基于混合有限元法的油浸式变压器稳态流-热耦合场并行计算方法

针对油浸式变压器2维流-热耦合仿真计算效率低的问题,提出了基于混合有限元法的并行计算方法。首先,在Visual Studio 2019中采用C++语言实现无量纲最小二乘有限元法以及迎风有限元法的串行计算方法。然后,基于图形处理器(graphic processing unit,GPU)实现流体场的并行计算,针对单分区分匝模型对比分析了不同GPU卡在不同网格条件下的并行计算效率,分析结果表明数据规模越大,GPU卡流处理器越多并行效果越好。其次,基于Intel MKL(Intel math kernel library)函数库结合共享存储并行编程(open multi-processing,OpenMP)实现了2维温度场的并行计算,并对比分析了不同网格数量对并行效率的影响。最后,在此基础上提出了根据不同仿真条件的混合并行计算方法,并应用到大型油浸式变压器绕组模型的2维温升热点分析中。结果表明,相较于串行程序,混合有限元并行计算方法的加速比达到了69.5,实验测试结果进一步验证了并行计算结果的准确性,研究成果为大型油浸式变压器流-热耦合问题的快速计算奠定了基础。

高海拔下干式整流变压器绕组温度场仿真分析

高海拔是电力设备长期安全稳定运行所面临的一项挑战。对干式电力变压器而言,气压和空气密度的降低使散热条件变差,绕组平均温升、热点温升成为关键考核指标之一。基于有限元软件开展仿真计算,在产品设计阶段对数字样机在高海拔下的绕组温升分布进行全面模拟,直观展示不同组部件的温度差异,提取平均温升和热点温升数值,预估产品运行性能,为产品结构优化提供数据参考。

基于最小热阻力法则的油浸式变压器绕组等效导热系数计算方法及应用

准确计算变压器绕组温升及热点需要考虑绕组匝间绝缘的影响,而考虑匝间绝缘的精细建模的建模工作量和剖分网格量都非常大。针对此问题,提出了一种基于最小热阻力法则的等效导热系数计算方法,分别计算油浸式电力变压器绕组的轴向等效导热系数和径向等效导热系数,从而可以获得等效导热系数下的饼式绕组来模拟考虑匝间绝缘的实际绕组结构。为了验证所提方法的有效性,建立了油浸式变压器绕组温升仿真模型,将等效模型的仿真结果与考虑匝间绝缘的仿真结果进行温升和热点的对比分析。结果表明二者的温升和热点位置基本一致,且等效模型减少了72%的网格剖分量,验证了所提方法的有效性。将所提方法应用于换流变压器网侧和阀侧绕组的温升和热点分析,得到了换流变压器的绕组温升和热点分布。

基于GPU并行加速变压器二维瞬态流场问题的研究及应用

针对采用无量纲最小二乘有限元法计算变压器二维瞬态流体场问题时计算时间长,效率低的问题,拟采用GPU对瞬态流体场程序进行并行加速。将瞬态流体场计算程序中计算量最大的两部分,即单元刚度阵的形成和稀疏线性方程组的求解,移植到GPU上运算,从而大幅减少计算时间。同时采用十字链表法和CSR稀疏存储结构存储方程组稀疏矩阵中的非零元素,以降低内存消耗。使用方腔驱动流模型验证了GPU并行程序的有效性,并且并行程序加速比随方腔模型规模的增大而增大。将GPU并行程序应用于变压器绕组模型的瞬态流体场仿真分析,分析结果表明,相较于串行程序,GPU并行程序加速比达到16倍左右。论文所实现的基于GPU并行计算方法为产品级变压器瞬态流体场仿真奠定了基础。

