CN107066755A - 一种谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法 - Google Patents

一种谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法 Download PDF

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周卫华
万代
叶会生
齐飞
周恒逸
赵邈
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Abstract

本发明公开了一种谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法，实施步骤包括：建立变压器的几何模型并设定材料属性，对几何模型进行网格剖分，分别建立损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型，计算损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型中的绕组等效电阻、侧绕组电抗、励磁电阻以及励磁电抗，运行Magnet软件仿真计算各次谐波作用下变压器的磁场分布及损耗值，在Magnet软件的Field栏查看并记录变压器的在某次谐波下的损耗仿真结果，利用叠加原理计算总谐波电流下的损耗。本发明能够计算出变压器在谐波电流下的总损耗，具有谐波电流下变压器绕组损耗的计算更准确、损耗计算精度高的优点。

Description

一种谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法
技术领域
本发明涉及配电网的变压器损耗检测技术，具体涉及一种谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法。
背景技术
作为输配电的核心设备，变压器的运行状态直接影响到电力系统的安全与稳定，其损耗对于经济运行的影响更是不容忽视。据调查，全国电网中变压器损耗约占发电总量的3％，配电变压器损耗约占整个配电网损耗的60％～80％。近年来，工业变频设备和高频装置等非线性负荷得到广泛应用，这些非线性负荷产生大量谐波电流，谐波电流不仅导致变压器损耗增加，还会对变压器造成温度升高、绝缘性能下降、绝缘寿命缩短等不良影响。据日本中部电力公司提供的资料，5次谐波电流含有率为10％时，变压器损耗增加10％。
目前谐波电流下变压器损耗计算方法多处于理论研究阶段，利用电磁仿真软件，对谐波电流下变压器的损耗值进行仿真计算的非常少，而且已有仿真计算研究中仅对变压器的铁芯损耗进行仿真计算，并未考虑绕组上的损耗仿真计算。对谐波电流下变压器绕组上的损耗进行仿真计算时，最为关键的步骤就是在MagNet等仿真软件平台中建立变压器一、二次侧绕组在谐波电流下的外电路激励模型，目前这方面的研究还相对较少。因此，研究谐波电流作用下变压器在利用电磁仿真软件进行损耗仿真时一、二次侧绕组的外电路激励模型，从而仿真计算变压器在谐波电流下的总损耗具有重要意义。
目前现有利用Magnet软件计算变压器铁芯损耗方法的步骤包括：第一步：在MagNet软件内建立变压器求解模型，考虑对称，只建立一半模型。第二步：利用MagNet软件强大的材料自定义功能，对铁芯材料进行定义。第三步：对建立好的模型进行网格剖分。第四步：首先采用三维时谐场求解器求出一次绕组在额定电压激励下产生的三相空载电流分布，然后采用三维瞬态求解器求解一次绕组在励磁电流激励下的磁场分布，并计算出铁芯损耗。第五步：后处理。采用MagNet专门的铁芯损耗计算工具，对变压器铁芯损耗进行计算。但是，目前现有利用Magnet软件计算变压器铁芯损耗方法未建立变压器绕组的外激励电路模型，无法对变压器绕组上的损耗进行计算；因此无法计算出变压器在谐波电流下的总损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够计算出变压器在谐波电流下的总损耗、谐波电流下变压器绕组损耗的计算更准确、损耗计算精度高的谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法，实施步骤包括：
