本發(fā)明屬于電抗器，具體涉及一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法和相關(guān)裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，大量采用可再生能源的非線性設(shè)備正逐步接入電力系統(tǒng)，這不僅促進(jìn)了清潔能源的應(yīng)用，同時(shí)也給電網(wǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)。特別是隨著風(fēng)能、太陽能等間歇性能源的比例不斷提高，電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性面臨著前所未有的考驗(yàn)。

2、在這樣的背景下，由于非線性負(fù)荷的增加，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了顯著的諧波污染現(xiàn)象。這些高頻諧波會(huì)引發(fā)一系列問題，其中包括對(duì)各類電抗器性能的影響。具體來說，當(dāng)含有大量諧波成分的電流通過電抗器繞組時(shí)，會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的電磁力，這些電磁力進(jìn)一步導(dǎo)致繞組振動(dòng)，進(jìn)而影響到整個(gè)電抗器的機(jī)械穩(wěn)定性。

3、目前，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是對(duì)于干式空心電抗器而言，隨著電網(wǎng)容量和電壓等級(jí)的提升，由電磁力引起的振動(dòng)問題變得更為突出。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)繞組在復(fù)雜電磁環(huán)境下所產(chǎn)生的變形量及位移，這使得電抗器在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)加劇的情況，甚至影響到周邊環(huán)境的噪聲水平。因此，開發(fā)一種能夠精確分析電抗器在工頻及諧波條件下電磁振動(dòng)特性的方法顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法和相關(guān)裝置，旨在通過磁固耦合的方式，進(jìn)行電抗器的模態(tài)分析，找出其固有頻率和模態(tài)振型，并在此基礎(chǔ)上研究工頻電流激勵(lì)下電抗器的振動(dòng)狀況，從而為諧波引發(fā)電抗器振動(dòng)特性的研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法，包括如下步驟：

4、對(duì)電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，得到電抗器在不同模態(tài)階數(shù)下的固有頻率和振型；

5、計(jì)算設(shè)定電流激勵(lì)下電抗器的電磁力，并將電磁力映射到電抗器振動(dòng)仿真模型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中；

6、在固有頻率的范圍內(nèi)，對(duì)映射電磁力后的電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；

7、基于不同頻率下電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)、固有頻率和振型分析電抗器各個(gè)部位在不同頻率下的振動(dòng)特性。

8、進(jìn)一步的，電抗器的固有頻率和振型以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)均是通過求解結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程得到的，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程如下：

9、

10、式中，為電抗器振動(dòng)仿真模型的質(zhì)量矩陣，為電抗器振動(dòng)仿真模型的阻尼矩陣，為電抗器振動(dòng)仿真模型的剛度矩陣，為力矢量，為位移矢量，為速度矢量，為加速度矢量。

11、進(jìn)一步的，對(duì)電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，得到電抗器在不同模態(tài)階數(shù)下的固有頻率和振型，包括：

12、將結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程中的力矢量和阻尼矩陣設(shè)為零，得到無阻尼結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)方程如下：

13、

14、令，則，為角頻率，為振型向量，為時(shí)間變量，代入自由振動(dòng)方程得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特征方程如下：

15、

16、求解特征方程得到第階模態(tài)的固有頻率和模態(tài)振型。

17、進(jìn)一步的，對(duì)映射電磁力后的電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括：

18、根據(jù)設(shè)定頻率步長(zhǎng)在固有頻率的范圍內(nèi)確定需要計(jì)算的頻率點(diǎn)；

19、將電磁力作為外加荷載求解每個(gè)頻率點(diǎn)的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，得到每個(gè)頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

20、進(jìn)一步的，將電磁力作為外加荷載求解每個(gè)頻率點(diǎn)的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，得到每個(gè)頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括：

21、令，代入無阻尼結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)方程中并進(jìn)行求解，得到，，其中，為外加荷載的幅值，為放大系數(shù)，為角頻率，為時(shí)間變量，為等效剛度；