基于三角形网格的无量纲最小二乘有限元法及其应用

利用最小二乘有限元法计算二维流体场需要采用四边形网格,而仅采用四边形单元剖分含有角环、圆角和尖角等复杂结构的电力装备二维仿真模型时往往出现网格畸变。为此,提出了一种基于三角形网格实现最小二乘有限元的方法,即在三角形剖分网格上再处理得到四边形网格,从而实现最小二乘有限元法计算流体场。为验证所提方法的有效性,分别对方腔模型和带有角环等复杂结构的变压器单分区模型进行了数值计算,并分别与规则四边形网格下的最小二乘有限元法和Fluent计算结果进行对比。对比结果表明所提出的网格处理方法可以实现含有复杂结构电力装备的二维流体场仿真。

大型油浸式变压器绕组温度场仿真及验证

随着计算机技术的发展,仿真计算逐渐应用到大型变压器绕组温升优化设计中,为了验证仿真计算结果的有效性,在现有大型油浸变压器绕组温度实验平台上,针对强油导向(ODAF)冷却方式开展了功率损耗为55 kW,流量为10 m^3/h绕组温度实验测量工作,实验平台采用空心无感绕组,有效避免了绕组涡流损耗计算不准确造成的热源误差,绕组的轴向、辐向方向布置测温点共计44个。基于有限体积法对该实验工况下绕组的导向板、匝绝缘、油道结构等进行精细化建模仿真计算,对比结果验证了仿真计算的有效性,仿真结果得出了绕组温度随轴向、辐向方向变化规律及绕组的热点位置,为大型变压器绕组温度场优化设计提供参考。

温度对取向硅钢磁性能的影响

为研究不同环境温度对取向硅钢片磁性能的影响,将25 cm爱泼斯坦方圈置于高低温试验箱中,分别测试了25、50、75、100、125℃下硅钢片30Q120磁性能,包括损耗曲线、磁化曲线、导磁率、矫顽力、剩余磁感应强度等,通过对试验结果的分析,得到了不同环境温度下取向硅钢片的磁性能变化规律,为今后变压器的优化设计提供了参考依据。

光伏组件逆变器控制系统设计

设计了一种光伏组件逆变器控制系统,控制系统由最大功率点追踪、孤岛检测、数字锁相环、电流控制环等构成,实验样机测试表明,该控制系统控制性能良好,逆变器能够成功并网运行。

光伏并网微型逆变器的高频变压器设计

针对用于光伏并网微型逆变器中的标准高频变压器购买难的问题,应用功率体积法设计了一款交错反激高频变压器,对高频变压器的磁芯、绕组导线、电感、绕组布置等进行设计和计算。实验样机测试表明,高频变压器工作状态良好,逆变器能够成功并网运行,逆变效率达到95.5%,并网电流谐波畸变率小于4%。

平面变压器在逆变电源中的应用

设计制作了500,1000,3000,5000W等容量的平面变压器替代高频链逆变电源原有的传统高频变压器,并进行了实验验证,实验结果表明平面变压器在体积、效率、电能质量、温升、漏感等方面都优于传统高频变压器,提高了逆变电源的性能指标,具有一定的工程应用价值。

基于混合有限元法和降阶技术的油浸式变压器绕组2维瞬态流-热耦合场分析

为准确快速计算油浸式变压器绕组的瞬态温度场,提出了一种基于混合有限元法和降阶技术的2维瞬态流-热耦合计算方法。采用无量纲最小二乘有限元法计算绕组瞬态流场分布,在奇异值分解的基础上构建瞬态流场的降阶模型。采用迎风有限元法计算瞬态温度场,计算过程中考虑变压器油的物性参数受温度影响和绕组损耗的温度效应。采用顺序迭代法求解变压器绕组的瞬态流–热耦合问题。以产品级油浸式变压器局部绕组实验模型为例,采用所提的混合算法和Fluent软件对此实验模型的瞬态流场和温度场进行仿真计算,并与实验测量数据进行对比,所提混合算法和Fluent软件计算出的热点温度最大误差分别为1.02 K和2.5 K,加入降阶技术后,计算速度提升了6.43倍,验证了此混合算法的准确性和高效性。

