电力变压器谐波磁特性模拟与谐波磁损耗有效算法研究

Under harmonic excitation condition, the iron loss, temperature and noise of transformers will increase greatly, which is very harmful to the transformer’s normal operation. Therefore, it is very significant for the researchers do make an accurate analysis of the distribution of magnetic field and the loss in the transformer core under the harmonic excitation which is very significant for the electromagnetic design , structure optimization and the Grid stable operation and has great application prospects.This project focuses on the proper analysis of the material simulation and loss under the harmonic excitation condition and testify its effectiveness, which has not been systematically introduced in research report at home and abroad. Basing on practical transformer core model, it is important for building a harmonic experiment platform of oriented electrical steel material, putting forward the harmonic magnetic properties measurement methods. According to the parameters of the materials doing an actual measurement and numerical simulation and making an accurate description of magnetization process of materials under harmonic excitation conditions, It is important that making oriented electrical steel harmonic feature models on different harmonic magnetic fields, which includes the local hysteresis model and core loss model of the hysteresis loop back. Basing on the practical need of the engineering and research doing an research on modeling of magnetic field, analysis method, practical and effective calculation method for core loss under the harmonic excitation magnetic field and testifying the method’s effectiveness through grade product model and the actual transformer which has important guiding significance for the structure optimization and analysis of electromagnetic properties during the product design period .

随着特高压直流输电工程的快速发展，越来越多的电气设备将会受到谐波问题的影响。谐波磁场作用下电气设备的损耗、温升、噪声显著增加，影响其安全可靠运行。因此，精确地测量和模拟谐波激励条件下电工材料的磁性能，分析和计算谐波磁场作用下电气设备的磁场以及损耗分布，对产品的电磁设计和结构优化以及电网的安全运行具有重要的理论价值和工程科学意义。该项目重点研究谐波激励条件下取向电工钢磁特性模拟技术及磁损耗问题的分析方法并检验其工程有效性，这在国内外未见系统的研究报道。本项目的主要研究内容为（1）谐波激励条件下取向电工钢材料的磁滞特性和损耗特性测试系统和测量方法研究；（2）考虑多变量条件（谐波含量、谐波相位、谐波阶次）的取向电工钢磁滞数学模型和磁损耗数学模型研究；（3）研究面向工程需求的谐波磁场建模、分析及谐波磁损耗实用有效的计算方法，并以产品级模型和已建立的国际基准模型为例验证方法的正确性、可行性。

近年来，各种非线性电力设备和高频开关器件的广泛应用导致电网电压发生畸变，使电网遭受谐波污染。谐波磁场作用下电气设备的损耗、温升、噪声显著增加，影响其安全可靠运行。因此，精确地测量和模拟谐波激励条件下电工材料的磁性能，分析和计算谐波磁场作用下电气设备的磁场以及损耗分布，对产品的电磁设计和结构优化以及电网的安全运行具有重要的理论价值和工程科学意义。该项目重点研究谐波激励条件下取向电工钢磁特性模拟技术及磁损耗问题的分析方法并检验其工程有效性，主要研究内容包括：谐波激励条件下取向电工钢材料的磁滞特性和损耗特性测试系统和测量方法；考虑多变量条件的谐波磁滞数学模型和损耗数学模型；谐波磁场建模、分析及谐波磁损耗有效计算方法。. 基于本项目研究，取得了如下研究成果：（1）搭建了磁性能测试平台，对不同谐波磁场作用下铁心模型的磁性能进行了实验测量（磁化特性、磁滞特性、损耗特性等），并对上述两种方案测量得到的磁性能数据进行了对比分析。详细分析了谐波相位、谐波含量以及谐波阶次对取向电工钢及构件磁性能的影响，为谐波激励条件下取向电工钢材料磁化特性的数值模拟以及材料和构件磁损耗的计算与验证，提供了重要的数据支撑；（2）建立了基于J-A磁滞模型和Energetic磁滞模型的谐波磁滞特性模拟方法，基于该模型对硅钢材料的谐波动态磁滞回线进行了数值预测；（3）提出了基于经典Steinmetz公式采用等效频率处理技术计算谐波磁损耗的方法，基于Bertotti损耗分离理论，提出了一种能够充分考虑非正弦励磁特性的谐波含量、谐波阶次、谐波相位以及局部磁滞回环影响的的磁损耗计算模型；（4）综合考虑铁磁材料的小透入深度现象和三维杂散场分布特征，提出一种适用于处理含铁磁材料的三维正弦涡流场问题的局部表面阻抗建模方法，实现了电工磁材料杂散损耗准确高效求解。本项目研究成果可为谐波激励条件下电工装备电磁性能分析、结构优化、发热预测提供新思路新方法。