特约主编寄语

电介质在电场作用下通过极化的方式存储电能,不涉及化学反应,具有充放电快的特点,在直线推进装备、电力系统、电动载运(汽车、舰船、飞机)等领域具有重要应用。电介质是电极化储能系统的关键核心材料之一,提高电介质材料的储能密度和寿命是这一领域的两大关键核心技术。国家自然科学基金委员会2020年启动了极端条件电磁能装备科学基础重大研究计划,已连续多年支持了直线推进电磁能装备极端条件颠覆性新电介质材料探索研究,并明确要求新型电介质材料的储能密度大于等于8 MJ/m^(3)(电压范围2~10 kV),充放电频率大于等于20次/min(毫秒级放电),寿命大于等于2万次,放电效率大于等于95%(10 kHz范围内),自放电时间常数大于等于1000 s(最高工作场强,工作温度≥80℃),这些富有挑战的指标给电介质储能材料的研究指明了方向。

永磁同步发电机匝间短路故障对绕组绝缘温升特性的影响

本文分析了永磁同步发电机匝间短路故障前后的绕组绝缘温升特性。首先推导了正常情况和匝间短路故障下的气隙磁通密度,相电流、铁心损耗和绕组铜耗解析表达式;然后建立了发电机三维有限元仿真模型,将电磁场中计算得到的各类损耗作为热源导入温度场计算绕组绝缘温度分布;最后实测了LR-5型故障模拟永磁同步发电机组在不同短路程度下的绕组绝缘温度,理论分析、仿真计算与实验结果相互吻合。结果表明:匝间短路故障后在故障绕组电流的作用下,绕组绝缘温度明显上升,并且随着短路程度的增加而加剧,由绕组绝缘热载荷分布不均而引起的变形、应变和应力也将增加;绕组鼻端处绝缘易因高温而受损,可通过改进冷却散热结构,或在鼻端绝缘局部涂覆耐热涂层提高鼻端绝缘的可靠性。

气隙偏心对同步发电机定子绕组温升特性的影响

为了分析同步发电机气隙偏心对定子绕组的铜耗及温升的影响规律。首先理论推导了正常情况和偏心下的磁通密度及相应的铜耗,分析了绕组的温升特性;然后建立了CS-5型故障模拟发电机的三维有限元模型,计算得到了发电机在不同负载和不同故障程度下定子绕组的铜耗和温度变化规律;最后在CS-5型故障模拟发电机上对定子绕组温度进行了实测,所得实验结果和仿真数据与理论分析结论基本一致。研究发现:定子绕组直线段温度高于端部温度;定子绕组的铜耗和温度在气隙偏心工况下均高于正常情况,且随着偏心量和负载的增加呈现升高趋势;在静偏心下靠近小气隙一侧的绕组温度高于其他部位。

考虑同步启动低频电流影响的蓄水电动机组继电保护配置方法

在蓄水电动机组继电保护配置过程中,因电动机组同步启动时参与同步振荡,导致低频电流幅值较大,影响电网运行的安全性。针对这一情况,提出考虑同步启动低频电流影响的蓄水电动机组继电保护配置方法。针对蓄水电动机组不同电压下的线路进行线路保护配置和整定,将保护装置与断路器相连,并制定一套阶段式保护,实现对蓄水电动机组线路的保护,在此基础上,根据电动机组的工作阶段采用两种不同的整定方式,实现对蓄水电动机组的过流保护,考虑同步启动低频电流的变化,改进低功率保护整定,自动调整低功率保护动作值。结果表明:提出的蓄水电动机组继电保护配置方法能够快速消除故障,及时调整机组工作状态。在该配置方法作用下,线路的连锁故障率比较低,进一步保障了蓄水电动机组的安全运行。

