弱电网下提高并网变流器稳定性的导纳重塑方法

并网变流器接入弱电网易发生振荡问题,基于无源性理论提出一种导纳重塑控制策略来提高系统稳定性能,使并网系统在中低频段不受电网等值阻抗的影响。首先,为了便于构造严格正实的变流器导纳矩阵,将变流器导纳模型分解为两个子系统进行分析,找出可重塑的控制环节;然后,基于正实方法设计了外环重塑矩阵M和内环重塑矩阵N,使并网系统在中低频段内渐进稳定。此外,导纳重塑后的系统是一个对称系统即单输入单输出系统,可方便求取系统的稳定裕度。仿真和实验均验证了所提导纳重塑方法在提高系统稳定性和简化系统稳定性分析的可行性和有效性。

抑制电网背景谐波的变流器导纳重塑方法

电网电压中的背景谐波作用在并网变流器上产生谐波电流,而并网变流器的频率耦合特性还会映射出新的谐波电流成分。为抑制电网背景谐波对并网电流的影响,文中提出改善并网电流质量的导纳重塑方法。首先,为了消除变流器的频率耦合特性,减少并网电流谐波成分,构造出内、外环导纳重塑因子的一般形式,将并网变流器重塑为dq坐标系下的对称系统;然后,从减少谐波含量出发,对导纳重塑因子进行合适选择,通过降低变流器导纳值来改善并网电流质量,实现消除变流器频率耦合特性的同时抑制电网背景谐波的目的;此外,变流器序导纳模值减小,使得其与电网阻抗构成的回路比曲线更难在幅相平面包围(-1,0)点,有益于并网系统的稳定。仿真和实验均验证了所提导纳重塑方法的可行性和有效性。

连接弱交流电网的柔性直流换流站外环控制器参数解析计算及其限制因素分析

柔直换流站连接弱交流电网的交流电压动态响应速度与交流电压控制器参数、短路比、稳态点和公共耦合接入点并联等效电容有关。针对柔直换流站连接弱交流电网外环控制器参数解析计算及其限制因素分析研究欠缺问题,该文在建立整个系统详细模型的基础之上,根据外环闭环传递函数零极点分布情况,分析影响系统动态响应速度和稳定性相关特征根的关键变量及其参与程度。其次,基于交流系统准稳态模型,推导外环控制器参数解析计算表达式,并对其选择范围进行了初步分析。再次,研究外环控制器参数、电流内环带宽、锁相环参数以及短路比对稳定性的影响,结果表明,外环带宽与锁相环带宽接近并不一定是诱导系统发生谐振失稳的因素,降低交流电压控制器和锁相环参数有利于提升柔直换流站运行于逆变状态下的稳定性。最后,通过电磁暂态仿真验证了参数计算与稳定性分析的正确性。

基于发电机定子接地燃弧电阻变化特征的主动降压熄弧机理与抑制方法

定子接地燃弧故障是制约大型发电机安全可靠运行的技术瓶颈。为解决定子绕组接地电弧引发的绝缘击穿与铁心损伤问题,该文提出基于发电机定子接地燃弧电阻变化特征的柔性接地主动降压熄弧方法。该文建立了定子接地燃弧电阻与弧道电压的解析关系,揭示了定子接地故障点电压降低过程中,接地燃弧电阻增大的变化规律;明确了将接地故障点电压抑制在电弧重燃电压以下时,可实现定子绕组击穿间隙回归正常绝缘状态的抑制方法。根据大型发电机定子柔性接地方式降压熄弧策略,在接地故障燃弧阶段,中性点电压源输出故障点工频与3次谐波反向电势,主动降低故障点电压,将故障点电压降低至燃弧电压以下,使定子接地电弧熄灭。利用注入信号感知定子接地燃弧状态,实时监测定子阻尼率矢量角变化趋势,判定降压消弧过程中接地燃弧故障是否消除。所提方法无需将故障点电压降低至零,可有效降低非故障相电压抬升,降低定子非故障相绕组槽内击穿风险。在PSCAD/EMTDC仿真环境模拟定子接地故障燃弧工况,对所提方法进行试验验证。试验结果表明,基于定子接地燃弧电阻变化特征的柔性接地消弧方法可主动降低定子接地故障点电压,助增故障点间隙绝缘电阻回归,抑制接地电弧重燃,降低定子非故障相绝缘击穿风险,实现定子接地燃弧故障的可靠消弧。

