面向新型电力系统的柔性直流换流器统一控制架构

新型电力系统的发展对柔性直流输电技术提出了更高需求,随着异构串联型直流换流器拓扑架构的提出,柔直换流器已在拓扑层面实现结构统一。然而,在控制层面,传统柔直换流器控制虽然具备功率解耦控制能力,但交流电压、直流电压和子模块电容电压之间存在紧密耦合,难以发挥柔直换流器全控型器件运行灵活性高的优势。首先,基于现有直流换流器控制架构,提出控制自由度的概念,并引入调制比的表征方法,构建模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的多自由度控制体系;然后,通过分析MMC换流器内部的电压耦合机理及其与调制比的关系,系统地揭示了现有MMC换流器的各种控制策略之间的关联性,形成具备“功能统一、结构统一”的MMC换流器的4自由度统一控制架构。并针对柔直系统中不同控制目标的MMC换流器分析4自由度控制架构的应用及其控制潜能;最后,在单端MMC物理动模实验系统中对MMC换流器4自由度控制在典型应用场景下的性能进行实验验证。

特约主编寄语

随着我国进入高质量发展的新阶段,在“双碳”战略、环保需求和能源安全保障需求的推动下,新型储能系统已然成为建设新型电力系统、提升电力系统综合调节能力的核心关键要素。新型储能技术的发展将为我国的能源转型提供不可或缺的支持。

面向新能源波动平抑的储能多参数等价折算配置方法

基于储能在参与调节新能源出力随机性和波动性的重要作用,针对由储能种类多样性和参数复杂性导致的储能选型和配置困难问题,提出了一种面向新能源波动平抑的储能快速选型与配置方法。首先,从储能的物理模型本质出发,综合考虑储能的多类型参数,提出了一种储能多参数等价折算的方法;该方法将储能的荷电状态(state of charge,SOC)、寿命、效率和初始投资成本等多参数对比等价折算为功率和容量的配置成本对比,对复杂参数关系进行综合量化表征,实现对储能价值的快速准确评估。然后,为保证新能源出力平滑,建立了不同时间尺度下的新能源波动平抑指标,提出了新能源波动平抑的储能优化配置模型。该模型以储能成本、限电损失费用和新能源波动越限惩罚费用最小化为目标,考虑系统的运行约束与储能约束,实现系统技术和经济性能的最优化。最后,根据某实际算例的波动平抑需求调研了多种应用广泛的储能系统,基于所提储能多参数等价折算方法对不同储能的技术经济参数进行分析与比较,验证了所提的储能选型配置方法和新能源波动平抑模型的有效性和适用性。

新工科背景下课程思政系统设计与实施

科技革命、产业变革和新经济发展,对高等工程教育产生深远影响,新工科建设的社会意义在于其超越传统工程领域,塑造未来工程人才的“新素养”。该文首先分析新工科背景下电气工程专业人才培养的新需求;接着,针对当前课程思政教育存在的不足,以华中科技大学电气与电子工程学院对专业课程思政改革实践为例,提出建立包括家国情怀、责任担当、个人修养、科学精神、工程师精神和创新精神六维课程思政教学目标体系框架,体现“大思政”理念,具有鲜明的时代特色和工程特色;最后,文中给出全面构建课程思政教育体系的整体设计、可具体操作的建设思路、实施路径和效果,引导学生建立正确的价值观和工程观,以期对我国电气工程专业人才培养提供有益借鉴和参考。

面向新型电力系统物理模拟实验的快速系统原型技术

新型电力系统对电力系统物理模拟实验提出了很高的要求,原有的物理模拟技术已难以满足。通过借鉴控制领域常用的快速控制原型(RCP)技术思想,提出了快速系统原型(RSP)技术,包括数字仿真器、快速原型控制器和快速原型被控对象(ROP)3个部分,解决了传统物理模拟技术费时费力和难以满足新型电力系统快速演进需求的缺陷。RSP技术用于科学研究、产品开发和入网验证时,研究成果和产品可直接用于工程实际。首先介绍了RSP的思想及具体实现方案,并阐述了其“所见即所得”的动模实验理念,最后以柔直输电动模实验为例,验证了基于RSP理念和技术可建成一个企业级别的仿真环境及工程技术实践平台,并能真实灵活仿真新型电力系统的各种特性。

