个C_g10的另一端与第一个C₁₂₀、R_k10和C_s10的连接点相连，第一个C_g20的另一端与第一个C₁₂₀、R_k20和C_s20的连接点相连，L_k10、L_k20的一端分别与R_k10、R_k20的另一端的连接点相连，L_k10、L_k20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R_m1和R_m2两端并联；M₂₁₀、M₁₂₀分别与R_k10、R_k20和L_k10、L_k20构成串联支路，C_s10、C_s20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、电容和电感表示；其中，C_g10、C_g20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，C_s10和C_s20分别表示了绕组的匝间和饼间容性耦合；R_k10和R_k20均表示单位长度绕组的铜损耗，R_m1和R_m2均代表换流变压器的铁损；L_k10和L_k20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。

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。

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，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C_k1和C_k2，短路电阻为R_k1和R_k2，铁损电阻为R_m，漏电抗为L_k1和L_k2，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L_en相除得到，如式(4)所示：

$C_{g10}=\frac{C_{11}\×L_{\mathrm{en}}}{2}$

$C_{g20}=\frac{C_{22}\×L_{\mathrm{en}}}{2}$

$C_{120}=\frac{C_{12}\×L_{\mathrm{en}}}{2}$

$C_{s10}=\frac{C_{k1}}{2\×L_{\mathrm{en}}}$

$C_{s20}=\frac{C_{k2}}{2\×L_{\mathrm{en}}}$

R_k10＝R_k1×L_en

R_k20＝R_k2×L_en

R_m1＝R_m2＝2×R_m×L_en

M₁₂₀＝M₁₂×L_en

M₂₁₀＝M₂₁×L_en

L_k10＝L_k1×L_en(4)

L_k20＝L_k2×L_en。

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。

不同单相换流变压器安装位置较远，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。

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。

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Δ变压器在绕组结构上与Y型变压器相似，只在容量和套管尺寸上有所不同。

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L_k1、L_k2＝75mH，M₁₂、M₂₁＝12mH，R_k1、R_k2＝800Ω，R_m＝250Ω，C₁₁、C₂₂、C₁₂＝13nF，C_k1、C_k2＝40nF。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。

Claims (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，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C_g10、2个C_g20、2个C₁₂₀、1个C_s10、1个C_s20，4个电阻元件：R_k10、R_k20、R_m1和R_m2和4个电感元件：L_k10、L_k20、M₁₂₀和M₂₁₀；各元件的连接关系为：两个C_g10和两个C_g20的一端均接地，第一个C_g10的另一端与第一个C₁₂₀、R_k10和C_s10的连接点相连，第一个C_g20的另一端与第一个C₁₂₀、R_k20和C_s20的连接点相连，L_k10、L_k20的一端分别与R_k10、R_k20的另一端的连接点相连，L_k10、L_k20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R_m1和R_m2两端并联；M₂₁₀、M₁₂₀分别与R_k10、R_k20和L_k10、L_k20构成串联支路，C_s10、C_s20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、电容和电感表示。