1)建立变压器的几何模型；
2)设定几何模型中各部件的材料属性；
3)对几何模型进行网格剖分；
4)把谐波分量看作独立电压源和电流源加到变压器在第h次谐波电流作用下变压器的“T”型等效电路中，并利用戴维南等效原理分别建立损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型；
5)计算损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型中的绕组等效电阻、侧绕组电抗、励磁电阻以及励磁电抗；
6)基于所述损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型，运行Magnet软件仿真计算各次谐波作用下变压器的磁场分布及损耗值，在Magnet软件的Field栏查看并记录变压器的在某次谐波下的损耗仿真结果；
7)将变压器的在各次谐波下的损耗仿真结果利用叠加原理计算总谐波电流下的损耗。
优选地，步骤4)中损耗仿真时变压器一次绕组所需的外激励电路模型为由一次侧绕组激励电路等效电源第h次谐波作用下的一次侧绕组等效电阻Rh(1)、第h次谐波作用下的一次侧等效电感Lh(1)、第h次谐波作用下的励磁电阻Rh(m)、第h次谐波作用下的等效励磁电感Lh(m)首尾相连形成的串联回路。
优选地，步骤4)中损耗仿真时变压器二次绕组所需的外激励电路模型为由二次侧绕组激励电路等效电源第h次谐波作用下的二次侧绕组等效电阻Rh(2)、第h次谐波作用下的二次侧绕组的等效电感Lh(2)、二次侧绕组等效励磁阻抗Z首尾相连形成的串联回路。
优选地，步骤4)中损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型满足下式：
上式中，和分别为一、二次侧绕组激励电路的等效电源，为第h次谐波电压的相量，为第h次谐波电流的相量，Rh(m)为第h次谐波作用下的励磁电阻，Xh(m)为第h次谐波作用下励磁电抗，Rh(1)为第h次谐波作用下的一次侧绕组等效电阻，Xh(1)为第h次谐波作用下一次侧绕组等效电抗。
优选地，步骤5)中计算损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型中的绕组等效电阻、侧绕组电抗、励磁电阻以及励磁电抗的函数表达式如下：
Rh(1)/R1(1)＝0.966360814e0.02685h
Xh(1)/X1(1)＝0.9987219832+0.153923×10-2h-0.39525×10-3h2
Rh(2)/R1(2)＝0.966360814e0.02685h
Xh(2)/X1(2)＝0.9987219832+0.153923×10-2h-0.39525×10-3h2
Rh(m)/R1(m)＝0.7060448503+0.248140685h-0.24685×10-2h2
Xh(m)/X1(m)＝1.077990695-0.0664264h+0.119525×10-2h2
上式中，Rh(1)为第h次谐波作用下的一次侧绕组等效电阻，R1(1)为基波作用下一次侧绕组电阻，Xh(1)为第h次谐波作用下一次侧绕组等效电抗，X1(1)为基波作用下一次侧绕组电抗，Rh(2)为第h次谐波作用下的二次侧绕组等效电阻，R1(2)为基波作用下二次侧绕组电阻，Xh(2)为第h次谐波作用下的二次侧绕组等效电抗，X1(2)为基波作用下二次侧绕组电抗，Rh(m)为第h次谐波作用下的励磁电阻，R1(m)为基波作用下励磁电阻，Xh(m)为第h次谐波作用下励磁电抗，X1(m)为基波作用下励磁电抗。
优选地，步骤1)建立变压器的几何模型时，将高、低压侧的绕组都采用圆筒式绕组代替，并作以下假设：绕组线圈内部的电流分布均匀、铁芯不导电、铁芯和绕组在各方向上的材料属性相同。
优选地，步骤2)中设定几何模型中各部件的材料属性包括设置铁芯和绕组部位材料的电阻率、相对磁导率、密度。
本发明谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法考虑到谐波电流下变压器的电磁关系，利用变压器在谐波电流作用下的“T”型等效电路，运用戴维南等效定理，得到变压器一次侧绕组的等效电路和二次侧绕组的等效电路，并将一、二次侧绕组的等效电路分别作为利用Magnet软件进行变压器损耗仿真时一、二次绕组的外激励电路模型，从而实现利用Magnet软件仿真计算谐波电流下变压器的总损耗，其具有下述优点：
