CN114336564B - 变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法、装置，在matlab/Simulink软件中进行模型搭建，仿真辅助回路并匹配过电压吸收系统。通过程序，预先给出阻容吸收装置参数的几组“母组合”，导入模型后进行辅助绕组过电压仿真。获取得到的过电压波形后生成过电压水平较低的“子组合”，再次导入模型进行辅助绕组过电压仿真。不断循环，直到找到最优的过电压阻容吸收装置参数。本发明在无需牵引变压器过电压源头数学模型的前提下，实现了阻容吸收装置的阻容匹配，解决了辅助供电回路的过电压导致设备损坏的问题。

Description

变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法、装置

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆牵引变压器过电压的吸收装置，特别是一种变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法、装置。

背景技术

动车组车辆辅助系统能量来源一般来自牵引变流器中间回路，通过辅助逆变器将直流转换成辅助设备的三相交流电源。在牵引变压器增设辅助绕组，可以将辅助设备一部分功率需求从牵引变流器转换到牵引变压器，从而达到牵引变流器轻量化的目标。牵引变压器增加辅助绕组后，由于其内部的绕组布设方式而引发的辅助绕组过电压会导致辅助绕组后端连接负载承载高于其正常工作电压几倍甚至几十倍的电压水平。这种过电压的产生会对辅助设备产生严重影响，导致绝缘损坏、击穿、甚至漏电放电等恶性事件。为此，在牵引变压器辅助回路输出端需要增加过电压吸收装置来降低辅助回路过电压水平以保护以其相连的辅助设备安全。如图1所示。

轨道交通车辆在雷击和分合主断路器(操作过电压)工况下会在牵引变压器原边产生较大的过电压，而原边绕组产生的过电压传递到辅助绕组上，会导致了辅助绕组回路也存在很大的过电压，从而损坏辅助设备。牵引变压器原次边传递函数与其绕组铺设方式、材质等因素决定的杂散电容，等效电感等参数相关，无法通过测量的方式获取，因此无法计算确定辅助绕组过电压水平。

申请号为201220579332.6的专利公开了一种牵引变压器次边阻容网络吸收器散热风机，包括散热风机箱、风机组、交流稳压电源和控制电路，风机组安装在散热风机箱内，散热风机箱由交流稳压电源供电，并受控制电路所控制。交流稳压电源安装在散热风机箱内的中间部位，并控制电路板一起安装在控制电路盒内。在散热风机箱内设有内部接线端子和外部接线端子，散热风机箱内的所有导线均通过内部接线端子连接：外部接线通过外部接线端子接线。散热风机箱内设有控制电路元件自动开关。申请号为201611056522.9的发明专利申请公开了一种铁路机车用牵引回路阻容保护电阻过电流检测装置，包括电源模块、电流信号采集模块、控制模块和语音芯片，电源模块将直流电源转换成电流信号采集模块、控制模块和语音芯片对应所需的电压，控制模块通过将四个电流互感器的检测值的平均值与设定值进行比较，然后根据比较值判断阻容保护电阻电流是否正常，通过检测次边电流互感器反馈的信号，提前发现通过牵引回路阻容保护电阻的电流是否过大，执行分主断操作，避免发生牵引回路阻容保护电阻烧损事故。申请号为202010176003.6的发明专利申请公开了一种抑制机车过分相时产生过电压与谐波的电路及方法，该电路一端与机车电分相的中性段电连接，其另一端接地，机车在过分相时与中性段和大地形成回路，该电路中的电阻R可用来消耗高频振荡的能量；而电感L因具有通低频阻高频的特性，所以流向电流R的工频电流奖会减少，从而降低工频电流的消耗；而电容C则是因为其具有电压不能突变的特性，过电压上升速度将会得到减缓。该装置不仅能抑制过电压，同时还能构成一个二阶高通滤波器，滤除谐波，在电分相的中性段上加装该装置后可以降低过电压带来的危害。

上述现有技术虽然与过电压吸收系统有一定的关系，提出了过电压吸收的检测和系统方法，但通过分析发现，现有技术并没有解决牵引变压器辅助绕组的过电压问题，特别是未考虑在无法确定辅助绕组过电压传递函数的前提下，如何解决辅助供电回路的过电压问题。因此，如何通过匹配过电压吸收系统，改善牵引变压器辅助绕组供电回路的过电压水平，确保其后端的辅助设备不受破坏，仍需要进一步加以改进研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法、装置，在无需牵引变压器过电压源头数学模型的前提下，实现阻容吸收装置的阻容匹配，解决辅助供电回路的过电压问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法，包括以下步骤：

