一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法和相关装置与流程

本发明属于电抗器，具体涉及一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法和相关装置。

背景技术：

1、随着全球能源结构的转型，大量采用可再生能源的非线性设备正逐步接入电力系统，这不仅促进了清洁能源的应用，同时也给电网带来了新的挑战。特别是随着风能、太阳能等间歇性能源的比例不断提高，电网的稳定性和可靠性面临着前所未有的考验。

2、在这样的背景下，由于非线性负荷的增加，电力系统中出现了显著的谐波污染现象。这些高频谐波会引发一系列问题，其中包括对各类电抗器性能的影响。具体来说，当含有大量谐波成分的电流通过电抗器绕组时，会在其内部产生复杂的电磁力，这些电磁力进一步导致绕组振动，进而影响到整个电抗器的机械稳定性。

3、目前，在实际应用中，特别是对于干式空心电抗器而言，随着电网容量和电压等级的提升，由电磁力引起的振动问题变得更为突出。传统的设计方法难以准确预测绕组在复杂电磁环境下所产生的变形量及位移，这使得电抗器在长期运行过程中可能会出现振动加剧的情况，甚至影响到周边环境的噪声水平。因此，开发一种能够精确分析电抗器在工频及谐波条件下电磁振动特性的方法显得尤为重要。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法和相关装置，旨在通过磁固耦合的方式，进行电抗器的模态分析，找出其固有频率和模态振型，并在此基础上研究工频电流激励下电抗器的振动状况，从而为谐波引发电抗器振动特性的研究提供理论依据和技术支持。