1、本发明采用谐波电流下变压器的“T”型等效电路得到谐波电流下变压器损耗仿真时外电路激励模型，考虑到了谐波电流对变压器绕组的集肤效应的影响，使谐波电流下变压器绕组损耗的计算更准确。
2、本发明建立了损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型，考虑了谐波对变压器铁损的影响，使损耗计算精度提高。
3、本发明建立了损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型，同时计算变压器在谐波电流下的铁芯损耗和绕组上的损耗，使谐波电流下变压器总损耗计算更为准确；
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例方法的变压器的“T”型等效电路。
图3为本发明实施例方法的变压器一次绕组所需的外激励电路模型。
图4为本发明实施例方法的变压器二次绕组所需的外激励电路模型。
具体实施方式
如图1所示，本实施例谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法的实施步骤包括：
1)建立变压器的几何模型；
2)设定几何模型中各部件的材料属性；
3)利用Magnet软件中Intial 3D Mesh算法对几何模型进行网格剖分；
4)把谐波分量看作独立电压源和电流源加到变压器在第h次谐波电流作用下变压器的“T”型等效电路中，并利用戴维南原理分别建立损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型；
5)计算损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型中的绕组等效电阻、侧绕组电抗、励磁电阻以及励磁电抗；
6)基于所述损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型，运行Magnet软件仿真计算各次谐波作用下变压器的磁场分布及损耗值，在Magnet软件的Field栏查看并记录变压器的在某次谐波下的损耗仿真结果；
7)将变压器的在各次谐波下的损耗仿真结果利用叠加原理计算总谐波电流下的损耗。
本实施例步骤1)建立变压器的几何模型时，高、低压侧的绕组都采用圆筒式绕组代替，并作以下假设：绕组线圈内部的电流分布均匀；由于铁芯硅钢片涂有绝缘漆，认为铁芯不导电；铁芯和绕组在各方向上的材料属性相同。
本实施例步骤2)设定几何模型中各部件的材料属性主要包括设置铁芯和绕组部位材料的电阻率、相对磁导率、密度等材料参数。
本实施例步骤3)利用Magnet软件中Intial 3D Mesh算法对几何模型进行网格剖分时，网格划分时采用默认软件尺寸。
利用MagNet软件进行变压器的损耗仿真时，在建立完几何模型后，变压器的绕组部位会在New Circuit Window窗口下生成一个等效绕组，在该窗口中建立不同的电路，从而对等效绕组施加激励即可进行变压器的磁场及损耗的仿真。因此，在仿真变压器在谐波电流下的损耗时，关键步骤就是建立变压器各绕组在谐波作用下的等效电路，从而得到各绕组在仿真中所需的外激励电路模型。谐波电流作用下，变压器绕组因为集肤效应导致电阻值发生了变化。因此损耗仿真时，不能再使用额定电流作用下的变压器“T”型等效电路作为绕组的外激励电路模型。本申请基于变压器在各次谐波电流作用下的“T”型等效电路，建立损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型。
基于等值法得到的变压器在第h次谐波电流作用下变压器的“T”型等效电路如图2所示，即把谐波分量看作独立电压源和电流源加到变压器的“T”型等效电路中，它能很好的反映谐波作用下变压器的电磁关系。图2中，h为谐波次数，Uh为第h次谐波电压有效值，Ih为第h次谐波电流有效值，Rh(1)为第h次谐波作用下一次侧绕组等效电阻，Xh(1)为第h次谐波作用下一次侧绕组等效电抗，Rh(2)为第h次谐波作用下二次侧绕组等效电阻，Xh(2)为第h次谐波作用下二次侧绕组等效电抗，Rh(m)为第h次谐波作用下励磁电阻，Xh(m)为第h次谐波作用下励磁电抗。参见图2可知，“T”型等效电路由第h次谐波电压有效值Uh、第h次谐波作用下一次侧绕组等效电阻Rh(1)、第h次谐波作用下一次侧绕组等效电抗Xh(1)、第h次谐波作用下励磁电阻Rh(m)、第h次谐波作用下励磁电抗Xh(m)依次串联形成回路，且其中第h次谐波作用下励磁电阻Rh(m)、第h次谐波作用下励磁电抗Xh(m)两者形成的串联支路上并联布置有另一条支路：该支路由第h次谐波作用下二次侧绕组等效电阻Rh(2)、第h次谐波作用下二次侧绕组等效电抗Xh(2)、第h次谐波电流有效值Ih依次串联形成的支路。
