“电力系统综合实践”课程思政探索与实践

针对“电力系统综合实践”课程,从教学目标、教学资源、教学实践以及考核评价等多个维度进行了深入研究,探索了专业课融入课程思政的教学改革路径和方法。实践研究表明,“知行合一”的五阶段混合式课程思政教学模式,以及以成果为导向的多元考核评价体系,能够有效实现课程思政育人目标,并为其他高校开展课程思政建设提供借鉴与参考。

基于超级电容储能的汽轮发电系统频差功率协调控制

由于孤岛运行的汽轮发电系统输出功率调节响应较慢,带脉冲功率负载会造成输出电能频率和电压较大的凹陷和超调,甚至导致系统不稳定。本文将超级电容储能应用于汽轮发电系统,组成汽轮机-超级电容混合发电系统。继而提出混合发电系统的频差功率协调控制方法。通过超级电容储能单元的高功率动态响应弥补汽轮机输出功率动态响应低的问题,使系统实时处于瞬时功率平衡状态,保证输出电能频率和电压的平稳,增强汽轮发电系统对脉冲功率负载的适应能力。最后建立仿真模型对所提控制算法的有效性进行验证。

双馈风力发电机组变流器控制参数分步辨识方法

该文通过构建双馈风力发电机组转子侧与网侧控制系统包含8个PI控制器待辨识参数的内、外环传递函数作为参数辨识模型,基于此提出内外环施加不同扰动源的激励方法和基于改进灰狼算法的分步参数辨识方法。为避免内外环PI控制器之间的级联问题,特别选出3个合理的内外环观测量。最后,建立双馈风力发电机组仿真模型,测试所提分步辨识方法可行性,对比扰动下实际模型与辨识模型的观测量输出,证明辨识方法的准确性。

考虑抑制励磁涌流的风储一体化系统黑启动技术研究

风储一体化系统即配备储能的风力发电,具有黑启动能力,对其加以控制可将该系统作为黑启动电源。基于此,在单台风机的基础上,制定了风储一体化系统的黑启动方案。首先,通过构网型控制的储能装置进行启动,为避免变压器投入过程中的励磁涌流或谐振产生的自励磁,在原有的电压环控制基础上,加入了惯性环节来实现软启动策略;然后,储能系统建立交流频率和电压后,实现风电机组及负荷的恢复;在风储一体化系统稳定启动后,经过主变压器和输电线路将电能输送到35 kV母线,完成黑启动过程。最后,在PSCAD/EMTDC软件平台建立风储一体化仿真模型,验证了采用软启动策略的黑启动方案,验证过程电压保持稳定,功率平衡,系统完成启动,同时有效地抑制了励磁涌流。

基于等值双馈风电场协同静止无功发生器的电网电压波动抑制策略

针对双馈风电机组并网后电网电压波动、传统模拟分析方法建模计算量大且频率耦合关系复杂的问题,提出一种基于等值双馈风电场协同静止无功发生器(static var generator,SVG)的电网电压稳定协同控制方法。首先,根据风电场功率特性的聚类现象提出基于K-means聚类的2步等值建模方法,分析明确了双馈感应电机(double-fed induction generator,DFIG)内定子侧和网侧变流器的最大无功补偿能力。其次,针对电网扰动情况下SVG对风电场并网点电压的支撑能力不足的问题,提出一种面向不同电压波动等级的DFIG协同SVG电网电压波动抑制策略,充分利用风电场站内部DFIG的自身无功储备,并在电压恢复过程中加入延时环节确保电压稳定。最后,通过仿真验证了所提协同控制策略对于改善风电场并网点电压波动的有效性。

多电飞机系统传导电磁干扰交互作用机理分析及建模

采用270 V直流配电的多电飞机系统中电力电子设备众多,单一设备的传导电磁干扰很容易影响其他设备。为了探究复杂工况下设备间的传导电磁干扰交互作用机理,以DC/DC变换器、DC/AC逆变器和电机及其驱动器三种典型设备为研究对象进行研究。首先,对典型设备依据功能划分不同的运行工况。然后,分别建立了各设备的高频等效模型,在此基础上建立系统的高频等效模型。根据不同运行工况,分别研究设备间的电磁干扰交互作用机理。研究发现,设备间的电磁干扰交互作用既体现在干扰源的增加,又体现在新传导路径的引入,新传导路径会造成新的谐振问题。最后,仿真和实验结果表明,基于设备间电磁干扰交互作用机理搭建的仿真模型对谐振尖峰幅值的预测结果与实验误差在5 dBμV以内,模型符合度很好,证明了机理分析和建模的正确性。

基于扩张状态观测器的并联直流变换器增强控制策略

为进一步改善并联直流变换器在多种内外部扰动下的动态性能,提出一种基于双闭环扩张状态观测器(ESO)的增强控制策略。该策略将比例调节器与ESO相结合,然后分别应用于公共电压外环和各个电流内环,实现各功率单元的动态均流,也强化对输入电压扰动的抑制能力,且无需额外传感器。首先,根据并联变换器的状态方程,推导内环电流ESO控制的表达式。然后,根据电流闭环极点的分布情况,从理论上分析ESO型电流内环在输入电压扰动抑制方面强于比例积分型电流内环的原因。此外,借助伯德图,给出ESO型电流内环对电感失配的鲁棒性更强并能有效消除动态电流偏差的理论依据。最后,使用三相buck变换器进行不同方案的对比验证,实验结果证明了所提策略在改进动态性能方面的有效性和先进性。