特高压干式平波电抗器电流分布和漏磁场特性的数值分析

对干式平波电抗器绕组漏磁场、并联支路电流和电感进行了仿真计算,并检验了计算方法与结果的有效性。

交错反激电路在微型逆变器中的应用

设计了一种新型交错反激电路,用于前端DC/DC转换,并成功应用于并网型微型逆变器。该主电路结构简单,两只主功率管交错导通,可减小输入输出电压电流纹波。高频变压器可实现输入输出电气隔离,具有高效率高可靠性等特点。此电路的应用提高了逆变器的性能指标,具有一定的实用性和工程应用价值。

匝间绝缘对变压器绕组温升及热点影响的仿真分析

针对变压器绕组温升及热点分析中往往忽略匝间绝缘的问题,利用Gambit建立了一组油浸式电力变压器低压绕组二维轴对称模型,模型考虑了绕组的匝间绝缘。在网格独立性验证的基础上,基于流体力学仿真软件Fluent仿真分析了该绕组的流体场和温度场分布,研究了匝间绝缘对温度分布的影响,同时分析了热源形式和入口速度的影响,分析模型及结果可供变压器设计人员和研究人员参考。

面向数字孪生模型应用的油浸式变压器绕组温度POD-RBFLP降阶计算方法

了解油浸式电力变压器绕组的温度情况是保证其运行稳定性的关键,也是当前针对油浸式变压器数字孪生分析的必然需求。为了快速地获得变压器绕组的稳态温度,该文提出一种基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和包含线性多项式的径向基函数响应面法(radial basis function response surface method including linear polynomial,RBFLP)的降阶计算模型。首先,讨论POD方法的降阶特性,并设计一种基于留一法交叉验证的自适应获得快照矩阵方法,以提高计算精度及效率;其次,采用响应面方法建立POD模态系数与绕组工况的相关关系,旨在实现通过绕组工况快速获得POD模态系数,从而跳过对降阶模型的复杂非线性计算,进而高效重构绕组温度场。相关算例表明,该方法具有较好的计算精度和效率,在50组测试工况下,与全阶计算相比,误差不超过2.5 K,且总计算时间仅为1.45 s;最后,基于110 kV变压器绕组搭建温升试验平台,试验结果表明,降阶计算结果相较于试验结果,平均计算误差不超过2 K,且单步计算时间仅为0.03 s,相较于同等规模的全阶计算,计算效率有较大幅度地提升。

无量纲最小二乘有限元法GPU实现及其在变压器绕组流场仿真中的应用研究

为了提高变压器流体场的计算效率,利用统一计算设备架构(compute unified device architecture,CUDA)实现流场的并行计算。首先基于C语言实现无量纲最小二乘有限元法的串行计算方法。然后在Visual Studio 2019+CUDA 10.2的环境下实现并行运算,对于串行程序中最耗时的线性方程组求解部分调用了CUDA自带的函数库进行优化;在大规模模型的数值计算中使用了十字链表格式存储整体刚度阵形成时的非零元素,以解决满阵存储时的内存不足问题。为验证所提方法的有效性,针对方腔模型,分析了不同剖分网格数量下的加速比,分析结果表明,数据规模越大并行效果越好,验证了无量纲最小二乘有限元并行程序的准确性和高效性。最后将该方法应用到大型变压器绕组的流体场分析中,取得了18.3倍的加速效果,为产品级变压器的流体场仿真奠定了基础。

混合激励下变压器用电工材料特性及损耗测量研究

电网架构日趋复杂化,电力电子设备的增多,尤其是直流输电系统的发展,使电力设备激励工况由单一分量向基波、谐波、直流分量混合激励转变。而电工材料选型手册中提供的参数是在标准工况下测得,混合激励作用下,材料电气参数发生改变,电工材料中损耗测量方法随之发生改变。设计镜像补偿测量方案,精准测量混合激励工况下,铜板、硅钢叠片中的损耗数据,为模拟仿真模型建立和求解提供数据参照标的。