谐波电流影响下的绕组损耗计算方法、装置、介质和设备与流程

1.本发明涉及技术领域，尤其是涉及一种谐波电流影响下的绕组损耗计算方法、装置、介质和设备。


背景技术：

2.随着大规模可再生能源的接入和电力电子设备的普及，电力系统正快速向“双高”方向发展。然而，这种发展也带来了许多问题，如谐波的增加和复杂的传播机制。谐波会对电力设备运行安全带来重大影响，易引起设备过热、加速设备老化和缩短设备使用寿命，尤其是对变压器的绕组。


技术实现要素：

3.基于此，有必要提供谐波电流影响下的绕组损耗计算方法、装置、介质和设备，以解决难以准确计算绕组损耗的问题。
4.一种谐波电流影响下的绕组损耗计算方法，所述方法包括：
5.构建变压器绕组的磁通密度分布仿真模型，并基于所述磁通密度分布仿真模型仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布；
6.基于所述漏磁分布和预设的涡流损耗模型计算谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗；
7.计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗；
8.将所述涡流损耗和所述电阻损耗的总和作为所述绕组损耗。
9.在其中一个实施例中，所述磁通密度分布仿真模型包括高压绕组、中压绕组和低压绕组，设置所述高压绕组为电压激励，设置所述中压绕组为开路，且设置所述低压绕组为电流激励；
10.所述基于所述磁通密度分布仿真模型仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布，包括：
11.在所述磁通密度分布仿真模型中，通过改变电压激励的频率和幅值，和/或电流激励的频率和幅值，以仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布。
12.在其中一个实施例中，所述涡流损耗模型为：
13.p
eddy
＝p
zeddy
p
feddy
[0014][0015][0016]
上式中，p
feddy
指示辐向涡流损耗模型，p
zeddy
指示轴向涡流损耗模型，d指示穿透深度，a指示辐向宽度，b指示轴向厚度，γ指示导线材料的比电导，ω指示涡流角频率，b
max
指示目标点x处磁感应强度最大值。
[0017]
在其中一个实施例中，所述方法，还包括：
[0018]
根据目标点的涡流密度和相邻点的涡流密度构建所述目标点和所述相邻点之间的压降差关系式；
[0019]
在设定所述目标点处的磁感应强度为基于磁感应强度最大值的正弦函数，且涡流密度取最大值的前提下，通过对所述压降差关系式进行积分计算并取有效值，以构建所述目标点处的辐向涡流有效值和轴向涡流有效值；
[0020]
基于所述辐向涡流有效值和导线材料的比电导构建全辐向涡流损耗模型并进行等效化简，以得到所述辐向涡流损耗模型，及基于所述轴向涡流有效值和导线材料的比电导构建全轴向涡流损耗模型并进行等效化简，以得到所述轴向涡流损耗模型。
[0021]
在其中一个实施例中，压降差关系式为：
[0022][0023]
上式中，b
x
指示目标点x的磁感应强度；j
x
指示目标点x处的涡流密度；
[0024]
构建的辐向涡流有效值为：
[0025][0026]
构建的轴向涡流有效值为：
[0027][0028]
在其中一个实施例中，所述计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗，包括：
[0029]
基于工频电流作用下的绕组电阻值拟合不同频率电流作用下的等效电阻；
[0030]
基于所述等效电阻及预设的电阻损耗模型计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗。
[0031]
在其中一个实施例中，拟合的等效电阻为：
[0032]
r＝0.96636087e
0.000537fr50
[0033]
上式中，r指示频率f下的等效电阻，r
50
指示工频电流作用下的绕组电阻值；电阻损耗模型为：
[0034]
p＝i2r
[0035]
上式中，i指示谐波电流值。
[0036]
一种谐波电流影响下的绕组损耗计算装置，所述装置包括：
[0037]
仿真模块，用于构建变压器绕组的磁通密度分布仿真模型，并基于所述磁通密度分布仿真模型仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布；
[0038]
绕组损耗计算模块，用于基于所述漏磁分布和预设的涡流损耗模型计算谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗；计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗；将所述涡流损耗和所述电阻损耗的总和作为所述绕组损耗。
[0039]
一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，
使得所述处理器执行上述绕组损耗计算方法的步骤。
[0040]
一种谐波电流影响下的绕组损耗计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述绕组损耗计算方法的步骤。
[0041]
本发明提供了谐波电流影响下的绕组损耗计算方法、装置、介质和设备，首先构建变压器绕组的磁通密度分布仿真模型，并基于磁通密度分布仿真模型仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布；接着基于漏磁分布和预设的涡流损耗模型计算谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗；计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗；最后将涡流损耗和电阻损耗的总和作为绕组损耗。本发明能更加准确的计算出不同幅值不同频率谐波电流影响下变压器绕组损耗。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
其中：