S1、给定变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容吸收装置电阻和电容组合的多组初始参数；

S2、获取所述多组初始参数对应的变压器辅助绕组过电压吸收系统的过电压最大值，将所有的过电压最大值放入数组；

S3、从所述数组中挑选其中最小的m个值，进而获取该最小的m个值对应的初始参数，利用该m个值对应的初始参数随机生成后续子代；

S4、判断所述后续子代中所有两两相邻的两个子代之间的电阻差值和电容差值之和是否小于设定值，若是，则该后续子代即为最佳阻容参数；若否，则以所述后续子代为初始参数，返回步骤S2。

本发明的匹配过程简单，在无需牵引变压器过电压源头数学模型的前提下，可以实现阻容吸收装置的阻容匹配，该匹配过程不受网压制式的影响，解决了15kV和25kV等不同网压制式下变压器辅助绕组过电压响应不同，难以匹配过电压吸收系统，导致辅助绕组回路存在很大的过电压，从而损坏辅助设备的问题。

本发明中，为了降低计算量，提高计算效率，所述初始参数为数组型式[R¹ _i,C¹ _i]，i∈[1,5]。

步骤S2中，将所述多组初始参数代入变压器辅助绕组过电压吸收系统的仿真模型中，得到多组初始参数对应的过电压最大值。通过仿真方式，便于查看过电压水平，同时提高了阻容匹配实时性。

本发明中，在matlab/Simulink中建立所述仿真模型。

为了降低实现难度，本发明步骤S3中，所述后续子代的电阻值为m个值对应的任意两组初始参数电阻值之间的随机值，所述后续子代的电容值为m个值对应的任意两组初始参数电容值之间的随机值。

本发明综合考虑了计算时间和实际可获取的电容值，步骤S4中，将所述设定值设定为0.001。

本发明还提供了一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序，以实现本发明所述方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令；该计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明所述方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令；所述计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在无需牵引变压器过电压源头数学模型的前提下，实现了阻容吸收装置的阻容匹配，解决了辅助供电回路的过电压导致设备损坏的问题；本发明的方法可以获得最优的过电压吸收系统参数，可以选取出过电压最低的阻容吸收装置参数，改善了牵引变压器辅助绕组供电回路的过电压水平，确保其后端的辅助设备不受破坏。本发明通过试验实际测量到的辅助绕组过电压数据，通过建模并使用算法进行参数挑选，可自动、有效地匹配后端阻容吸收装置的参数，找到辅助回路最低过电压的最优解，同时可以给出辅助设备过电压水平，为辅助回路设计提供了理论支持。

附图说明

图1是本变压器辅助绕组过电压吸收系统的电路结构示意图；

图2是本发明实施例提供的变压器辅助绕组过电压吸收系统参数的匹配方法及流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例在matlab/Simulink软件中进行模型搭建，仿真辅助回路并匹配过电压吸收系统。通过程序，预先给出阻容吸收装置参数的几组“母组合”，导入模型后进行辅助绕组过电压仿真。获取得到的过电压波形后生成过电压水平较低的“子组合”，再次导入模型进行辅助绕组过电压仿真。不断循环，直到找到最优的过电压阻容吸收装置参数。

以下详细介绍本发明实施例的实现过程。

在matlab/Simulink中建立仿真模型(如图1所示)。

1.牵引变压器模型为理想变压器+辅助绕组漏感和电阻的组合电路模型，作为产生辅助绕组过电压波形的激励源。

2.次边绕组过电压波形数据为试验中所测时域的牵引变压器辅助绕组过电压波形数据，通过导入牵引变压器模型实现实际过电压波形的模拟。波形数据为2*n数组，即2列n行的数组序列，n的取值与截取的波形时间长短有关，截取时间片段越长，n值越大。第一列数据为时间数据，典型精度到小数点后6位，即微秒级别，第二列数据为电压数据，单位为V，记录某一时刻的电压值。其与牵引变压器模型的连接方式为数据流连接。

3.阻容吸收装置为电阻+电容的串联电路模型，其各自的参数可以通过后台进行修改，典型参数设置为R和C，并联在牵引变压器次边绕组上，用于滤除过电压冲击，其连接方式为电路连接方式。

4.辅助负载为电阻的电路模型，用于模拟轨道交通车辆上加热设备，其参数可以通过加热设备本身特性计算，同样并联在牵引变压器次边绕组上。加热设备通常标定额定功率P和额定电压U。电阻值通过公式R＝U²/P进行计算。