同步发电机定子铁心磁-热-固耦合计算分析

为分析发电机运行过程中定子铁心的损耗、温升及其在磁拉力和热应力综合作用下的机械结构响应,文中对同步发电机定子铁心进行磁-热-固多物理场耦合计算。首先,理论推导铁心损耗及其所受的单位面积磁拉力,分析铁心的温升特性,在此基础上解析得到铁心在磁拉力和非均匀热载荷耦合激励下的机械结构响应;然后,构建CS-5型故障模拟发电机作为有限元仿真的三维物理模型,计算得到铁心的单位面积磁拉力、损耗曲线和温度分布情况,并进一步计算获得磁拉力和热载荷同时作用下铁心的变形、应变和应力。结果表明:发电机在稳定运行后,定子齿槽温度最高;槽口处变形量最大,槽底应力较高。最后,通过热电偶和温度巡检仪对CS-5型故障模拟发电机在实际运行过程中的定子铁心端面、槽内和外圆表面的温升进行实时监测,实测的定子铁心温度场分布和有限元仿真结果相吻合,验证了磁-热-固多物理场耦合方法的有效性。文中获得了定子铁心的温度分布规律及其在磁-热耦合激励下的机械结构响应分布规律,为发电机结构逆向优化设计及定子铁心变形预防提供了技术参考。

大型发电设备装配场地的设计及安装

本文根据目前大型发电设备装配场地水平精度低,承载能力差,适应产品变化能力弱,可移动起吊设备挪位安装困难等问题,提出了新的建造技术方案,保证了后继电站三大主机设备优质、高效装配的需要。

不平衡负载下改进光储VSG控制算法

这里提出了一种基于改进虚拟同步发电机(VSG)控制算法的不平衡负载储能系统优化方法,旨在提高电网输出电压稳定性。首先,建立了基于电机瞬态模型的储能系统数学模型。然后,提出了一种分序控制方案,该方案采用双二阶广义积分器(DSOGI)分离出三相电压的正序和负序分量,通过负序虚拟复阻抗技术抵消负序电流在连线阻抗上造成的电压降,从而使2倍频分量消除,避免负载三相电压失衡。通过Matlab/Simulink软件搭建相应的仿真模型,模拟光伏储能系统带不平衡负载时的运行工况,发现该算法能够使稳态过程电压不平衡度从2.7%降为0.6%,暂态过程电压不平衡度峰值从3.2%降低到2.1%,验证所提方法能够有效地优化不平衡负载储能系统的运行性能,提高微电网的电压质量。

不平衡负载下基于VSG的自适应负序控制策略

逆变器带不平衡负载时,逆变器输出电压不平衡度过大,为此提出一种三相不平衡负载下基于虚拟同步发电机(VSG)的自适应负序控制策略。首先,建立逆变器数学模型,分析输出电压不平衡度过大原因。其次,正序VSG控制正序电压幅值和相角,自适应负序VSG抑制输出电压的负序分量。然后,通过建立VSG小信号模型进行稳定性分析,得出正序和负序VSG的转动惯量和阻尼的取值范围。最后,通过实验结果得出,电压不平衡度降为0.05%,暂态过程电压不平衡度峰值降低到1.8%,说明所提控制策略能有效抑制不平衡负载引起的三相电压不平衡。

泵电机启动后ON信号短时丢失原因分析

文中对泵电机启动后ON信号短时丢失现象进行了描述,对产生此类故障现象的可能原因进行了分析,针对可能原因展开了详细的故障原因查找和分析。通过对24V控制回路进行空载与带载录波对比分析,最终确认泵电机启动后ON信号短时丢失的根本原因,对400V低压开关柜的设计与维修具有理论和实践指导意义。

考虑风电机组故障电压穿越特性的连锁故障关键线路辨识

新能源的接入提高了电网连锁故障发生的概率,给故障传播中关键线路的辨识增加了难度。为此,建立了考虑风电机组故障电压穿越特性和线路可靠性的连锁故障仿真模型,从线路失负荷严重程度、失负荷不均匀性和结构脆弱性3个角度建立了线路综合风险指标评价集。基于状态故障网络计及线路失负荷程度和线路失负荷不均匀性,分别定义了失负荷风险指标和不均匀风险指标;基于电气介数提出了考虑分布式新能源接入的脆弱结构指标;同时,考虑电网的网络结构和状态转移特性,采用模糊熵权法定义综合风险指标,以衡量线路开断的综合影响。通过IEEE 39节点和IEEE 118节点系统算例验证所提方法用于关键线路辨识的有效性,且针对关键线路的缓解措施能显著降低大停电风险。