并阻尼谐振接地系统对地参数测量与高阻故障选线新方法

针对谐振接地系统对地参数测量不准确以及高阻接地故障选线困难的问题,提出了并阻尼谐振接地系统对地参数测量与高阻故障选线新方法。基于消弧线圈并联阻尼电阻的投切特性,利用投切阻尼电阻前后零序电压幅值与相位的变化关系,测量系统对地电导与电容参数。在系统正常运行时,通过调整并联阻尼电阻值大小,测量各馈线零序导纳值。在发生接地故障后退出阻尼电阻,测量故障后各馈线零序导纳值,可消除系统参数不对称、互感器采样不同步的影响,主动构造故障前后各馈线的零序导纳相角差,实现故障线路的准确判别。在PSCAD仿真环境下对所提方法进行验证,结果表明:所提方法能够精确测量对地电导与电容参数,测量相对误差不高于0.6%;在不同馈线、不同过渡电阻下发生接地故障时,能准确判别故障线路,耐过渡电阻能力达10 kΩ。

电力高级量测体系网络攻击致损路径图构建及风险评估

高级量测体系(AMI)是新型电力系统的重要组成部分,随着大量智能终端和异构通信链路广泛接入,网络攻击的风险与日俱增。因此,提出电力AMI网络攻击致损路径图构建及风险量化评估方法,量化分析网络攻击对系统的影响。首先,考虑AMI中的3种网络攻击场景,构建了各场景攻击致损路径图及贝叶斯攻击图。其次,考虑到漏洞利用的难度和攻击者的技术水平,建立了漏洞平均攻破时间(MTTC)模型,计算各攻击目标的攻破概率。然后,建立了针对AMI虚假数据注入的负荷损失评估模型,求解出负荷削减问题,并结合攻击概率提出了安全风险综合定量评估模型。最后,基于IEEE 39节点系统,对比分析了不同级别攻击者在AMI不同攻击致损路径下的MTTC,计算了网络攻击下系统的安全风险值,验证了所提方法的有效性。

基于气泡动力学的油浸绝缘纸中气泡形成模型

油浸式变压器内部绕组的匝间纸绝缘受温度的影响会析出气泡,进而引发局部放电导致绝缘劣化。该文通过研究油纸界面的微观结构和气泡产生的物理过程,建立气泡演化的数值模型,结合气泡生长过程中的受力分析,得到了气泡在不同条件下的生长规律。首先,基于Rayleigh-Plesset方程建立油纸界面处由气泡内压强主导的气泡生长过程。其次,根据理想气体体积定律与Hertz-Knudsen界面蒸发冷凝方程量化界面处水蒸气进入气泡的质量通量,并在此基础上建立气泡内压的控制方程。最后,求解获得了升温时油纸系统中气泡的生长曲线,并根据气泡生长时的受力分析得到了气泡脱离半径进而计算出气泡初始逸出温度(initial temperature of bubble escape,ITBE)。计算的气泡脱离半径与实验结果具有较好的一致性,此外预测的ITBE与实验结果的最小平均相对误差为1.11%。模型结果表明,纸中水分质量分数越高,气泡生长速度越快。而绝缘纸微观结构的变化主要通过影响气泡初始半径和气泡在界面处所受表面张力的大小,从而影响气泡的形成过程。

基于扰动观测的构网型柔直系统阻尼控制器设计

构网型柔直逆变器具有惯性支撑能力,可对低惯性电网进行频率支撑,但也具有类似同步发电机的振荡特性,系统受扰后构网型逆变站易参与电网振荡,导致振荡范围扩大。首先构建了构网型逆变站和受端电网的简化状态空间模型,基于奇异值分解技术研究了控制器参数、柔直并网位置以及电网惯量分布对交直流系统振荡特性的影响,确定了两区域系统中柔直的最佳并网位置。接着利用构网型逆变站对电网扰动的主动响应能力,设计了基于扩展状态观测技术的振荡阻尼控制器(disturbance observer-based damping controller,DODC),利用构网型逆变站自身的量测对交直流混联系统的关键状态进行实时估计,并利用二次型最优反馈控制实现关键振荡模态阻尼抑制。最后通过DIgSILENT/PowerFactory-MATLAB联合仿真模型对所提控制策略的有效性进行了验证。

基于设备安全边界的分布式能源站实时安全风险评估及应对策略

在能源转型的背景下,多能耦合的分布式能源站发挥着重要作用。然而,随着多能耦合程度不断加深,能源站安全运行面临严峻挑战。提出基于设备安全边界的分布式能源站实时安全风险评估及应对策略。首先,以分布式能源站关键管线输出功率作为观测对象、多能流平衡方程作为约束,结合设备相互支撑备用关系,构建分布式能源站各设备安全边界,实现能源站故障运行状态的判断。其次,分析设备与管线故障源特征,提出考虑设备健康状态、天气因素和其他风险源的设备实时故障概率量化计算方法,构建考虑故障运行状态的分布式能源站安全风险评估模型。最后,针对高风险设备或管线,提出了兼顾安全性和经济性的储能优化应对策略,运用改进多目标粒子群算法求解Pareto解集。算例结果表明,所提安全风险评估方法能有效量化能源站安全风险。