5.示波器为电压数据波形显示设备，需要先通过电压互感器将时域电压值转换为数据流，再给示波器进行展示。

在模型搭建完成后，通过以下过程进行过电压吸收系统的参数匹配。

首先进行S1.数据的初始化，将所测的次边绕组过电压波形数据以数组的型式导入matlab，并在simulink中设置好仿真模型和仿真环境。

进一步地，S2.给定电阻电容初始的参数，亦即“母组合”，为数组型式[R¹ _i,C¹ _i]，i∈[1,5]，典型值为[10,0.001],[20,1],[30,10],[40,50],[50,100]，以其中[10，0.001]举例，其代表的含义是电阻设定为10Ω，电容设定为0.001mF；

进一步地，S3.导入模型计算，将阻容初始参数[R¹ _i,C¹ _i]，i∈[1,5]导入matlab建立的模型，开始进行仿真，每个阻容参数都做一次仿真；

进一步地，S4.得到不同参数下的过电压水平，初始阻容参数仿真后可以得到不同的过电压波形和最大值，记录最大值形成数组[U¹ _i]，i∈[1,5]，典型值为[6732 4729 63995923 7943]，其中6732代表当次仿真过电压最大值为6732V；

进一步地，S5.生成“子组合”，过电压最大值数组中挑选其中最小的2个值，其对应的初始阻容参数作为“父”和“母”，生成其后续子代[R² _i,C² _i]，i∈[1,5]，其中子代的参数取决于“父母”为参数差的随机值；以上一步电压数组为例，4729和5923为最小值，对应阻容参数为[20,1],[40,50]，则可以生成子数组[20,1],[21,20],[33,37],[36,42],[40,50]。

进一步地，S6.满足精度，生成的子代[R² _i,C² _i]，i∈[1,5]中，第一代子代的R² _i+1-R² _i和C² _i+1-C² _i两两之间的差值必然比较大，所有差值的和不满足差值之和＜θ的要求。精度典型值选择为0.001，计算得(50-42)+(42-37)+(37-20)+(20-1)+(40-36)+(36-33)+(33-21)+(21-20)＝69。可见所算差值不满足要求，则以生成的子代为第二代初始参数，重复步骤S3～S5，得到下一轮子代[R³ _i,C³ _i]，i∈[1,5]，由于每次算法选出的子代，其值都是相互接近的。因此通过迭代，找到某一轮子代[R^j _i,C^j _i]，i∈[1,5]，j∈N，其两两之间的差值满足小于精度θ的要求，则判定找到了最佳的阻容参数。

进一步地，S7.阻容装置参数辅助绕组过电压，输出最佳的阻容参数和仿真得到的过电压波形，得到最优的过电压吸收系统。

由于牵引变压器过电压水平取决于其瞬态模型，而变压器的瞬态模型与其内部绕组布置方式，线圈工艺方式，变压器油质等等因素有关，变压器的设计生产厂商都无法给出具体的瞬态模型。如果按照常规的阻容吸收装置参数匹配方法，往往得不到较好的降过电压效果。本发明的优势在于不用得到变压器具体的瞬态数学模型，只需知晓变压器部分稳态参数，就可以匹配出最佳的阻容吸收装置，是十分实用的匹配方案。

Claims (8)

1.一种变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、给定变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容吸收装置电阻和电容组合的多组初始参数；

S2、获取所述多组初始参数对应的变压器辅助绕组过电压吸收系统的过电压最大值，将所有的过电压最大值放入数组；

S3、从所述数组中挑选其中最小的m个值，进而获取该最小的m个值对应的初始参数，利用该m个值对应的初始参数随机生成后续子代；

S4、判断所述后续子代中所有两两相邻的两个子代之间的电阻差值和电容差值之和是否小于设定值，若是，则该后续子代即为最佳阻容参数；若否，则以所述后续子代为初始参数，返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法，其特征在于，所述初始参数为数组型式[R¹ _i,C¹ _i]，i∈[1,5]。

3.根据权利要求1所述的变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法，其特征在于，步骤S2中，将所述多组初始参数代入变压器辅助绕组过电压吸收系统的仿真模型中，得到多组初始参数对应的过电压最大值。

4.根据权利要求3所述的变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法，其特征在于，在matlab/Simulink中建立所述仿真模型。

5.根据权利要求1所述的变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法，其特征在于，步骤S3中，所述后续子代的电阻值为m个值对应的任意两组初始参数电阻值之间的随机值，所述后续子代的电容值为m个值对应的任意两组初始参数电容值之间的随机值。

6.根据权利要求1所述的变压器辅助绕组过电压吸收系统阻容匹配方法，其特征在于，步骤S4中，所述设定值为0.001。

7.一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序，以实现权利要求1～6之一所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令；其特征在于，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1～6之一所述方法的步骤。