22、將得到的位移矢量和加速度矢量作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

23、進(jìn)一步的，放大系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式如下：

24、

25、式中，為模態(tài)阻尼比，為固有角頻率。

26、進(jìn)一步的，電磁力的計(jì)算表達(dá)式如下：

27、

28、式中，為電抗器載流線圈流過的電流；為線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度；df為線圈單位長(zhǎng)度dl上的電磁力。

29、第二方面，本發(fā)明提供了一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析裝置，包括：

30、模態(tài)分析模塊，用于對(duì)電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，得到電抗器在不同模態(tài)階數(shù)下的固有頻率和振型；

31、電磁力計(jì)算模塊，用于計(jì)算設(shè)定電流激勵(lì)下電抗器的電磁力，并將電磁力映射到電抗器振動(dòng)仿真模型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中；

32、諧波響應(yīng)計(jì)算模塊，用于在固有頻率的范圍內(nèi)，對(duì)映射電磁力后的電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；

33、振動(dòng)計(jì)算結(jié)果分析模塊，用于基于不同頻率下電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)、固有頻率和振型分析電抗器各個(gè)部位在不同頻率下的振動(dòng)特性。

34、第三方面，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，設(shè)備包括處理器以及存儲(chǔ)器：

35、存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序，并將計(jì)算機(jī)程序的指令發(fā)送至處理器；

36、處理器根據(jù)計(jì)算機(jī)程序的指令執(zhí)行如第一方面的一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法。

37、第四方面，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如第一方面的一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法。

38、綜上，本發(fā)明提供了一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法和相關(guān)裝置，包括對(duì)電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，得到電抗器在不同模態(tài)階數(shù)下的固有頻率和振型；計(jì)算設(shè)定電流激勵(lì)下電抗器的電磁力，并將電磁力映射到電抗器振動(dòng)仿真模型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中；在固有頻率的范圍內(nèi)，對(duì)映射電磁力后的電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；基于不同頻率下電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)、固有頻率和振型分析電抗器各個(gè)部位在不同頻率下的振動(dòng)特性。本發(fā)明通過磁固耦合的模態(tài)分析和精確的電磁力計(jì)算，結(jié)合掃頻分析獲取電抗器在寬頻諧波條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而全面評(píng)估其振動(dòng)特性，為電抗器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。這一方法顯著提升了電抗器振動(dòng)分析的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

技術(shù)特征：

1.一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法，其特征在于，電抗器的所述固有頻率和所述振型以及所述動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)均是通過求解結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程得到的，所述結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法，其特征在于，對(duì)電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，得到電抗器在不同模態(tài)階數(shù)下的固有頻率和振型，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法，其特征在于，對(duì)映射所述電磁力后的所述電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法，其特征在于，將所述電磁力作為外加荷載求解每個(gè)所述頻率點(diǎn)的所述結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，得到每個(gè)所述頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法，其特征在于，所述放大系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法，其特征在于，所述電磁力的計(jì)算表達(dá)式如下：

8.一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析裝置，其特征在于，包括：

9.一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括處理器以及存儲(chǔ)器：

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動(dòng)分析方法和相關(guān)裝置，包括對(duì)電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，得到電抗器在不同模態(tài)階數(shù)下的固有頻率和振型；計(jì)算設(shè)定電流激勵(lì)下電抗器的電磁力，并將電磁力映射到電抗器振動(dòng)仿真模型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中；在固有頻率的范圍內(nèi)，對(duì)映射電磁力后的電抗器振動(dòng)仿真模型進(jìn)行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；基于計(jì)算得到的數(shù)據(jù)分析電抗器各個(gè)部位在不同頻率下的振動(dòng)特性。本發(fā)明通過磁固耦合的模態(tài)分析和精確的電磁力計(jì)算，結(jié)合掃頻分析獲取電抗器在寬頻諧波條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而全面評(píng)估其振動(dòng)特性，為電抗器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

技術(shù)研發(fā)人員：羅顏,鐘榮富,卓然,汪萬偉,成傳暉,王植,陳秋霖,李元佳,趙思誠,闕韻鋒,侯營(yíng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23