基于气泡产生起始温度的变压器短期过载预警方法

变压器过载运行容易导致油纸绝缘系统产生气泡进而造成故障,但目前只以140℃作为热点温度限值,未能考虑实际运行状态对气泡起始温度的影响,难以充分发挥设备的最大利用效益。针对上述问题,综合国内外油纸绝缘气泡产生起始温度的试验提出了适用于实际工况下的变压器气泡产生起始预警温度计算方法。根据变压器的运行年限、油中水分含量和海拔等运行参数估算出变压器内部油纸绝缘系统产生气泡的起始温度。以该温度的90%作为预警温度,表征变压器能够承受的最大荷载能力。利用贝叶斯网络建立了短期负荷预测模型,结合绕组热点温度计算方法实现了变压器热点温度的短期预测。提出了一种变压器短期过载预警方法,并证实了该方法能够充分考虑变压器的运行实况,对未来的过载情况提前发出告警,指导相关运维部门开展变压器的过载停运和负荷转移工作,减少变压器停运和绝缘故障的发生。

柔性直流换流站供电无源交流线路电压单环控制策略研究

高比例新能源经柔性直流并网送出时无源交流线路空载加压是必不可少的环节,换流站闭环运行控制存在谐振失稳风险。针对该应用场景,提出了一种具备故障限压限流和谐振抑制能力的电压单环控制策略。首先,在考虑换流站链路延时的基础上,采用常规电压单环控制方式,分析了该场景下诱发谐振失稳的关键因素。其次,考虑故障限压限流和谐振抑制需求,提出了电压前馈和电流前馈补偿控制策略,推导了故障电流与电压单环控制器限幅和电流前馈补偿等效直流增益之间的数学关系。再次,以抑制谐振为目标,从不同频率段实现了前馈补偿器参数选择范围的解析计算和优化设计。最后,采用电磁暂态仿真模型验证所给控制策略和参数解析计算与优化设计的有效性。

面向低成本轻型化直流耗能装置的滞环控制策略

直流耗能装置是海上风电经柔直并网系统中的重要装备,用于受端电网故障时吸收风场馈入的盈余功率防止系统过压。该文针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)型和混合型两种工程主流耗能装置技术路线,提出一种通用的直流母线电压滞环控制策略,可显著降低耗能阀内部电容、电阻及绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)的电气应力与选型规格参数,实现装备低成本和轻型化设计。建立融合耗能装置的柔直系统直流侧等效数学模型,揭示控制参数对系统暂态过电压和耗能装置热应力的影响机理,给出控制参数的详细设计方法。最后,搭建±250 kV/1 500 MW海上风电并网系统模型验证上述内容的正确性,仿真结果表明,所提控制策略具有良好系统特性,MMC型耗能装置无需额外配置37%的全桥子模块,电容值降低75%;混合型耗能装置内部电阻发热降低97.7%,不再需要水冷散热装置。

储能系统直流侧纹波电流对锂离子电池寿命影响分析及优化控制策略

针对储能系统直流侧纹波电流对磷酸铁锂电池寿命影响问题,通过分析磷酸铁锂电池寿命模型的变化机理和规律,发现纹波电流下影响磷酸铁锂电池寿命的关键因素是电池充放电状态期间的电流平均值而非电流有效值,电池充放电状态期间电流的平均值越大,电池老化程度越快,并通过设计仿真以及实验验证了所发现的规律。基于该规律可优化储能系统安全经济运行的控制策略,在电网不平衡时采取抑制交流侧功率波动而放宽直流侧功率波动的控制策略,并在光储系统恒定有功功率并网时,基于电池老化特性曲线和储能系统并网谐波含量符合要求下,提出了一种延长储能电池使用寿命的多储能变流器协调控制策略,与传统控制策略相比,可减缓电池老化速度的19.8%。

基于高频重构信号与Bayes-XGBoost的低压电弧故障辨识方法研究

针对低压配电系统中单个用电负载支路串联电弧故障辨识困难的问题,提出一种基于高频重构信号和Bayes-XGBoost的低压电弧辨识方法。首先,搭建多支路、多负载类型的低压电弧故障真型实验平台,并采集相关数据。其次,基于故障前后主线路电流高频信号变化规律,提出信号微弱变化叠加法重构故障有效信号。最后,建立适用于单个负载支路电弧故障辨识的XGBoost模型,并采用Bayes算法对模型多个超参数进行优化。实验结果表明,所提方法在多种工况下对单个负载支路电弧故障具有较高的辨识准确率。与6种主流故障分析方法对比,所提方法在精度、训练速度和泛化能力等方面展现出了显著的优越性,有利于实现低压配电系统单个负载支路电弧故障的可靠辨识。