[0044]
图1为一个实施例中谐波电流影响下的绕组损耗计算方法的流程示意图；
[0045]
图2为一个实施例中磁通密度分布仿真模型的示意图；
[0046]
图3为一个实施例中为磁通密度分布仿真模型添加激励设置的示意图；
[0047]
图4为一个实施例中0.05i n-0.2i n作用下不同频率的绕组漏磁分布的示意图；
[0048]
图5为一个实施例中0.25i n-0.4i n作用下不同频率的绕组漏磁分布的示意图；
[0049]
图6为一个实施例中50hz、250hz、350hz不同幅值谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗示意图；
[0050]
图7为一个实施例中550hz、650hz不同幅值谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗示意图；
[0051]
图8为一个实施例中等效电阻的拟合结果示意图；
[0052]
图9为一个实施例中谐波电流影响下的绕组损耗计算装置的结构示意图；
[0053]
图10为一个实施例中谐波电流影响下的绕组损耗计算设备的结构框图。
具体实施方式
[0054]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055]
本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包
括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0056]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0057]
如图1所示，图1为一个实施例中谐波电流影响下的绕组损耗计算方法的流程示意图，本实施例中谐波电流影响下的绕组损耗计算方法提供的步骤包括：
[0058]
s101,构建变压器绕组的磁通密度分布仿真模型，并基于磁通密度分布仿真模型仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布。
[0059]
具体的，可先构建如图2所示的磁通密度分布仿真模型，该磁通密度分布仿真模型是一个三相三绕组变压器，包括铁芯、三相的低压绕组、中压绕组和高压绕组。
[0060]
为仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布，在一个具体实施例中，进行如图3所示的激励设置。设置高压绕组为电压激励，其中a相、b相和c相分别为：
[0061][0062]
且设置中压绕组为开路，且设置低压绕组为电流激励，其中a相、b相和c相分别为：
[0063][0064]
在上述激励设置的基础上，就可以通过改变电压激励的频率和幅值，和/或电流激励的频率和幅值，以仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布。
[0065]
示例性的，设置电流幅值为0.05i n-0.4i n，其中i n为额定电流，设置电流频率为50hz、250hz、350hz、550hz、650hz，可仿真得到如图4所示的0.05i n-0.2i n作用下不同频率的绕组漏磁分布，同时也得到如图5所示的0.25i n-0.4i n作用下不同频率的绕组漏磁分布。
[0066]
s102,基于漏磁分布和预设的涡流损耗模型计算谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗。
[0067]
首先需要构建涡流损耗模型，具体的来说，处在漏磁场中的绕组，会在其内部产生感应电势并流过涡流，涡流在导线内闭合不流出线圈外。那么回路中的感应电动势如式(3)所示。
[0068][0069]
上式中：φ
x
为穿过厚度为dx的单元导线的磁通量；b
x
为目标点x处的磁感应强度；l为涡流路径长度。
[0070]
假设目标点x处的涡流密度为j
x
，相邻点x dx处的涡流密度为由于导线中的涡流是一个回路，因此x处与x dx处的电势差等于其压降差，如式(4)所示，进一步化简可得压降差关系式(5)。
[0071][0072][0073]
上式中：γ为导线材料的比电导；a为导线的辐向宽度。
[0074]
进一步的，以涡流有效值的计算为例，由于涡流与磁感应强度之间的相位差为π/2，假设目标点处的磁感应强度为基于磁感应强度最大值的正弦函数，即b
x
＝b
max
sinωt，同时设定涡流密度取最大值，即j
x
＝j
max
，式(5)可变化为式(6)，对式(6)两边进行积分计算可得式(7)。
[0075][0076][0077]
上式中：b
max
为目标点x处磁感应强度最大值；j
max
为目标点x处涡流密度最大值；ω为涡流角频率。
[0078]
同时，涡流在导线内部回路闭合，因此对导线横截面内的涡流积分结果为0，可以计算出式(7)中的常数项c。计算过程如式(8)所示。
[0079][0080]
计算可得：
[0081][0082]
将常数项c代入到式(7)中即可获得点x处的辐向涡流幅值，将该幅值除以即可获得点x处的辐向涡流有效值如式(9)所示。
[0083][0084]
可以理解的是，基于上述公式(3)-(9)可得到辐向涡流有效值，按照相同分析方法，将a与b对调，可构建得到轴向涡流有效值，表示为：
[0085]
[0086]
进一步的，在辐向上，导线单位体积内的涡流损耗等于涡流有效值的平方除以导线材料的比电导，因此一根导线的全辐向涡流损耗模型如式(11)所示，
[0087][0088]
上式中，p
feddy-为全辐向涡流损耗模型，d指示穿透深度。
[0089]
上式(11)中相较于而言是一个非常小的数值，因此式(11)可等效化简为式(12)。按照相同分析方法，同理可得导线的轴向涡流损耗模型，式(13)。
[0090][0091][0092]
综上，导线的涡流损耗模型为为式(14)所示。
[0093][0094]