小型风力机叶片电加热融冰功率的影响因素

电加热融冰技术作为解决风力机叶片覆冰最为行之有效的方法,有必要对融冰功率的影响因素进行研究分析。为此以小型风力机覆冰叶片为研究对象,建立了叶片电加热融冰数值计算模型,阐述了数值求解过程;进而定义了临界融冰功率和限时融冰功率,并给出了相应的计算过程;通过对旋转叶片进行人工覆冰试验并获得冰型,仿真分析了覆冰程度、环境温度、合成风速、叶片攻角、允许融冰时长等因素对融冰功率的影响。结果表明:限时融冰功率随着允许融冰时长的增加而减小,但认为允许融冰时长4~6min为宜;融冰功率随着覆冰程度的增加而减小;环境温度与融冰功率呈现负线性关系;合成风速与融冰功率呈现正相关;融冰功率随叶片攻角的增加整体呈现先增加后减小的规律,且在0°~4°之间出现最大值;限时融冰功率相较于临界融冰功率高1~2 kW/m^(2)。该文结果可为实际风力机叶片电加热融冰系统的运行与设计提供一定的帮助。

基于LMMHD波浪能发电机特性的高效实时输出功率控制系统

针对目前液态金属磁流体(LMMHD)波浪能发电机输出功率控制系统响应慢、精度差、变换效率低、低压下不能可靠换向的问题,在LMMHD波浪能发电机输出特性分析的基础上,提出一种通过实时调节LMMHD发电机等效负载来控制发电机输出功率的控制策略,该控制策略快速准确且多模块并联时不存在并联均流问题。通过对考虑寄生参数影响的主电路效率的理论分析,得到了所提输出功率控制策略下主电路效率的变化规律,进而提出了多模块并联的方案,提高了系统效率,降低了单模块的设计难度。并提出了一种滚动时域判断和双模块独立驱动的换向驱动方法,在实现低压下可靠换向的同时避免了电流从体二极管流通,降低了导通损耗。仿真和样机实验结果验证了所提策略的有效性。

考虑原动机调速特性的中压直流发电机组动态仿真模型

鉴于原动机调速特性对舰船中压直流(MVDC)发电机组运行影响的重要性,该文基于十二相同步发电机及其三相交流励磁机数学模型提出MVDC发电机组动态建模方法,以解决多相整流发电机及其励磁系统难以考虑原动机动态调速特性的难题。以某型燃气轮机整流发电机组动态仿真模型为基础,建立了频率不同的十二相同步发电机与三相交流励磁机组合模型,阐述原动机调速与发电机励磁调压相互耦合的计算流程。实测与仿真结果表明,该型燃气轮机发电机组在突加20%负载工况时转速跌落较大,且转速恢复过程需约20 s,但MVDC发电机组通过调节励磁系统可在1 s内使直流母线电压恢复稳定,从而为负载提供稳定直流功率输出。在校准仿真模型的基础上,通过系统分析突加不同比例负载时的转速、燃油流量、励磁电流、输出电压等性能参数变化规律,获取了燃发机组允许突加负载上限约为30%的运行边界认知,为MVDC发电机组励磁系统设计以及如何预留充足的短时强励能力提供了理论支撑。

基于时域动态过程的变速抽蓄机组外部故障短路电流计算方法

变速抽蓄机组(VSPSU)采用特殊的交流励磁结构及控制方式,导致其外部故障短路特性与常规定速机组相比差异巨大。为此,提出了一种基于时域动态过程的外部故障短路电流计算方法。根据VSPSU外部故障下的励磁及控制特点,将外部故障下的VSPSU分为持续励磁和跨接器动作这2种情况,并基于空间矢量分析分别建立2种情况下的时域动态电路模型。在此基础上,结合2种情况的过渡边界条件和定子磁链动态特性推导得到VSPSU外部故障短路电流的解析表达式。与PSCAD/EMTDC仿真结果的对比表明,所提出的VSPSU外部故障短路电流计算方法具有较高的准确性及实用价值,能满足变速抽水蓄能电站一次设备选型以及继电保护等工作的需要。

发电机解列时程序逆功率保护动作行为分析

在发电机组解列过程中出现程序逆功率保护未及时动作的异常情况,为了保证发电机组运行安全,通过对程序逆功率保护的动作过程、保护的整定原则和动作逻辑进行分析,找到了发生异常的原因,并提出了处理原则和预控措施。