基于计量数据联合分布的用户无功补偿异常感知

工商业用户数量庞大,因缺乏必要的专业知识而难以及时感知无功补偿故障异常,容易长期带病运行,降低用电功率因数、推高用能成本。利用用户无功补偿装置正常运行时会将功率因数控制在目标区间、有功负荷和功率因数具有大致固定的联合分布的特点,提出基于计量数据联合分布的用户无功补偿异常感知方法。首先,基于用户计量数据生成有功功率和功率因数的频数分布矩阵,以此表征用户无功补偿装置的运行状态;然后,应用二维卷积神经网络对正常和故障时的样本频数分布矩阵集进行训练和测试;当待检日样本的频数分布矩阵被模型诊断为异常标签时,认为当日无功补偿装置处于故障异常状态。基于现场故障数据的测试分析表明,所提方法在准确率及误检率上均有较好的表现,可及时提示用户修复设备、提高用电能效。

VSC抑制含电池储能直流配电系统振荡的阻尼控制及参数计算方法

双向DC-DC变换器运行于Buck模式所产生的负阻尼效应是诱导直流配电系统发生振荡失稳的主要原因之一。针对VSC与双向DC-DC变换器所构成的直流配电系统振荡失稳问题,基于构建的状态空间理论分析模型,研究了稳态运行点、主电路参数以及控制系统参数对直流配电系统失稳特性的影响,揭示了振荡失稳发生的本质机理。其次,通过实时调整注入直流配电系统的瞬时有功功率,提出了在VSC电流内环反馈直流电流的有源阻尼控制策略。再次,以低频段阻抗幅值无交点、中频段幅值交点的相位差限制在180°范围内为约束条件,对有源阻尼控制器参数的选择范围进行了解析计算,分析了影响参数选择的主要因素。最后,以稳定性最严重的工况为例,在参数解析计算范围内,选择了矩形方框的4个点参数进行电磁暂态仿真验证,结果验证了方法的正确性和有效性。

考虑供需双边响应的综合能源系统优化调度

为进一步挖掘综合能源系统(integrated energy system,IES)供需两侧的灵活性资源,优化系统运行的低碳性与经济性,提出一种考虑供需双边响应的IES优化调度策略。首先,为提高IES供能灵活性,引入电热锅炉和有机朗肯循环发电装置构建热电联产(combined heat and power,CHP)机组电、热能灵活输出的供给侧响应模型,并提出输出电、热能占比率灵活性指标,以衡量CHP机组的运行灵活性;其次,在电、热、冷多元负荷具备转移、削减和替代响应特性的基础上,构建考虑电动汽车有序充放电策略的需求侧响应模型,以深入挖掘需求侧的可调度潜力;最后,以购能成本、弃风成本、响应补偿成本、运维成本和碳交易成本之和最小为优化目标,建立IES供需协同优化模型。结果表明,所提优化调度策略能够充分发挥供需灵活资源协调互补的优势,在促进风电并网消纳的同时有效提升IES运行的低碳性、经济性与灵活性。

混合级联换流站直流短路故障解析计算与快速限流方法

在高电压、大容量、远距离输电领域,混合换流器拓扑相比于单一换流器更具技术优势,其中为应对危害性极高的直流短路故障,换流器直流短路故障穿越能力需重点考虑。首先,提出一种基于电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和模块化多电平换流器具备直流短路故障穿越能力的混合级联拓扑及其直流短路故障限流控制方法;其次,通过分析直流短路故障期间换流器动态特性,构建分阶段状态方程数学模型,实现对直流短路故障电流进行精确解析计算;再次,选取最严重直流短路故障工况,以最大允许电流变化量作为判据并结合所提出的直流短路故障电流计算方法,给出强制触发角参数动态优化计算机制;最后,以优化设计的强制触发角为基础提出快速限流控制策略,该策略能保证LCC在直流短路故障穿越时不发生换相失败且快速降低故障电流。

考虑多扰动因子的含光伏电源低压台区漏电故障检测

针对含光伏电源的低压配电台区剩余电流检测易受多重因素干扰,难以实现漏电故障精准检测的问题,提出了一种基于随机森林算法的计及剩余电流扰动因子含光伏电源的低压配电台区漏电故障检测方法。通过多角度挖掘分析剩余电流扰动因子,利用剩余电流偏差法定量分析剩余电流扰动因子对剩余电流的影响,分析计及剩余电流扰动因子的漏电故障频域特性,构建了多维故障特征向量与特征数据集,建立了基于随机森林算法的漏电故障检测模型。通过仿真模型进行仿真分析与验证,结果表明所提方法可高精度检测漏电故障,与常用方法相比,所提方法的故障检测准确率和稳定性更高、抗干扰能力更强。