混合储能系统快速功率响应模型预测控制

针对混合储能系统平抑微电网大功率负荷突变引起的直流母线电压波动过程中控制响应速度慢、储能功率分配不合理等问题,提出混合储能系统快速功率响应模型预测控制。首先,根据储能系统预测电流值与系统功率补偿量得到储能系统预测功率并将其作为参考功率,设计基于有理函数拟合的功率配置方案对参考功率进行优化配置,得到锂电储能与飞轮储能的参考功率,实现飞轮储能系统容量的最大化利用,减少突变功率对电池影响,延长电池使用寿命。其次,通过储能系统功率电流变换关系获得参考电流值,并采用增量式模型预测控制算法对锂电-飞轮储能系统进行控制,得到最优控制输出,使实际电流快速跟随参考电流以抑制直流母线电压波动。最后,通过仿真和硬件在环半实物仿真验证所提控制策略的有效性及实用性。

超高压输电线路单端暂态量保护元件的频率特性分析

为有效利用故障暂态量中含有的丰富故障信息，需要对其在输电系统上的传播特性进行深入的分析。为此从输电系统的频域模型着手，全面分析了输电线路、母线和阻波器的频率特性，指出母线对地等效电容和阻波器的阻抗显著地不等于线路的特性阻抗，由此提出“线路边界”的概念。通过对线路边界的透、反射系数的进一步分析发现：暂态信号的高频段（特别是阻塞频带）穿越线路边界时将大为衰减，而低频段（1-10kHz）儿乎不衰减；为弱化线路的传输影响而突出线路边界的作用，宜选用100kHz以下的信号分量。文中的分析结果对其他行波或暂态量的应用研究具有参考价值。

基于暂态量的超高压输电线路故障选相

在分析超高压输电线路三相导线间耦合关系的基础上,该文提出了一种基于暂态量的故障选相方案。该方案算法利用小波变换表征电流故障分量的暂态能量,并通过比较三相间能量的相对大小来识别故障类型和判别故障相别。大量EMTP仿真测试表明,该算法在不同的故障条件下(包括在不同的故障位置、过渡电阻、初始角等)都能基本正确地快速选出故障相,并在一定程度上弥补了基于初始行波的选相方法之不足。动模试验数据也充分验证了故障选相新方案的可行性。

超高压输电线路新单端暂态量保护元件的实用算法

在线路边界频率特性的分析基础上,深入地分析了区内外故障时的特征差异:就某一类故障而言,区外故障时反行波中(阻塞频带内的)高频分量与(1-10kHz内的)低频分量的比值显著小于区内故障时的比值。据此提出利用反行波构造新型的单端暂态量保护原理,即反行波法边界元件,并形成基于小波变换的实用算法。大量ATP仿真表明,该边界元件的算法可行,动作超高速,且性能优于利用电流波的单端暂态量保护方案。文中还指出:对于实际的输电系统,现有的单端暂态量保护方案都难以保护线路全长,因此该方法可以作为全线速动保护的一种超高速保护元件。

超高压线路暂态保护中雷电干扰与短路故障的识别

未导致故障的雷击可能会造成超高压线路暂态保护的误动,对这种雷电干扰的识别是暂态保护实用化必须要解决的一个棘手问题。全面分析了输电线路中雷电干扰和故障情形的模量行波大小与行波波形,发现如下特征:感应雷作用下三相线路中的线模量远小于地模量;重型直击雷的波头部分和截波处都突变剧烈;轻型直击雷的波尾时间显著小于短路行波的持续时间。基于此,提出了轻型直击雷、感应雷与重型直击雷、普通短路故障的识别原理,以及利用小波变换的雷电干扰实用识别算法,大量EMTP仿真表明该识别原理可行、算法可靠,有望解决暂态保护在雷电干扰时的误动问题。

超高速保护中雷电干扰识别的暂态法研究

雷电干扰可能会造成基于行波或暂态量的超高速输电线路保护误动作。经对雷击和短路故障时的电流故障分量进行信号能量分布和波形的分析发现：普通短路故障与雷击引起强故障时的暂态能量主要集中在低频带；雷电干扰与雷击引起弱故障时的暂态能量主要以高频为主；相对于雷电干扰和普通短路故障,雷击引起弱故障时的行波截波特征非常明显。据此,提出了基于小波变换的雷电干扰识别的暂态方法。EMTP仿真显示该识别方法是可行的。

