基于多尺度均匀化理论的磁控并联电抗器场路耦合电磁暂态建模研究

Magnetically controlled shunt reactor (MCSR) is one of the key equipments to solve the contradiction between the reactive power compensation and the active power transmission in the ultra high voltage ac transmission lines. The electromagnetic transient model of the MCSR need to be built for detailed analysis of the transient phenomena during the running, and is of great significance to the safety of the power grid and the devices. However, the existing models can not accurately simulate the dynamic nonlinear characteristics of the MCSR. To this end, using the finite element method, the research proposes the coupled field-circuit modeling theory of the MCSR based on the multi-scale homogenization theory. At first, based on the precise measurement of the electromagnetic properties of internal ferromagnetic materials, the effective electromagnetic properties of the composite structures of internal components are derived through the homogenization theory. By this means, the size scales of internal components for the 3D modeling are unified. Thereby, the electromagnetic field model with detailed internal structure is established. Then, the dynamic equivalent model is completed when the calculation results of the electromagnetic field model related to the currents, the inductances and the loss resistors are mapped to the equivalent circuit in real time. At last, the parameters of the dynamic equivalent model are updated using the hybrid simulation when the dynamic equivalent model is embedded to the electromagnetic transient network, and the internal and external electromagnetic transient characteristics of the MCSR in the actual power grid are accurately learnt. The research will provide the theoretical and technical support to the numerical simulation, optimal design and fault diagnosis of the ultra high voltage MCSR.

磁控并联电抗器是化解特高压交流输电线路无功补偿与有功传输之间矛盾的关键设备之一。建立磁控并联电抗器的电磁暂态模型详细研究其运行时的各种电磁暂态现象，对于保障电网与设备的安全运行具有重要意义。但现有模型还无法准确模拟磁控并联电抗器暂态过程中的动态非线性特性。为此，本项目以有限元方法为工具，提出基于多尺度均匀化理论的磁控并联电抗器场路耦合建模理论。首先，在精确测量内部铁磁材料电磁特性的基础上，通过均匀化理论分析内部元件复合结构的有效电磁特性，统一内部元件的尺度，建立具有详细内部结构的电磁场模型；然后，实时将电磁场模型有关电流、电感及损耗电阻等的计算结果映射到等效电路中，完成动态等值模型；最后，将动态等值模型嵌入电磁暂态网络,通过混合仿真实现模型参数的更新，准确获知磁控并联电抗器在实际电网中的内外电磁暂态特性。研究成果将为特高压磁控并联电抗器的数值仿真、优化设计及故障诊断研究提供理论和技术支撑。

随着磁控并联电抗器（MCSR）在电力系统中的广泛应用，为了全面、系统的研究和评估其对电网或其他设备安全稳定运行的影响，需要建立准确的电磁暂态模型。. 由于MCSR的铁心在运行过程中一直处于饱和状态，其运行特性具备很强的非线性，当MCSR接入电力系统中时，需要通过试验和运行经验全面掌握MCSR的实际运行特性，建立相应的电磁暂态模型，对其暂态运行特性进行详细的研究。但特高压MCSR研发成本高、生产和试验条件缺乏导致研制困难，目前国内外都还没有能力制造出样机，因此无法通过传统方法建立特高压MCSR的电磁暂态模型。. 为了解决上述问题，本项目完成了以下工作：. 1）研究了MCSR磁阀基于均匀化理论的有效磁化特性测量方法. 通过直接测量、多尺度均匀化等方法相结合，对MCSR内部磁性材料进行等效建模。研发了一种新型C型磁通测量传感器以及特殊设计的测量平台，在该平台上能够实时准确的测量铁心直流偏磁动态磁通特性，深入研究磁控并联电抗器的铁心中在直流偏磁作用下的动态磁通效应。. 2）基于多尺度均匀化理论大幅降低了MCSR电磁场模型的建模难度. 通过铁心有效磁化曲线的等效，有效简化了MCSR的建模难度。该建模方法能够在把握铁心磁性材料宏观特性的同时，又不失计算精度，有效减少了电磁场仿真中的网格剖分数量，提高了仿真速度。. 3）研究了MCSR的电磁场与电磁暂态场路耦合混合仿真方法。. 在电磁场模型的基础上，研究了电磁暂态网络和电磁场仿真动态等值模型之间的接口方法，明确了两种不同类型的仿真以何种结构对接、需要接口的数据类型和交换数据的时间。最后使用动态等值模型实现与电磁暂态模型的建模，通过混合仿真与实际样机输出波形的对比验证了建模的正确性。. 研究通过电磁场与电磁暂态的混合建模精确模拟MCSR在电网中运行的电磁暂态特性，改进了现有MCSR及类似电磁装置的的建模理论，解决了MCSR的电磁暂态仿真问题，为特高压MCSR的工程应用提供新理论和新方法。