新一代高韧性直流输电技术(二):高倍载模块化换向式换流器

针对高韧性直流输电技术对高倍载、高经济性直流换流器的需求,提出一种高倍载模块化换向式换流器(high-overload modular commutated converter,MCC)。首先,对MCC的拓扑构造和运行原理进行详细分析,指出其器件软开关特性、桥臂能量脉动优化和高倍载潜力;针对MCC的宽范围电压变比调节、串联模块电压均衡控制、架空线应用中的直流故障自清除等关键问题,给出解决方案;以±500 kV/2000 MW直流输电系统为例,分析MCC的元件用量、体积、效率、成本等技术特性,并与常规模块化多电平IGBT换流器进行综合对比;最后,研制基于IGCT-Plus器件的±15 kV/60 MVA MCC产品,开展综合性测试验证。结果表明,提出的MCC有望将现有换流器技术方案的体积、成本、损耗率分别减小达50%,在电能变换与传输中具有广阔的应用前景。

永磁轮毂电机最优磁链矢量无权重价值函数模型预测转矩控制

永磁轮毂电机的外转子通常与轮辋轮胎直接相联结,相比内转子永磁驱动电机,转动惯量较大,其速度响应明显滞后负载变化。因此,复杂运行工况下,永磁轮毂电机驱动系统转速不稳定,电动车辆行走路径易出现偏移。为解决轮毂驱动下电动车辆的这一固有技术难题,提出一种磁链为唯一约束条件的无权重价值函数模型预测转矩控制(model predictive torque control,MPTC)策略,可实现复杂多变动态工况下电动车辆稳定运行的工作需求。所提价值函数将转矩、定子磁链幅值约束统一为定子磁链矢量的优化,消除了权重系数的整定,提高了复杂运行工况下轮毂电机的反应速度。同时,引入有效电压矢量与零电压矢量切换瞬间的定子磁链,以此为评估依据选择最优电压矢量,可降低转矩与定子磁链脉动,从而提高轮毂电机转速控制精度。实验验证了控制方法的正确性和有效性。

基于矢量分类的NPC型三电平双三相PMSM的改进模型预测电压控制

多电平多相电机驱动系统存在电压矢量数目多、冗余复杂及多目标非线性约束等问题。以二极管钳位型三电平六相逆变器驱动双三相永磁同步电机为研究对象,以电机谐波电流抑制和逆变器直流侧中点电位平衡控制为目标,提出一种基于电压矢量三角区域分类的改进模型预测电压控制策略。首先,以基波子平面大投影幅值为原则,对729个电压矢量进行初筛;接着,基于三角区域分类方法对筛选后的电压矢量进行分类,并对期望电压进行所属三角区域定位、确定候选矢量。设计满足电机定子电流谐波抑制及逆变器中点电位平衡控制的目标函数;根据电机数学模型和逆变器特征研究多目标控制权重因子的理论设计方法。不同工况下的有效性及对比实验表明,所研究的控制策略不仅能改善多电平多相电机驱动系统的多目标控制性能,还能有效降低控制器计算负担。

耦合蒸汽压缩与储热的燃煤热电联产机组调峰性能研究

为降低调峰期间的能耗水平,该文提出热电联产机组与蒸汽压缩储热系统耦合的技术方案,该方案是从汽轮机中压缸排汽中抽出部分蒸汽,利用多级压缩机对抽汽进行压缩,利用储热装置对压缩过程中蒸汽进行冷却,储热装置所储存的热量可用于加热再热蒸汽或锅炉给水。该文建立热电联产机组耦合蒸汽压缩储热系统以及耦合电锅炉储热系统的调峰性能计算模型,并以某350 MW超临界燃煤热电联产机组为例进行性能计算。结果表明:在机组本身负荷保持在50%额定负荷甚至更高情况下,耦合两种系统的机组供电功率均可大幅降低,能够低于35%额定负荷;在机组耦合蒸汽压缩储热系统后,相比较机组50%额定负荷的能效指标,综合热效率提高7.38%。