2、为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法，包括如下步骤：

4、对电抗器振动仿真模型进行模态分析计算，得到电抗器在不同模态阶数下的固有频率和振型；

5、计算设定电流激励下电抗器的电磁力，并将电磁力映射到电抗器振动仿真模型的结构网格中；

6、在固有频率的范围内，对映射电磁力后的电抗器振动仿真模型进行扫频分析，得到不同频率下电抗器的动态响应数据；

7、基于不同频率下电抗器的动态响应数据、固有频率和振型分析电抗器各个部位在不同频率下的振动特性。

8、进一步的，电抗器的固有频率和振型以及动态响应数据均是通过求解结构运动方程得到的，结构运动方程如下：

9、

10、式中，为电抗器振动仿真模型的质量矩阵，为电抗器振动仿真模型的阻尼矩阵，为电抗器振动仿真模型的刚度矩阵，为力矢量，为位移矢量，为速度矢量，为加速度矢量。

11、进一步的，对电抗器振动仿真模型进行模态分析计算，得到电抗器在不同模态阶数下的固有频率和振型，包括：

12、将结构运动方程中的力矢量和阻尼矩阵设为零，得到无阻尼结构的自由振动方程如下：

13、

14、令，则，为角频率，为振型向量，为时间变量，代入自由振动方程得到结构振动的特征方程如下：

15、

16、求解特征方程得到第阶模态的固有频率和模态振型。

17、进一步的，对映射电磁力后的电抗器振动仿真模型进行扫频分析，得到不同频率下电抗器的动态响应数据，包括：

18、根据设定频率步长在固有频率的范围内确定需要计算的频率点；

19、将电磁力作为外加荷载求解每个频率点的结构运动方程，得到每个频率点的动态响应数据。

20、进一步的，将电磁力作为外加荷载求解每个频率点的结构运动方程，得到每个频率点的动态响应数据，包括：

21、令，代入无阻尼结构的自由振动方程中并进行求解，得到，，其中，为外加荷载的幅值，为放大系数，为角频率，为时间变量，为等效刚度；

22、将得到的位移矢量和加速度矢量作为动态响应数据。

23、进一步的，放大系数的计算表达式如下：

24、

25、式中，为模态阻尼比，为固有角频率。

26、进一步的，电磁力的计算表达式如下：

27、

28、式中，为电抗器载流线圈流过的电流；为线圈的磁感应强度；df为线圈单位长度dl上的电磁力。

29、第二方面，本发明提供了一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析装置，包括：

30、模态分析模块，用于对电抗器振动仿真模型进行模态分析计算，得到电抗器在不同模态阶数下的固有频率和振型；

31、电磁力计算模块，用于计算设定电流激励下电抗器的电磁力，并将电磁力映射到电抗器振动仿真模型的结构网格中；

32、谐波响应计算模块，用于在固有频率的范围内，对映射电磁力后的电抗器振动仿真模型进行扫频分析，得到不同频率下电抗器的动态响应数据；

33、振动计算结果分析模块，用于基于不同频率下电抗器的动态响应数据、固有频率和振型分析电抗器各个部位在不同频率下的振动特性。

34、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，设备包括处理器以及存储器：

35、存储器用于存储计算机程序，并将计算机程序的指令发送至处理器；

36、处理器根据计算机程序的指令执行如第一方面的一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法。

37、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法。

38、综上，本发明提供了一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法和相关装置，包括对电抗器振动仿真模型进行模态分析计算，得到电抗器在不同模态阶数下的固有频率和振型；计算设定电流激励下电抗器的电磁力，并将电磁力映射到电抗器振动仿真模型的结构网格中；在固有频率的范围内，对映射电磁力后的电抗器振动仿真模型进行扫频分析，得到不同频率下电抗器的动态响应数据；基于不同频率下电抗器的动态响应数据、固有频率和振型分析电抗器各个部位在不同频率下的振动特性。本发明通过磁固耦合的模态分析和精确的电磁力计算，结合扫频分析获取电抗器在宽频谐波条件下的动态响应数据，从而全面评估其振动特性，为电抗器的设计优化提供可靠的理论依据和技术支持。这一方法显著提升了电抗器振动分析的准确性和实用性。

技术特征：

1.一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法，其特征在于，电抗器的所述固有频率和所述振型以及所述动态响应数据均是通过求解结构运动方程得到的，所述结构运动方程如下：

3.根据权利要求2所述的宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法，其特征在于，对电抗器振动仿真模型进行模态分析计算，得到电抗器在不同模态阶数下的固有频率和振型，包括：

4.根据权利要求2所述的宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法，其特征在于，对映射所述电磁力后的所述电抗器振动仿真模型进行扫频分析，得到不同频率下电抗器的动态响应数据，包括：

5.根据权利要求4所述的宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法，其特征在于，将所述电磁力作为外加荷载求解每个所述频率点的所述结构运动方程，得到每个所述频率点的动态响应数据，包括：

6.根据权利要求5所述的宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法，其特征在于，所述放大系数的计算表达式如下：

7.根据权利要求1或5所述的宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法，其特征在于，所述电磁力的计算表达式如下：

8.一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析装置，其特征在于，包括：

9.一种计算机设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法。

技术总结本发明提供了一种宽频谐波条件下干式空心电抗器模态振动分析方法和相关装置，包括对电抗器振动仿真模型进行模态分析计算，得到电抗器在不同模态阶数下的固有频率和振型；计算设定电流激励下电抗器的电磁力，并将电磁力映射到电抗器振动仿真模型的结构网格中；在固有频率的范围内，对映射电磁力后的电抗器振动仿真模型进行扫频分析，得到不同频率下电抗器的动态响应数据；基于计算得到的数据分析电抗器各个部位在不同频率下的振动特性。本发明通过磁固耦合的模态分析和精确的电磁力计算，结合扫频分析获取电抗器在宽频谐波条件下的动态响应数据，从而全面评估其振动特性，为电抗器的设计优化提供可靠的理论依据和技术支持。技术研发人员：罗颜,钟荣富,卓然,汪万伟,成传晖,王植,陈秋霖,李元佳,赵思诚,阙韵锋,侯营受保护的技术使用者：南方电网科学研究院有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/12/23