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)，這不僅促進了清潔能源的應(yīng)用，同時也給電網(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。

2、在這樣的背景下，由于非線性負荷的增加，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了顯著的諧波污染現(xiàn)象。這些高頻諧波會引發(fā)一系列問題，其中包括對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，會在其內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的電磁力，這些電磁力進一步導(dǎo)致繞組振動，進而影響到整個電抗器的機械穩(wěn)定性。

3、目前，在實際應(yīng)用中，特別是對于干式空心電抗器而言，隨著電網(wǎng)容量和電壓等級的提升，由電磁力引起的振動問題變得更為突出。傳統(tǒng)的設(shè)計方法難以準(zhǔn)確預(yù)測繞組在復(fù)雜電磁環(huán)境下所產(chǎn)生的變形量及位移，這使得電抗器在長期運行過程中可能會出現(xiàn)振動加劇的情況，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特性的方法顯得尤為重要。

技術(shù)實現(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)振動分析方法和相關(guān)裝置，旨在通過磁固耦合的方式，進行電抗器的模態(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下電抗器的振動狀況，從而為諧波引發(fā)電抗器振動特性的研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2、為了實現(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)振動分析方法，包括如下步驟：

4、對電抗器振動仿真模型進行模態(tài)分析計算，得到電抗器在不同模態(tài)階數(shù)下的固有頻率和振型；

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

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

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

8、進一步的，電抗器的固有頻率和振型以及動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)均是通過求解結(jié)構(gòu)運動方程得到的，結(jié)構(gòu)運動方程如下：

9、

10、式中，為電抗器振動仿真模型的質(zhì)量矩陣，為電抗器振動仿真模型的阻尼矩陣，為電抗器振動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、進一步的，對電抗器振動仿真模型進行模態(tài)分析計算，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)運動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)的自由振動方程如下：

13、

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

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、進一步的，對映射電磁力后的電抗器振動仿真模型進行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括：

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

19、將電磁力作為外加荷載求解每個頻率點的結(jié)構(gòu)運動方程，得到每個頻率點的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

20、進一步的，將電磁力作為外加荷載求解每個頻率點的結(jié)構(gòu)運動方程，得到每個頻率點的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括：

21、令，代入無阻尼結(jié)構(gòu)的自由振動方程中并進行求解，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態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

23、進一步的，放大系數(shù)的計算表達式如下：

24、

25、式中，為模態(tài)阻尼比，為固有角頻率。

26、進一步的，電磁力的計算表達式如下：

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)強度；df為線圈單位長度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)振動分析裝置，包括：

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

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

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

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

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

35、存儲器用于存儲計算機程序，并將計算機程序的指令發(fā)送至處理器；

36、處理器根據(jù)計算機程序的指令執(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)振動分析方法。

37、第四方面，本發(fā)明提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，計算機可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機程序，計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(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)振動分析方法和相關(guān)裝置，包括對電抗器振動仿真模型進行模態(tài)分析計算，得到電抗器在不同模態(tài)階數(shù)下的固有頻率和振型；計算設(shè)定電流激勵下電抗器的電磁力，并將電磁力映射到電抗器振動仿真模型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中；在固有頻率的范圍內(nèi)，對映射電磁力后的電抗器振動仿真模型進行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；基于不同頻率下電抗器的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)、固有頻率和振型分析電抗器各個部位在不同頻率下的振動特性。本發(fā)明通過磁固耦合的模態(tài)分析和精確的電磁力計算，結(jié)合掃頻分析獲取電抗器在寬頻諧波條件下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而全面評估其振動特性，為電抗器的設(shè)計優(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分析的準(zhǔn)確性和實用性。

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態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)均是通過求解結(jié)構(gòu)運動方程得到的，所述結(jié)構(gòu)運動方程如下：

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)振動分析方法，其特征在于，對電抗器振動仿真模型進行模態(tài)分析計算，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)振動分析方法，其特征在于，對映射所述電磁力后的所述電抗器振動仿真模型進行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動態(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所述頻率點的所述結(jié)構(gòu)運動方程，得到每個所述頻率點的動態(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)振動分析方法，其特征在于，所述放大系數(shù)的計算表達式如下：

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)振動分析方法，其特征在于，所述電磁力的計算表達式如下：

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

9.一種計算機設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括處理器以及存儲器：

10.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1-7中任一項所述的一種寬頻諧波條件下干式空心電抗器模態(tài)振動分析方法。

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)振動分析方法和相關(guān)裝置，包括對電抗器振動仿真模型進行模態(tài)分析計算，得到電抗器在不同模態(tài)階數(shù)下的固有頻率和振型；計算設(shè)定電流激勵下電抗器的電磁力，并將電磁力映射到電抗器振動仿真模型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中；在固有頻率的范圍內(nèi)，對映射電磁力后的電抗器振動仿真模型進行掃頻分析，得到不同頻率下電抗器的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；基于計算得到的數(shù)據(jù)分析電抗器各個部位在不同頻率下的振動特性。本發(fā)明通過磁固耦合的模態(tài)分析和精確的電磁力計算，結(jié)合掃頻分析獲取電抗器在寬頻諧波條件下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而全面評估其振動特性，為電抗器的設(shè)計優(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
受保護的技術(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