基于动态耦合电感矩阵的高功率超大电流变流器瞬态电磁场研究

Although high-powered large converters are employed widely in industrial and scientific applications all over the world, theories upon transient electromagnetic (EM) field of the converters are rare. This project focuses on the systematic analysis and mathematical modeling upon transient EM field of high-powered large current converters. A novel space vector dynamic mathematical model based on dynamic coupling inductance matrix is presented and utilized to describe the EM field within and around the converter. On the basis of that model and the inductance matrix, dynamic current balance, Fault Suppression Capacity (FSC), EMC, safety and reliability of the converter are studied in detail, and principle theory analysis, simulation and experimental verification are performed to handle these key problems. As a result of analysis on iterative algorithm of dynamic coupling inductance matrix and space vector dynamic model, a dynamic EM model of the converter is carried out. Principles and methods to improve dynamic current balance are presented resulting in the study on EM structure of converter. Strategies and suggestions to improve FSC and EMC are derived from studies of faults and their respectively EM fields. A prediction and assessment system upon safety and reliability of converters is built based on the Markov chain model of converter operation. Finally, a systematic theory and method set on transient EM field of high-powered large current converter is established, which is expected to offer theoretical and technical reference for high-powered large current applications.

高功率超大电流变流器在国内外的工业和科研应用虽已相当广泛，但对其瞬态电磁场进行系统研究的论著却相当罕见。本项目旨在对超大电流变流器瞬态电磁场及其相关问题开展数学建模和理论研究。提出并研究了一种基于动态耦合电感矩阵对变流器瞬态电磁场进行空间矢量动态建模的新颖方法，并以该瞬态电磁模型为基础，重点围绕变流器的动态均流、故障抑制能力、电磁兼容和安全可靠性进行了深入的分析和研究。研究动态耦合电感矩阵的精确算法和动态跟踪，建立了变流器瞬态电磁场的数学模型；研究变流器动态均流，提出一系列改善动态均流的思想和方法；研究变流器典型动态过程的电磁和结构应力分布，给出了提高故障抑制能力和优化电磁兼容的建议和策略；研究以变流器运行为对象的马尔科夫链模型，建成了变流器安全可靠性综合评价系统。最终形成基于动态耦合电感矩阵，关于变流器瞬态电磁场的理论体系和方法集合。为超大电流变流设备的发展和应用提供理论和技术支撑

电磁场和电磁关系的分析和研究是大电流设备研发和应用的首要问题。本项目旨在深入揭示超大电流变流器内部导体的电磁耦合关系，建立其内部导体的动态电感矩阵和瞬态电磁数学模型，形成超大电流变流器电磁结构分析的系统方法和设计导则。.本项目工作从分解和离散变流器导体入手，沿电流方向将导体离散成无数条平行的载流微管。在静态（理想直流）情况下，通过统一坐标系下的载流微管空间路径建模和导体区域积分，计算各导体分断的自感和互感，从而在理想直流情况下，建立变流器所有导体分断的电感矩阵 。.超大电流变流器的大截面导体，在桥臂换流或瞬态过程，存在严重的趋肤效应和邻近效应。对上述载流微管上，换流电流或瞬态电流进行频域分析和积分运算，获得以频率 为变量的动态电感矩阵。以动态电感矩阵为基础，结合各导体分断的动态电压和电流，建立了超大电流变流器瞬态电磁数学模型（见正文式（9））。.以该模型为基础，对超大电流变流器的均流特性进行研究，从电磁分布和电磁耦合的角度，定量分析影响变流桥臂均流的各个结构因素和桥臂均流系数的数学关系，针对性的制定优化变流器均流结构和提高均流系数的设计思路和方法。同时，以该模型为基础，研究变流器运行和故障状态下的杂散磁场分布，分析在超大电流磁场环境下电子或电磁设备的运行性能。从而为超大电流磁环境中的电磁兼容设计，提供丰富的数据支持和理论参考。.本项目建立的超大电流变流器电磁数学模型及以之为基础的电磁研究，为国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）的超大型全超导托卡马克装置的极向场（Poloidal Field，PF）变流器设计提供扎实理论基础和设计指导。该变流器额定输出55kA电流，具有350kA的故障抑制能力，目前已完成8套变流器单元的生产和试验验证工作，该变流器各项参数，尤其电磁相关参数，明显优于设计要求，获得广泛的国内和国际好评。以该变流器为核心设备的聚变电源研究课题，荣获安徽省2015年科技进步一等奖，以表彰申请人所属团队做出的出色科研成绩。