一二次融合配电开关辐射磁场规律及其对智能传感器影响分析

一二次融合技术使得配电开关中二次智能传感单元近距离布置于一次高压电磁环境,配电开关因为电磁干扰产生大量故障。文中利用可控电弧放电原理,针对某型号10 k V一二次融合配电开关搭建了暂态电磁干扰模拟试验平台,获得了该户外一二次融合配电开关干扰信号,其中重点研究了智能传感器附近空间磁场规律;对配电终端(FTU)进行了屏蔽效能分析,计算了传感器合并单元电源线受扰情况。结果表明:一二次融合配电开关中智能传感器可能在持续强暂态电磁骚扰下发生严重故障,文中所研究的电磁暂态模拟试验系统可对智能传感器抗强电磁干扰能力进行考核,现有标准不能满足一二次融合结构下智能传感类设备抗强电磁干扰能力检测需求。

用接地线电流法进行电力电缆绝缘在线监测的仿真计算

为单相电力电缆接地电容电流、三相电力电缆接地不平衡电流建立了电缆的分布参数仿真模型,计算了电力电缆在运行条件下其接地电容电流、接地不平衡电流对电缆绝缘缺陷状况反映的有效性与灵敏性。仿真结果表明,在线监测得到的接地电容电流或接地不平衡电流与绝缘缺陷有很高的正相关性,并且灵敏性较高,其灵敏性与电缆负载、缺陷位置等有关,三相电力电缆接地不平衡电流反映缺陷的灵敏度要明显高于接地电容电流。开发的基于ATP的仿真模型及相应的Matlab分析软件可以作为一种良好的学习型软件,用以指导现场在线监测测量结果的分析及故障部位的确定。

自动重合闸期间电流互感器剩磁抑制研究

P级电流互感器广泛用于330kV及以下电力系统,由于其暂态性能差,在铁心中留存大量剩磁。随着电网短路水平增大,电流互感器更易饱和,造成与之相连的继电保护误动。为此,该文提出一种适用于自动重合闸期间的电流互感器剩磁快速抑制方法。该方法由连接在电流互感器二次侧的剩磁抑制电路实现,通过控制开关模块输出电压的极性来逐渐减小铁心的磁通。给出剩磁抑制电路中开关模块输出电压反转次数、直流电压值以及限流电阻的选择方法。利用典型电流互感器参数及其在自动重合闸期间的动态模拟实验数据,进行不同剩磁极性、不同短路电流情况下的测试,结果显示所提出的剩磁抑制方法及其抑制电路是可行的、快速的,并且性能优越。

基于行波瞬时频率的高压直流输电线路故障测距方法

在线路行波类测距方法中,存在行波到达时刻与行波传播速度难以有机统一的问题。在研究直流线路故障行波速度与行波到达时刻的特定瞬时频率关系的基础上,分析瞬时频率影响行波测距的机理,提出一种基于行波瞬时频率且波头到达时刻与波速相有机统一的故障测距思想。利用改进的希尔伯特–黄变换形成故障暂态信号的时频图,依据时频图标定行波到达时刻与该时刻特定的瞬时频率,再经由瞬时频率求取相应的波速度,形成高压直流线路故障测距实用算法。在PSCAD软件上进行的仿真测试,表明所提测距方法及其算法受过渡电阻、故障类型影响较小,不同故障距离下测距精度都较高,也得到了现场实测数据的验证。

基于翅片散热和ZigBee的开关柜触头温度测控系统

为降低开关柜的事故发生率,设计了开关柜触头温度测控系统。首先利用层次分析法得出开关柜散热最佳方案,即在开关柜后面板上加装翅片热板隔离式热交换器;然后基于翅片散热和ZigBee,设计了开关柜触头在线温度测控系统,该系统包含数据采集与温度控制层、数据传输层和站控层。测试结果表明,翅片散热器散热效果良好,所设计的开关柜触头在线温度测控系统可实现设备状态数据的可靠快速传输和监测预警信息的可视化。

超高速暂态方向继电器的研究

行波方向保护已研究了多年,但其本质上仍要受故障初始角、反射波等因素的影响。该文提出一种新型的方向保护核心元件——暂态方向继电器,它基于故障发生后一段时间内正向行波分量与反向行波分量间的能量大小关系来识别故障方向。该继电器的实用算法采用了适合暂态信号处理的小波技术,由小波多分辨分析来提取行波分量,并将行波分量的能量表征成小波变换谱能量(WTSE)。大量EMTP仿真试验表明:该继电器能可靠、灵敏、超高速地动作,其性能不受故障初始角、故障类型、故障距离、过渡电阻与电弧、母线接线方式的影响。以该继电器构成的超高速方向保护将具有很强的实用价值。

利用线路暂态行波功率方向的分布式母线保护

为避免电流互感器(TA)暂态饱和问题,提出了一种新型的分布式母线保护:基于小波变换识别各线路的暂态行波功率方向,然后比较所有线路的暂态行波功率方向来判别母线区内外故障。该母线保护可以利用已有的输电线行波方向保护而不需专用的母线保护设备,可以利用小波算法解决分布式结构中的同步问题,因而比常规分布式母线保护更易于实现和节省投资。理论分析和EMTP仿真试验表明:该母线保护动作快速可靠,基本不受故障类型、故障过渡电阻、故障距离和故障初始角的影响。