在建立损耗仿真中变压器一、二次侧绕组的外激励电路模型时，需要对一、二次侧绕组单独建立激励电路，因此变压器谐波电流下的“T”型等效电路并不能直接作为外电路激励模型。本实施例中基于变压器第h次谐波作用下的“T”型等效电路，采用戴维南等效，步骤4)中损耗仿真时变压器一次绕组所需的外激励电路模型为由一次侧绕组激励电路等效电源第h次谐波作用下的一次侧绕组等效电阻Rh(1)、第h次谐波作用下的一次侧等效电感Lh(1)、第h次谐波作用下的励磁电阻Rh(m)、第h次谐波作用下的等效励磁电感Lh(m)首尾相连形成的串联回路，如图3所示。本实施例中基于变压器第h次谐波作用下的“T”型等效电路，采用戴维南等效，步骤4)中损耗仿真时变压器二次绕组所需的外激励电路模型为由二次侧绕组激励电路等效电源第h次谐波作用下的二次侧绕组等效电阻Rh(2)、第h次谐波作用下的二次侧绕组的等效电感Lh(2)、二次侧绕组等效励磁阻抗Z首尾相连形成的串联回路，如图4所示。且损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型满足下式：
上式中，和分别为一、二次侧绕组激励电路的等效电源，为第h次谐波电压的相量，为第h次谐波电流的相量，Rh(m)为第h次谐波作用下的励磁电阻，Xh(m)为第h次谐波作用下励磁电抗，Rh(1)为第h次谐波作用下的一次侧绕组等效电阻，Xh(1)为第h次谐波作用下一次侧绕组等效电抗。
本实施例中，步骤5)中计算损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型中的绕组等效电阻、侧绕组电抗、励磁电阻以及励磁电抗的函数表达式如下：
Rh(1)/R1(1)＝0.966360814e0.02685h
Xh(1)/X1(1)＝0.9987219832+0.153923×10-2h-0.39525×10-3h2
Rh(2)/R1(2)＝0.966360814e0.02685h
Xh(2)/X1(2)＝0.9987219832+0.153923×10-2h-0.39525×10-3h2
Rh(m)/R1(m)＝0.7060448503+0.248140685h-0.24685×10-2h2
Xh(m)/X1(m)＝1.077990695-0.0664264h+0.119525×10-2h2
上式中，Rh(1)为第h次谐波作用下的一次侧绕组等效电阻，R1(1)为基波作用下一次侧绕组电阻，Xh(1)为第h次谐波作用下一次侧绕组等效电抗，X1(1)为基波作用下一次侧绕组电抗，Rh(2)为第h次谐波作用下的二次侧绕组等效电阻，R1(2)为基波作用下二次侧绕组电阻，Xh(2)为第h次谐波作用下的二次侧绕组等效电抗，X1(2)为基波作用下二次侧绕组电抗，Rh(m)为第h次谐波作用下的励磁电阻，R1(m)为基波作用下励磁电阻，Xh(m)为第h次谐波作用下励磁电抗，X1(m)为基波作用下励磁电抗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法，其特征在于实施步骤包括：
1)建立变压器的几何模型；
2)设定几何模型中各部件的材料属性；
3)对几何模型进行网格剖分；
4)把谐波分量看作独立电压源和电流源加到变压器在第h次谐波电流作用下变压器的“T”型等效电路中，并利用戴维南等效原理分别建立损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型；
5)计算损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型中的绕组等效电阻、侧绕组电抗、励磁电阻以及励磁电抗；