基于状态相依的RBF-ARX模型的锂离子电池剩余容量估计方法

锂离子电池剩余容量估计是电池管理系统中关键技术之一,也是实现锂离子电池安全稳定运行的前提。针对锂离子电池剩余容量有效估计问题,该文提出带外生输入的自回归模型(radial basis function-autoregressive exogenous,RBF-ARX)的锂离子电池剩余容量估计方法,利用结构化非线性参数优化方法辨识模型参数,并将“老化信息”与“能量”相结合,基于小波包能量分析从电池充电电流/电压曲线中直接提取能量特征作为新健康特征,采用传递熵对新健康特征进行筛选以构成模型输入,实现锂离子电池剩余容量的有效估计;最后,基于NASA公开的锂离子电池老化数据,通过不同训练/测试样本比例、不同模型展开综合分析。结果表明,所提出的基于状态相依的RBF-ARX模型的锂离子电池剩余容量估计方法与常用的数据驱动方法相比,误差指标中平均绝对误差、平均绝对百分比误差、均方根误差均保持在较低水平,具有良好的估计精度。

混合交易模式下电力系统全环节碳排放核算方法

随着电力市场交易体制的不断完善,交易模式更加多样化,呈现双边交易与联营交易共存的混合交易模式。而现有碳排放核算方法并不适用于所有交易模式,对于双边交易模式,尤其是绿色双边交易,“就近供电,比例共享”的分摊方法不满足“双边”特点,清洁能源电厂的低碳效益不能准确分配给与其签订双边交易的用户。该文通过分析不同电力交易模式下碳排放流特点,建立同时考虑双边交易和联营交易混合的全环节碳排放核算方法。首先,根据源侧燃煤和燃气发电机组的工作原理,基于效率超过Transformer的长时序预测方法 Informer模型建立其动态碳排放因子模型;然后,基于电力潮流将双边交易建模为源-荷间最大碳流溯源问题,并基于最大流理论实现考虑输电损耗的碳流率核算和分摊;进而对于包含双边交易和联营交易的混合交易模式,构建图与补图关系,提出用户碳流率核算方法和网损碳流率分摊方法,实现电力系统全环节碳排放核算。最后,采用IEEE14节点系统算例证明,所提核算方法对考虑传输损耗的双边、联营混合交易模式具备合理性和公平性。

基于绕组首饼温度及温度梯度的变压器热点模型

变压器热点温度是衡量变压器负载潜力及运行安全性的重要指标,是变压器状态监测以及预测的重点。绕组底部首饼直接与散热片回流的冷油接触,周围油温与冷油近似相等,可以较为准确地分析其散热。该文从变压器传热原理出发,提出一种新的热点温度计算模型。首先,基于理论推导建立绕组首饼温度的控制方程,并使用热电类比方法建立可用于实际运行的绕组首饼局部热路模型。通过对一台内置传感光纤的110 kV油浸式变压器进行11级不同负载共21 h温升试验,获得不同负载率下绕组温度变化情况,并提出基于绕组首饼温度及绕组温度梯度的热点温度模型。基于局部热路模型,使用负载率及散热片进出口油温作为输入变量,成功预测绕组首饼温度。随后,建立绕组整体温度梯度的指数、差分方程模型,并基于提出的热点计算模型对连续变负载试验的结果进行预测。结果表明,模型预测均方根误差为4.02 K,相较传统模型,最大误差降低21%,验证所提计算模型的有效性。

特约主编寄语

能源电力领域的绿色低碳转型是实现“碳达峰、碳中和”的关键。受限于资源禀赋,火力发电仍将长期是我国电力生产的重要组成部分,火电机组的绿色低碳化是目前能源电力行业关注的热点问题。利用绿电制取氢、氨和二氧化碳衍生燃料等二次能源载体,并将其燃烧或送入燃煤、燃气机组掺烧发电,不仅是火电机组降低碳排放强度的潜在手段,也是促进间歇性绿电消纳的有效途径,还能够利用气体燃料良好的稳燃性能提升机组的深度调峰能力,在加快构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统中具有重要价值。

