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Thèse Année : 2023

Numerical analysis and model order reduction for insulation evaluation of converter transformers

Analyse numérique et réduction d'ordre de modèle pour l'évaluation de l'isolation des transformateurs convertisseurs

Résumé

The insulation safety of a converter transformer is of great importance to the reliable operation of the power grid. Converter transformers operate under strong electric field con-dition, where the coupling effects have a significant impact on the physical parameters of materials. The electric field dependence of oil-paper conductivity is nonlinear, which makes the insulation evaluation computationally intensive and time-consuming. Therefore, the de-velopment of a low-cost model for insulation evaluation is urgently needed, which could improve the efficiency of converter transformer design and manufacturing. In this thesis, the insulation states under two special operating conditions of convert-er transformers are studied. According to the characteristics of voltage polarity reversal conditions and composite AC-DC voltages, two reduced-order models are proposed to de-crease the computational complexity. In addition, the space charge effect on insulation state is considered. The main work and achievement can be summarized as follows : Firstly, the insulation state under voltage polarity reversal is studied considering the nonlinear electric field dependence of anisotropic conductivity of insulating materials. To decrease the computational expenses, reduced-order model based on Proper Orthogonal De-composition-QR Factorization Discrete Empirical Interpolation Method (POD-QDEIM) is developed. POD is utilized to reduce the degrees of freedom of variables to be solved, while QDEIM reduces the computational complexity of the nonlinear terms. Moreover, the error bound analysis of QDEIM is conducted, and the results show that QDEIM has a better error bound than conventional DEIM. Secondly, the insulation state under composite AC-DC periodic voltage is studied. For this period problem, Harmonic Balance Method (HBM) is utilized, and it is combined with Proper Generalized Decomposition (PGD) to reduce the order of coefficient matrix. In this work, the electro-quasi-static field is deduced in HBM/PGD scheme, QDEIM is adopted into HBM/PGD to update the nonlinear term of conductivity. The key of HBM/PGD-QDEIM is to utilize the low-order tensors to approximate the variable to be solved in frequency-domain, so the method can shorten the computational expenses significantly. In addition, the space-time separated penalty function method is proposed to treat the time-variant Dirichlet boundary condition. Thirdly, to study the space charge effect on the insulation state, the upstream finite element method based (UFEM) on vector sum is proposed to study the charge transport in flowing transformer oil. This method can estimate the direction of charge transport by the combined vector sum of the migration and the convection. Based on the bipolar charge mod-el, the injection, the recombination, the trap-detrap process are all considered in this meth-od. To validate the proposed reduced-order models, numerical converter transformer models are constructed to analyse the insulation state and compared with full-order model results. Additionally, the UFEM based on the vector sum is applied in oil-duct models to study the distribution of space charge. These models and results could provide theory basis and reference information for the insulation design of converter transformer.
La sécurité de l'isolation des transformateurs convertisseurs est d'une grande importance pour le fonctionnement fiable du réseau électrique. Transformateurs convertisseurs fonctionnent dans des conditions de champ électrique intense, où les effets de couplage ont un impact significatif sur les paramètres physiques des matériaux. La dépendance du champ électrique de la conductivité d’huile-papier est non linéaire, ce qui fait que l'évaluation de l'isolation nécessite des ressources informatiques intensives et du temps de calcul important. Par conséquent, le développement d'un modèle peu coûteux pour l'évaluation de l'isolation est nécessaire de toute urgence, Ce modèle pourrait améliorer l'efficacité de la conception et de la fabrication des transformateurs convertisseurs. Dans cette thèse, l'état de l'isolation dans deux conditions de fonctionnement particulières des transformateurs convertisseurs est étudié. En fonction des caractéristiques des conditions d'inversion de la polarité de la tension et de tension composite AC-DC, deux modèles d'ordre réduit sont proposés pour réduire la complexité des calculs. En outre, l'effet de la charge d'espace sur l'état d'isolation est considéré. Les principaux travaux et réalisations peuvent être résumés comme suit : Tout d'abord, l'état de l'isolation en cas d'inversion de la polarité de la tension est étudié en tenant compte de la dépendance non linéaire du champ électrique de la conductivité anisotrope de l’isolant. Pour réduire les coûts de calcul, un modèle d'ordre réduit basé sur la Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres (POD) - la méthode d'interpolation empirique discrète combinée avec la décomposition QR (QDEIM) est développé. La POD est utilisée pour réduire les degrés de liberté des variables à résoudre, tandis que la QDEIM ré-duit la complexité des termes non linéaires. En outre, l'analyse de la borne d'erreur de la QDEIM est effectuée, et les résultats montrent que la QDEIM a une meilleure borne d'erreur que la DEIM conventionnelle. Deuxièmement, l'état de l'isolation sous une tension composite AC-DC périodique est étudié. Pour ce problème périodique, la méthode de l'équilibrage harmonique (HBM) est utilisée, et elle est combinée avec la Décomposition Propre Généralisée (PGD) pour réduire l'ordre de la matrice des coefficients. Dans cette étude, le champ électro-quasi-statique est déduit du schéma HBM/PGD, et QDEIM est adopté dans HBM/PGD pour mettre à jour le terme non linéaire de la conductivité. La clé de HBM/PGD-QDEIM est d'utiliser les tenseurs d'ordre inférieur pour approximer la variable à résoudre dans le domaine des fréquences, de sorte que la méthode peut réduire les dépenses de calcul de manière significative. En outre, la méthode de la fonction de pénalité séparée dans l'espace-temps est proposée pour traiter la condition limite de Dirichlet variable dans le temps. Troisièmement, pour étudier l'effet de la charge d'espace sur l'état d'isolation, une méthode des éléments finis "upstream" (UFEM) basée sur la somme vectorielle est proposée pour étudier le transport de charge dans l'huile de transformateur en circulation. Cette méthode peut estimer la direction du transport de charge par la somme vectorielle combinée de la migration et de la convection. Basée sur le modèle de charge bipolaire, l'injection, la re-combinaison, le processus de piégeage-dépiégeage sont tous pris en compte dans cette méthode. Pour valider les modèles d'ordre réduit proposés, des modèles numériques de trans-formateurs convertisseurs sont construits pour analyser l'état d'isolation et sont comparés aux résultats des modèles d'ordre complet. De plus, la UFEM basée sur la somme vectorielle est appliquée dans les modèles de conduits d'huile pour étudier la distribution de la charge d'espace. Ces modèles et résultats pourraient fournir une base théorique et des informations de référence pour la conception d'isolation de transformateurs convertisseurs.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-04561281 , version 1 (26-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04561281 , version 1

Citer

Cheng Chi. Numerical analysis and model order reduction for insulation evaluation of converter transformers. Engineering Sciences [physics]. Sorbonne universite; Chongqing university, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04561281⟩
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