6)基于所述损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型，运行Magnet软件仿真计算各次谐波作用下变压器的磁场分布及损耗值，在Magnet软件的Field栏查看并记录变压器的在某次谐波下的损耗仿真结果；
7)将变压器的在各次谐波下的损耗仿真结果利用叠加原理计算总谐波电流下的损耗。
2.根据权利要求1所述的谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法，其特征在于，步骤4)中损耗仿真时变压器一次绕组所需的外激励电路模型为由一次侧绕组激励电路等效电源第h次谐波作用下的一次侧绕组等效电阻Rh(1)、第h次谐波作用下的一次侧等效电感Lh(1)、第h次谐波作用下的励磁电阻Rh(m)、第h次谐波作用下的等效励磁电感Lh(m)首尾相连形成的串联回路。
3.根据权利要求2所述的谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法，其特征在于，步骤4)中损耗仿真时变压器二次绕组所需的外激励电路模型为由二次侧绕组激励电路等效电源第h次谐波作用下的二次侧绕组等效电阻Rh(2)、第h次谐波作用下的二次侧绕组的等效电感Lh(2)、二次侧绕组等效励磁阻抗Z首尾相连形成的串联回路。
4.根据权利要求3所述的谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法，其特征在于，步骤4)中损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型满足下式：
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上式中，和分别为一、二次侧绕组激励电路的等效电源，为第h次谐波电压的相量，为第h次谐波电流的相量，Rh(m)为第h次谐波作用下的励磁电阻，Xh(m)为第h次谐波作用下励磁电抗，Rh(1)为第h次谐波作用下的一次侧绕组等效电阻，Xh(1)为第h次谐波作用下一次侧绕组等效电抗。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法，其特征在于，步骤5)中计算损耗仿真时变压器一、二次绕组所需的外激励电路模型中的绕组等效电阻、侧绕组电抗、励磁电阻以及励磁电抗的函数表达式如下：
Rh(1)/R1(1)＝0.966360814e0.02685h
Xh(1)/X1(1)＝0.9987219832+0.153923×10-2h-0.39525×10-3h2
Rh(2)/R1(2)＝0.966360814e0.02685h
Xh(2)/X1(2)＝0.9987219832+0.153923×10-2h-0.39525×10-3h2
Rh(m)/R1(m)＝0.7060448503+0.248140685h-0.24685×10-2h2
Xh(m)/X1(m)＝1.077990695-0.0664264h+0.119525×10-2h2
上式中，Rh(1)为第h次谐波作用下的一次侧绕组等效电阻，R1(1)为基波作用下一次侧绕组电阻，Xh(1)为第h次谐波作用下一次侧绕组等效电抗，X1(1)为基波作用下一次侧绕组电抗，Rh(2)为第h次谐波作用下的二次侧绕组等效电阻，R1(2)为基波作用下二次侧绕组电阻，Xh(2)为第h次谐波作用下的二次侧绕组等效电抗，X1(2)为基波作用下二次侧绕组电抗，Rh(m)为第h次谐波作用下的励磁电阻，R1(m)为基波作用下励磁电阻，Xh(m)为第h次谐波作用下励磁电抗，X1(m)为基波作用下励磁电抗。
6.根据权利要求1所述的谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法，其特征在于，步骤1)中建立变压器的几何模型时，将高、低压侧的绕组都采用圆筒式绕组代替，并作以下假设：绕组线圈内部的电流分布均匀、铁芯不导电、铁芯和绕组在各方向上的材料属性相同。
7.根据权利要求1所述的谐波电流下变压器损耗的仿真计算方法，其特征在于，步骤2)中设定几何模型中各部件的材料属性包括设置铁芯和绕组部位材料的电阻率、相对磁导率、密度。
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