丘陵山地拱腰式可重构柔性底盘设计

针对丘陵山地坡多梗多的复杂地形环境,设计了一种拱腰式可重构柔性底盘。系统开展了底盘拱腰装置、传动系统、控制系统等关键部件的分析,实现了底盘的总体结构设计,为适宜丘陵山地农业机械动力底盘的研究提供了一定的参考。

柔性直流输电系统三维度控制

现有柔性直流输电工程均采用双闭环矢量控制,通过交流调制比生成桥臂电压调制信号。此种方式下,子模块电容电压与直流输出电压耦合,控制灵活性差。该文基于混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)交直流对偶控制框架,提出了一种适用于半桥型MMC-HVDC系统的三维度控制架构,包含交直流对偶控制、子模块电容能量控制与可变最近电平调制,使得MMC子模块电容电压与直流输出电压解耦,极大提高了控制灵活性。文章首先分析了柔直常规控制的设计特点,给出了三维度控制的设计思路;然后基于三维度控制,分析了MMC的直流电压运行域、主动能量利用与直流故障限流等能力,建立了包含三维度控制的MMC小信号模型分析了其稳定性。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提控制方法的有效性。

面向新型电力系统的直流输电换流器统一拓扑架构

新型电力系统对直流输电技术提出了更高需求。该文首先介绍了直流输电的发展历程,并基于新型电力系统发展带来的挑战分析了常规直流输电和柔性直流输电两类技术的优势和不足。为此,从换流器拓扑入手,突破同构串联和异构并联两种常见拓扑架构,以晶闸管换流器和模块化多电平换流器为基础,提出了面向新型电力系统的异构串联型换流器统一拓扑架构。从运行区间、无闭锁故障穿越等技术性能和经济性、易实现性等工程应用角度综合对比分析了多种结构的换流器,证明了异构串联型换流器的优越性。最后,介绍了异构串联拓扑架构的两种具体应用,指出了未来发展方向。

面向分布式能源的可交易能源市场研究综述与展望

可交易能源市场能够激励产消者进行能量交易,通过调整实时电价以引导其平衡可再生能源出力的随机波动,提高可再生能源消纳水平,保障中国“双碳”目标的实现。首先,介绍了面向分布式能源的可交易能源市场的概念、特性与框架。然后,全面分析了现有可交易能源市场交易机制及其优缺点,介绍了现有可交易能源市场的平台和示范项目。最后,从市场实际运行的角度简述了可交易能源市场现有的挑战并指出未来的发展方向。

基于文献计量的国内落叶收集装置专利分析

通过对CNKI数据库检索,从专利时序分布、研究热点与演化趋势等方面分析落叶收集装置研发现状与发展趋势。结果表明,国内关于落叶收集装置的文献数量总体呈指数型增长,专利类型以实用新型最多,外观设计最少;研究热点以固定连接、收集箱出现频率较高。申请专利涉及主要主题前10位占全部专利的22.35%,次要主题前10位占全部专利的44.69%。研究学科中建筑科学与工程最多,占全部授权专利的64.82%。专利前10名的省(市)申请授权的专利共450件,占全国总数的71.32%,这些省(市)既是我国绿地面积大省(市),也是我国经济大省(市),对原创性专利研发比较重视,科技投入较多,专利申报数量也相对较多。

“智能电网+”研究综述

智能电网SG(Smart Grid)是电力系统发展的必然趋势,其核心要义便是"智能",但目前智能水平还很低。而人工智能AI(Artificial Intelligence)技术取得了突破性进展,为SG的发展提供了重大机遇和强大支撑。为此,提出"智能电网+(Smart Grid Plus,SG+)"的概念,涵义是借助AI技术实现SG的升级版,使电网具有更高级、更深层的人工智能,从而进一步提升电网运行的安全性、经济性、可持续性。首先综述AI的研究进展,指出AI并非万能、也非无能;然后综述SG的研究进展,指出SG发展中"三高"(高比例新能源并网、高比例电力电子装置、高比例新负荷接入)和"三多"(多种能源相结合、多种网络相结合、多种主体相结合)的趋势。在回顾AI在电力行业应用的基础上,结合以深度学习为代表的第三代AI技术的发展,对深度学习等AI技术在SG适用的相关领域进行分析和展望。