基于谐振型DCX的部分功率调节技术研究综述

以LLC为代表的谐振变换器具有良好的软开关性能以及高效功率传输优势,但是开关频率的改变会使得谐振点发生偏移,效率显著降低,直流变压器(DC transformer, DCX)工作状态虽有利于实现效率优化,但却限制了系统的电压调节范围。此外,传统全功率传输会导致器件应力高,存在效率优化局限。近年来,部分功率传输由于低应力、高效率以及控制简单等优势得到广泛的应用,将谐振变换器与部分功率技术结合,强化优势互补,提高应用价值,已成为目前的研究热点。文中从部分功率传输概念和基本连接形式入手,对基于谐振型DCX的部分功率调节系统结构进行归纳分析,概括为单级式、两级式以及准两级式3种结构类型,讨论分析适用于不同种类结构的变换器拓扑以及控制方式;其次,对目前所实现的部分功率调节系统所能达到的性能指标进行归纳,并对传统两级级联式结构和另外3种部分功率调节结构的器件数量、电压增益以及工作效率进行综合分析对比;最后,对不同结构的优缺点和应用局限性进行总结,并对未来发展趋势展望,为后续研究提供一定的参考。

水轮发电机转子不圆度诱发的定子铁心振动特性研究

大型水轮发电机的转子不圆度问题使定子铁心受到低频磁吸力作用,磁吸力交变频率与定子铁心固有振动频率接近时,将诱发定子铁心的低频振动。针对转子不圆度所导致的气隙磁场不对称现象,首先推导了定子铁心上特定点受到的周期性磁吸力表达式,获得铁心振动频率与转子磁极不圆度之间的关联规律。随后以1台334 MV·A水轮发电机为例仿真了机组正常和单个磁极、连续磁极、间隔磁极以及椭圆磁极等典型不圆度状态下的电磁力分布,进一步利用瞬态结构分析得到了定子铁心的振动特性。最后在MJF-30-6故障模拟机组上模拟了磁极不圆度造成的磁场不对称现象,定子铁心振动理论分析和仿真结果吻合。

基于2D-3D电磁场-路耦合新计算方法的百万千瓦级半速汽轮发电机端部区域多物理场研究

核能相对于传统火电具有更加广阔的应用前景,发展高效安全的核电半速汽轮发电机是核电技术发展的关键。作为电力系统的核心装备,随着百万千瓦级核电半速汽轮发电机单机容量的不断提高,其端部区域损耗和发热问题日趋严重。为了提高核电半速汽轮发电机端部电磁场和损耗的计算精度,提出一种2D-3D电磁场-路耦合新计算方法,研究1 407 MV·A核电半速汽轮发电机端部区域内电磁场和端部构件损耗的分布规律,采用磁场储能法和解析法计算得到定子端部漏抗,将定子端部漏抗应用于核电半速汽轮发电机外电路中,对二维瞬态电磁场、三维端部瞬态电磁场以及负载外电路进行了耦合计算,考虑转子旋转、材料特性以及复杂端部构件实际尺寸等因素,研究核电半速汽轮发电机端部电磁场、端部构件磁密和涡流密度的分布情况,确定核电半速汽轮发电机端部构件的损耗。建立了核电半速汽轮发电机三维端部区域流固耦合模型,将新计算方法得到的端部结构件损耗值作为热源,流体网络计算得到端部区域入口速度和出口压力值作为边界条件,计算得到端部区域内复杂流体流动和端部构件温度的分布规律,并与实测值进行对比,验证了所提计算方法的可行性。

碳交易耦合下现货电能量市场日前出清方法

为实现现货电能量市场和碳交易市场的有效协同,从电力交易中心把控系统碳排放的角度出发,构建一种电-碳耦合市场运营机制,并提出考虑动态碳排放强度的电-碳耦合市场日前出清模型。首先,在现有的电力市场运行规则基础上将碳交易市场进行嵌入,构建电-碳耦合市场联合运行机制;其次,基于边际发电成本特性和单调非递减阶梯式报价规则,构建传统能源发电商和碳捕集电厂的分段报价曲线;再次,推导传统能源发电商和碳捕集电厂的动态碳排放强度模型,并基于等面积原则构建二者的阶梯式动态碳排放强度曲线;然后,考虑阶梯式报价曲线和动态碳排放强度,以综合成本最小为目标兼顾电网运行和物理约束,构建电-碳耦合市场日前出清模型。最后,在PJM-5节点和IEEE-39节点电力系统进行算例仿真分析,通过设置不同的场景验证所提电-碳耦合市场日前出清模型的有效性。

