变压器铁芯动态磁滞和深度饱和表征与宽频非线性电磁暂态模型

变压器类设备是现代电力系统中发、输、变、配、用全部环节中*重要的电气设备,在轨道交通、电动汽车、全电舰船、多电飞机等前沿装备与系统中也占据着越来越重要的地位。灵活多变的运行场景导致变压器类设备需承受复杂的电磁暂态应力,对其安全稳定运行造成极大挑战。建立**表征变压器类设备电磁暂态特征的物理模型,实现变压器类设备在复杂电磁激励下的准确模拟,对变压器类设备的电磁暂态分析、趋势预测、主动预警、事故溯源、电磁暂态防护和可靠运行等具有重要意义。变压器类设备的物理本质是电场、磁场、物质间的相互作用,使变压器表现出铁芯非线性和频率依赖特性等复杂电磁特性,而现有变压器电磁暂态模型无法对其进行完整、精准地表征,从而难以准确地模拟变压器类设备在宽频带宽幅值激励下的电磁暂态过程与复杂特性。因此,本文以构建能够表征宽频带宽幅值激励下变压器类设备电磁暂态特性的变压器模型为目标;从变压器铁芯磁化动力学特性出发,建立考虑铁芯磁化损耗特性的动态磁滞模型,并提出表征变压器铁芯复杂时空非线性的复合励磁支路,建立计及铁芯动态磁滞和深度饱和的变压器电磁对偶模型;然后针对频率依赖特性的表征,提出变压器宽频导纳模型的电路实现方法,并与电磁对偶模型耦合建立变压器宽频非线性耦合模型;然后对耦合模型的动态磁化特性、非线性和频率依赖特性的准确表征能力进行验证,并与典型变压器电磁暂态模型进行对比分析。论文的主要研究工作及重要成果如下:（1）提出考虑铁芯磁化损耗特性的动态Preisach磁滞模型及其参数辨识方法。通过搭建变压器铁芯磁化动力学特性试验平台,研究变压器铁芯磁化动力学过程与特性;以Preisach磁滞模型的基本原理及其关键参数辨识方法为基础,提出一种面向Preisach分布函数辨识的改进型中心回线辨识法,解决现有方法辨识效率与准确度的矛盾;提出了以磁链-电流表征的ψ-i型Preisach磁滞逆模型,并结合铁芯磁化过程中的涡流损耗和剩余损耗,建立了动态Preisach磁滞模型。（2）构建计及铁芯动态磁滞特性与深度饱和特性的变压器电磁对偶模型。从电磁对偶基本原理出发,推导单相双绕组变压器的电磁对偶模型拓扑结构,提出通过动态Preisach磁滞模型和深度饱和单值曲线表征模型励磁支路的方法,解决铁芯复杂时空非线性特性表征的难题;提出变压器铁芯的深度饱和电感与深度饱和段励磁曲线数据的测量与计算方法;构建了计及铁芯动态磁滞特性与深度饱和特性的变压器电磁对偶模型,并提出模型在ATP-EMTP中的实现方法。（3）建立同时表征铁芯非线性和频率依赖特性的变压器宽频非线性耦合模型。通过二端口网络参数矩阵推导变压器的宽频导纳模型,并由矢量匹配法获取宽频导纳的频域表达式;通过推导宽频导纳的离散状态空间方程,在ATP-EMTP中建立了变压器宽频导纳模型的等效电路,并对电路进行稳定性修正,构建以诺顿电流源与物理Cauer电路混合表征的变压器宽频导纳电路模型;通过融合无损补偿技术的互补型双滤波器实现变压器宽频导纳模型与电磁对偶模型的数学耦合,建立了变压器宽频非线性耦合模型,可同时表征变压器铁芯非线性和频率依赖特性。（4）验证变压器宽频非线性耦合模型的准确性和有效性。以单相试验变压器为对象进行参数辨识,并在ATP-EMTP中构建变压器宽频非线性耦合模型;通过试验验证了模型的动态磁化特性表征性能,证明了变压器宽频非线性耦合模型的非线性特性和频率依赖特性的精准表征能力;然后将变压器宽频非线性耦合模型与典型变压器电磁暂态模型进行对比研究,进一步验证所提出的变压器模型具有模拟励磁涌流、雷电冲击响应和铁磁谐振等复杂电磁暂态的能力。研究结果表明:所提出的变压器宽频非线性耦合模型可以准确地模拟变压器铁芯的动态磁化过程,具有同时准确表征变压器非线性特性和频率依赖特性的能力,可实现变压器类设备在宽频带宽幅值激励下电磁暂态响应过程的精准模拟,满足变压器类装备在多场景复杂电磁激励下电磁暂态特性分析的要求,为实现变压器类设备及其系统的状态预估与可靠运行等提供基础支撑。