全景信息感知及智慧电网

碳中和的目标和可再生能源的快速发展为电力系统带来新的机遇与挑战。加快电力系统的数字化转型,建设智慧电网成为电力系统未来发展的重要路径。该文基于第265期“双清论坛”,以“全景信息感知赋能电网智慧”为主题,凝练基础科学问题,从电网先进传感理论与技术、电力能源装备智能感知技术、基于全景信息的电网智能分析运行控制3个方面综述了当前研究现状,指出该领域未来研究重点,为我国智慧电网发展提供参考。

电力设备状态监测大数据发展综述

论述了大数据在电力设备状态监测上的发展趋势与应用前景。首先分析了状态监测数据的大数据特征,并从大数据技术、大数据思想方法、大数据算法三个层面论述了大数据对电力设备状态监测的提升点。其次给出了基于大数据的电力设备状态监测系统架构,并从数据采集、数据去噪、特征提取、模式识别、知识挖掘、数据可视化几个方面论述了大数据与状态监测各个环节的结合点。最后通过一个综合监测系统案例,分析了大数据在多源异构数据融合、综合分析与诊断、设备故障预测上的应用。大数据在电力设备状态监测上的深入应用,有利于解决设备状态评价和故障预测的难题,推动该领域朝着更加智能化的方向发展。

柔性直流电网主动限流开断直流故障研究

基于混合型模块化多电平变换器的柔性直流输电系统可通过主动控制来限制直流故障电流,即将在昆柳龙三端混合直流输电工程中应用。然而,关于混合型MMC的主动限流开断原理、故障电流演变特性、限流控制效果与影响因素尚缺少相关理论研究。针对上述问题,该文首先分析采用直流电压前馈的主动限流控制策略限流机理,研究计及延时后,换流器直流电压、电流在故障期间的演变特性。提出换流器与直流断路器协调控制策略,并分析采用不同协调控制策略时故障线路电流的动态演变过程。分析采用主动限流控制策略后的柔性直流电网对DCCB的开断电流大小需求。针对基于半桥MMC构建的直流电网和基于混合型MMC构建的直流电网2种技术方案,在DCCB开断电流需求、DCCB经济性以及直流电网故障特征等方面对二者进行对比分析。研究表明,与半桥MMC型直流电网相比,基于混合型MMC的直流电网在使用主动限流控制技术后,DCCB开断电流大小减小为原来的22%,使得DCCB的成本减小为原来的45%,故障后换流站直流功率最短时间恢复时间减小为原来的30%,故障后功率模块电容过电压减小为原来的33.3%。最后,通过仿真验证理论分析的合理性。

火电快速甩负荷机组动态仿真建模

快速甩负荷(FCB)技术是一种能够在电网黑启动中发挥关键作用的技术,而FCB机组动态仿真模型是研究FCB技术的基础。现有常规火电机组模型均无法准确模拟FCB工况的动态特性,为此在分析总结火电机组实现FCB功能所必需的各项技术的基础上,建立了含旁路系统的汽轮机模型以及含FCB功能的原动机调速系统模型,并加入锅炉、电力系统稳定器(PSS)、励磁系统及发电机模型组成含FCB功能的火电机组动态模型。以台山电厂FCB实验机组为例,通过Matlab/Simulink建立FCB机组的动态仿真模型,其仿真结果与现场实验结果基本一致,说明所建立的FCB机组动态模型能够准确地模拟机组在FCB工况下的动态特性,可为研究FCB机组和大旁路机组及其在电力系统的应用提供模型参考。