双频永磁电机驱动器的共模环流抑制方法

永磁同步电机正往高速化、高压化的方向发展,这会导致电机电流的开关纹波增大、电机损耗增加。然而,考虑到大功率电机驱动器的开关损耗,无法通过直接提高开关频率的方式降低开关纹波。双频永磁电机驱动器可以有效解决大功率和高开关频率之间的矛盾。为了抑制双频逆变器内部的共模环流,降低高频逆变器的容量需求,对共模环流产生的原因进行详细的分析,并提出一种共模环流抑制方法,通过在高频逆变器的输出电压中注入零轴分量,有效降低共模环流,从而减小功率器件的容量和损耗。通过仿真和实验,详细地验证所提方法的有效性。

基于虚拟同步机的新能源制氢系统协调控制策略

针对传统控制策略下新能源制氢系统缺乏惯量响应特性,难以主动参与电网调节、系统频率稳定性差等问题,提出基于虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)的新能源制氢系统协调控制策略。首先,在建立新能源制氢系统模型的基础上,考虑到通过变流器并网的制氢系统惯量缺失和电解槽低功率运行的安全约束,提出基于电解槽与蓄电池的VSG控制方案,建立系统网侧VSG控制模型;其次,为防止VSG过度响应导致系统平抑新能源波动能力下降,提出考虑系统状态的VSG自适应方法;然后,针对系统功率波动影响直流母线电压稳定的问题,设计各单元控制策略,并在电解槽单元加入附加响应控制环节以缓解直流母线电压波动;最后,为实现能量合理分配,针对系统不同运行模式,提出考虑各单元运行状态的能量管理策略。仿真结果表明:所提策略充分发挥了电解槽调节能力,系统具备惯量与一次调频响应特性,频率稳定性增强等。

直驱式波浪发电用磁场调制横向磁通发电机的设计与分析

基于直线发电机的直驱式波浪发电系统可以直接将波浪能转化为电能,具有结构简单和效率高等优点。然而,由于波浪速度较低,造成直驱式波浪发电机体积庞大和功率密度较低,为解决这个问题,该文基于磁齿轮和磁场调制电机的增速效应,结合横向磁通电机的横向磁路,提出一种用于波浪发电的新型磁场调制横向磁通直线发电机结构。首先,介绍发电机的结构、工作原理和磁场调制机理,采用多目标优化法对发电机电磁结构进行优化设计;研究不同极槽配比和调制器倾斜角度对发电机电磁性能的影响;计算发电机对应不同电枢电流的损耗和效率,对比该结构、交叉绕组结构和现有文献中横向磁通直线电机的功率密度;最后,制造样机并搭建实验测试平台,测量发电机推力和反电势,证明所提出拓扑结构的合理性和有限元计算结果的准确性。

面向MMC应用的大功率IGCT器件加速老化试验拓扑研究

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor, IGCT)具有阻断电压高、通流能力强等特点,在柔性直流输电等领域具有广阔的应用潜力,但其在高电压、大通流应力下的可靠性问题,成为限制应用的潜在因素,如何针对不同工况开展加速老化等效测试成为开展可靠性研究的关键瓶颈。文中以模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)工况为代表,针对IGCT器件可靠性等效测试难题开展研究。首先分析MMC工况下IGCT器件的暂态电气应力和长期电热应力,分别采用TCAD仿真软件与平均值等效计算模型定量获得IGCT器件在实际工况下的应力大小;其次,基于应力分析结果,提出一种三半桥式两级电流应力加速老化试验拓扑,设计并搭建2 500 V/4 000 A/150 Hz参数的IGCT加速老化试验平台;最后,开展约100 h高压、大电流老化运行试验,验证平台具备长时运行的能力,且等效测试应力达到设计要求。所提出的等效拓扑及其构建方法,不仅解决了MMC工况下IGCT器件的加速老化测试问题,对其他交直流变换工况、其他类型功率半导体亦有很好的参考价值。