在上述式(14)的基础上，将s101仿真得到的漏磁分布代入到公式中进行计算，可计算得到不同幅值、不同频率谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗，结果如图6所示，为50hz、250hz、350hz不同幅值谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗示意图；如图7所示，为550hz、650hz不同幅值谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗示意图。
[0095]
s103,计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗。
[0096]
电流流过变压器绕组时,因为绕组电阻发热而产生电阻损耗。在计算电阻损耗时，考虑到高频谐波给绕组带来的集肤效应和临近效应，因此在不同频率的谐波下，绕组的等效电阻值会发生改变。在实验中，基于工频电流作用下的绕组电阻值拟合得到不同频率电流作用下的等效电阻，该拟合结果如图8所示，拟合结果表示为：
[0097]
r＝0.96636087e
0.000537fr50
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0098]
上式中，r指示频率f下的等效电阻，r
50
指示工频电流作用下的绕组电阻值，取值为0.02275ω。
[0099]
接着基于等效电阻及预设的电阻损耗模型计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗。该电阻损耗模型为：
[0100]
(16)
[0101]
p＝i2r
[0102]
上式中，i指示谐波电流值。
[0103]
s104，将涡流损耗和电阻损耗的总和作为绕组损耗。
[0104]
上述谐波电流影响下的绕组损耗计算方法，首先构建变压器绕组的磁通密度分布仿真模型，并基于磁通密度分布仿真模型仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布；接着基于漏磁分布和预设的涡流损耗模型计算谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗；计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗；最后将涡流损耗和电阻损耗的总和作为绕组损耗。本发明能更加准确的计算出不同幅值不同频率谐波电流影响下变压器绕组损耗。
[0105]
在一个实施例中，如图9所示，提出了一种谐波电流影响下的绕组损耗计算装置，该装置包括：
[0106]
仿真模块901，用于构建变压器绕组的磁通密度分布仿真模型，并基于磁通密度分布仿真模型仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布；
[0107]
绕组损耗计算模块902，用于基于漏磁分布和预设的涡流损耗模型计算谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗；计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗；将涡流损耗和电阻损耗的总和作为绕组损耗。
[0108]
图10示出了一个实施例中谐波电流影响下的绕组损耗计算设备的内部结构图。如图10所示，该谐波电流影响下的绕组损耗计算设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该谐波电流影响下的绕组损耗计算设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现谐波电流影响下的绕组损耗计算方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行谐波电流影响下的绕组损耗计算方法。本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的谐波电流影响下的绕组损耗计算设备的限定，具体的谐波电流影响下的绕组损耗计算设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0109]
一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：构建变压器绕组的磁通密度分布仿真模型，并基于磁通密度分布仿真模型仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布；基于漏磁分布和预设的涡流损耗模型计算谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗；计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗；将涡流损耗和电阻损耗的总和作为绕组损耗。
[0110]
一种谐波电流影响下的绕组损耗计算设备，包括存储器、处理器以及存储在该存储器中并可在该处理器上执行的计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现如下步骤：构建变压器绕组的磁通密度分布仿真模型，并基于磁通密度分布仿真模型仿真不同频率不同幅值谐波电流作用下变压器绕组的漏磁分布；基于漏磁分布和预设的涡流损耗模型计算谐波电流影响下变压器绕组的涡流损耗；计算不同频率谐波电流影响下变压器绕组的电阻损耗；将涡流损耗和电阻损耗的总和作为绕组损耗。
[0111]
需要说明的是，上述谐波电流影响下的绕组损耗计算方法、装置、设备及计算机可读存储介质属于一个总的发明构思，谐波电流影响下的绕组损耗计算方法、装置、设备及计算机可读存储介质实施例中的内容可相互适用。
[0112]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以
通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0113]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0114]
以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。