含大规模面板级直流优化器的分布式光伏并网系统动态建模

近年来,越来越多基于光伏(photovoltaic,PV)面板级直流优化器(DCoptimizer,DCO)的分布式最大功率点跟踪(distributed maximum power point tracking,DMPPT)技术被提出用于解决局部阴影或不匹配问题。DMPPT的研究依赖于高精度、高效率的分布式光伏并网系统动态仿真模型。而通常此类光伏电站模型包含上千的DCO,将导致仿真过程中计算量过大的问题。针对此类建模问题,提出了一种基于矩阵变量的含大规模DCO的分布式光伏并网系统建模方法。该方法可结合Matlab/Simulink矢量仿真的功能实现,所建模型是一个系统规模可任意配置的平均值模型,其优点是采用模块化设计方法,具有良好的可扩展性。此外,该模型还可以利用Simulink的线性化工具箱直接得到其线性化结果,避免了大规模系统稳定性分析中人工线性化计算的复杂性。通过小规模DMPPT光伏系统电磁暂态模型与平均值模型的仿真结果对比,以及大规模系统线性化计算结果与时域仿真的对比,验证了所提建模方法的正确性和有效性。

应对柔性直流电网线路故障的混合型MMC直流电压目标预设控制

随着国内外基于混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的架空线柔性直流输电工程的建设,研究其直流故障穿越控制技术将具备较大的工程应用价值。为减小故障电流峰值,且加快故障清除后直流电网功率恢复速度,提出一种适用于混合型MMC的直流电压目标预设控制策略。其充分利用了混合型MMC的宽范围直流电压输出能力,通过预先设定的直流电压目标控制曲线,优化直流电压站在直流故障发生后的暂态特性。进一步研究直流电压目标预设控制的基本原理与具体实现方式。针对直流电压目标预设控制分别在两端柔性直流输电系统以及直流电网中的应用,讨论故障期间电压站直流电压预设指令值的选取方法,分析比较不同直流电压预设控制曲线对故障后直流母线电压跌落、直流母线电流峰值以及直流功率恢复时间的影响。仿真分析表明,直流电压目标预设控制能够在一定程度上降低直流故障峰值电流,并较为明显的加快直流故障清除后直流电网功率恢复速度,具备一定的工程应用前景。

面向“电气化+”的电气专业实验教学体系情景分析及实验室建设

华中科技大学电气与电子工程学院依托教育部首批“新工科”研究与实践项目,依托学科优势,面向“电气化+”,重构电气工程本科实践教育体系与实践平台,提出了以“帮助学生养成基于电气工程专业的实践思维习惯、行为习惯和道德习惯”为实验教学体系建设的总目标,以“实验教学队伍要全面参与实践教育全过程”为实验教学队伍的发展目标,以“优化学生实践体验”为实践平台的建设目标,详细介绍了实验教学体系主要组成部分的情景分析、体系设计和实验教学平台建设提升。

中国未来电力系统储电网初探

双碳目标下可再生能源的快速发展将极大改变我国电力系统能源结构与分布,同时也为电力系统中储能的发展带来了重大的机遇与挑战。首先,研判了未来电力系统中负荷中心位置、电源结构及分布的变化,预测了未来电力系统电力流“外电内送”的新格局。然后,分析了储能对于支撑新格局电力系统安全、高效、低碳运行的重要意义。结合我国地形特点,探索了抽水蓄能在新格局下的发展优势。提出以抽水蓄能为主体构建未来电力系统储电网,从有功功率的全网统一性角度分析其必要性。最后,从规划、运行和市场三个方面探讨了储电网关键技术,提出了对于电力系统储电网发展的一些思考。

柔性直流电网直流线路故障主动限流控制

针对架空线柔性直流电网线路故障,提出了基于混合型MMC的主动限流控制方法,从而降低对直流断路器开断速度、开断容量以及吸收能量的要求,减少直流电网建设成本、提高直流电网可利用率。该文首先研究了换流器的交/直流电压解耦可控性,给出了主动限流控制器的控制架构。为了解决直流故障穿越期间,桥臂电容电压可能会短时越限的问题,提出了在内环直流电流控制器附加直流电流指令动态限幅控制器的方案。提出了主动限流控制策略的一种优化手段—电流目标预设控制,分析了不同控制器延时对主动限流控制的影响。计及主动限流控制,研究了单换流器系统和直流电网故障前后直流故障电流演变机理。最后,分别在单换流器系统和直流电网系统中仿真验证了前文理论分析的正确性的有效性。