辅助服务市场下独立储能调峰调频协同优化调度

针对独立储能仅参与单一辅助服务利用率低、收益差的问题,该文提出独立储能参与调峰、一次调频两种辅助服务市场的协同优化调度策略。首先提出使用模拟市场和实际市场结合的方法,产出独立储能中标情况;然后设计计及动态电价的调峰调频收益计算方法,计算每时段预期收益;同时在目前市场约束下构建以时间为依据的调峰调频辅助服务市场穿插结构;最后在任务分配模型中考虑储能自身约束、上一时刻储能荷电量、分时电价、历史数据等情况,提出以储能收益最大为目标的两阶段式任务分配方法,实现每时段任务的优化分配。结果表明,与单一辅助服务、两种对比协同方法相比,所提策略经济效果显著,能有效提高储能电站利用率。该方法在实际工程中具有较好的工程价值。

考虑扰动边带谐波效应下多采样单相电压源型变流器的多频率建模与稳定性分析

多采样是提高低开关频率变流器控制性能的潜在方法,但基于传统多采样脉冲宽度调制(pulse-width modulation,PWM)模型下的变流器高频特性分析误差大,难以准确预测扰动边带引起的高频谐振。因此,多采样变流器的高频建模需进一步探索。文中解析在基波调制信号下注入扰动后多采样PWM的描述函数,以此建立起多采样PWM多频率模型;基于该模型,提出考虑边带谐波效应下的多采样变流器多频率导纳模型,相对于传统模型,其可精确描述高频段导纳特性,且扫频结果也验证了所提模型的正确性;接着,在所提模型下进行稳定性分析,其可准确预测传统模型不能预测的高频谐振;针对扰动边带引起的高频失稳,给出边带谐波谐振抑制策略,以保证高频段的稳定性;最后,通过实验结果验证理论分析的正确性。

面向频率稳定性提升的VSG暂态稳定性增强方法

电网故障期间保持虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)型变流器的暂态稳定性对系统安全稳定运行至关重要,频率稳定性是保持暂态稳定性的前提和基础,应优先考虑,而现有暂态稳定方法却极少关注。为此,该文提出一种面向频率稳定性提升的VSG暂态稳定性增强方法,该方法可同时增强故障期间的暂态稳定性和频率稳定性。首先,全面分析2种故障类型下VSG的惯性和阻尼对暂态稳定性和频率稳定性的影响机理;然后,提出一种引入角频率偏差反馈的有功环控制,并基于小信号和大信号模型综合分析VSG的暂态响应;接着,给出一种考虑最优阻尼比的VSG参数设计方法;最后,通过实验验证理论分析和所提方法的正确性。

永磁同步牵引电机全速域双模式模型预测控制策略

有限集模型预测控制因具有多目标多约束的控制特性以及较好的动态控制性能,在中压大功率牵引传动领域得到较多关注。轨道车辆牵引电机调速范围较广,在高速弱磁域要求达到最大直流母线电压利用率。但是,传统有限集模型预测控制过调制能力有限,进入过调制后电流跟踪性能下降,无法最大化变流器直流母线侧电压利用率,实现方波运行。针对此问题,提出一种双模式模型预测控制方法,在线性速度范围内采用传统单步长预测控制,在高速弱磁域内采用一种改进多步长模型预测控制方法,实现牵引电机全速域工况运行。首先,建立永磁同步电机线性速度域内的预测电流模型和目标函数;其次,分析电机在方波工况下的交直流电流轨迹特征,引入多步长预测以计算电流轨迹平均值,建立基于电流平均值的目标函数,从而确定最优的换流时刻;再次,提出双滞环结构控制模式切换方法,实现线性控制模式和方波控制模式的平滑切换;建立前馈弱磁控制计算模型,实现高速弱磁区域的参考电流给定;最后,通过稳态和暂态实验结果验证所提出控制算法的有效性。