轴径向静态偏心故障下外转子永磁发电机电磁转矩特性分析

对外转子永磁发电机轴径向静态偏心故障下的电磁转矩特性进行了理论解析、仿真计算和实验验证。首先,在考虑齿槽效应影响条件下,引入磁导修正系数ε(θ),推导出轴径向静态偏心前后气隙磁密表达式,并考虑绕组分布情况,构建一种新型的永磁发电机轴径向静态偏心故障下相电流数学模型,在此基础上得到轴径向偏心下电磁转矩解析表达式。其次,通过有限元仿真计算得到外转子永磁发电机轴径向静态偏心下的电磁转矩波动特性。最后,在一台外转子永磁发电机上通过故障模拟实验实例印证了解析分析和仿真计算结果。结果表明:相较于正常情况,径向偏心时,电磁转矩以直流、二倍频、四倍频成分为主,随着偏心程度的加剧,电磁转矩的直流、二倍频、四倍频成分幅值将随着增大;轴向偏心时,电磁转矩谐波成分不变,随着偏心程度的加剧,各谐波成分幅值将随着减小。对外转子永磁发电机气隙偏心故障分析的一个重要补充,对此类问题的现场检测和鉴定具有参考价值。

大型发电机高频轴系扭振下PSS附加阻尼特性仿真研究

从发电机Heffron-Philips模型出发,分析发电机及励磁系统在涵盖有功低频振荡和轴系扭振在内的0.1~40Hz范围内无补偿相频特性,同时给出电力系统稳定器模型(PSS-1A、PSS-2B和PSS-NB)在0.1~40Hz的相频特性,并从理论上分析其在大型发电机组发生高频轴系扭振时的阻尼特性,最后通过一个高频零阻尼RTDS仿真系统进行验证。

改进滑模观测器的电流源逆变器驱动PMSM无位置传感器控制

由于电流源逆变器(CSI)的叠流效应以及前级DC-DC控制的母线电流脉动较大,使得扩展反电动势中含有大量谐波,造成较大的位置误差。针对此问题,该文提出一种改进滑模观测器的电流源逆变器驱动永磁同步电机无传感器控制方法。首先,基于传统滑模观测器,设计复系数滤波器代替传统低通滤波器,实现了对估计反电动势的准确提取,同时也抑制了估计反电动势中的高频抖动和高次谐波。其次,将二阶广义积分器内嵌于锁相环中,用于消除位置误差信号中的低次谐波,提高位置观测准确度。最后,将估算的速度信息反馈回复系数滤波器,实现复系数滤波器的自适应性。实验结果表明,所提方法在不同工况下,能够有效提高估算的转子位置精度,验证了方法的可行性与有效性。

低频小振动能量收集的伞型摩擦纳米发电机

针对摩擦纳米发电机功率密度低、触发难、耐久度差的问题,该文设计一种伞型摩擦纳米发电机(umbrella-shape triboelectric nanogenerator,U-TENG)用于收集低频小振动能量。U-TENG以纸基作为连接机构,使上下伞叶在振动环境中进行有序开合,可以有效增加摩擦层数量、增大接触面积、改善接触面的贴合效果。另外,在摩擦电单元的设计上,通过叠放氟橡胶提高导电层上的感应电荷量,以优化电能输出性能。实验结果表明:当两个摩擦电单元并联运行时,UTENG的最大短路电流和开路电压分别能够达到125.9μA和804 V;在低频小幅振动下其瞬时功率密度最高达到509.3 W/m^(3);U-TENG可以收集环境中不同形式的振动能,以收集脉冲式振动的能力尤为突出,最多可驱动960个LED灯。该方法可为环境中低频振动能的高效捕获提供思路。

气动翼型涡流发生器与风力机翼型同步优化设计

针对目前风力机叶片翼型与涡流发生器相互独立的串行设计方法,导致不能最大限度的设计出气动性能最佳的风力机新叶片加装新型涡流发生器。这里提出带气动翼型的涡流发生器与风力机叶片翼型同步设计方法,利用B样条函数分别表达叶片翼型与涡流发生器气动形状,以最大升阻比及失速前最大升力系数为多目标函数建立优化数学模型,结合CFD技术与粒子群算法对原始叶片翼型DU97-W-300与CLARKY翼型涡流发生器进行同步优化,优化结果表明:相比原始叶片翼段加装CLARKY翼型涡流发生器,优化后的升力系数为2.378,提高了9.3%,升阻比为63.335,提高了7.5%;且对优化前后的流线图及涡量云图进行了对比分析,说明优化后叶片加装涡流发生器翼型可产生更大的诱导涡,能够有效抑制叶片表面流体分离。这里研究对于叶片与涡流发生器的设计及应用具有很好的参考与借鉴意义。