电容器用双向拉伸聚4-甲基-1-戊烯(BOPMP)薄膜开发与应用

聚4-甲基-1-戊烯(PMP)是一种具有等规结构的新型热塑性塑料,PMP为结晶性树脂,熔点在235℃~240℃之间,耐热性好,可在高温下使用,并具有卓越的电气绝缘和介电性能。与聚丙烯树脂相比,熔点高60℃,介电常数、介电损耗相近。随着我国电子工业的发展,PMP的用量在近年来有大幅的增长。目前世界上只有日本三井化学株式会社生产,由于产量有限、售价较高,限制了PMP在国内的应用。为此本文尝试采用双向拉伸的方法,试制聚4-甲基-1-戊烯(BOPMP)薄膜,并加工成金属化膜,试制电容器,最后对电容器的性能进行相应测试评价。采用不同牌号原料生产BOPMP薄膜,其电压击穿强度差别较大,不同频率下的BOPMP薄膜电容器损耗角正切值、介电常数均与BOPP薄膜电容器接近,但其高温下的性能有待进一步验证。如何提升BOPMP薄膜电压击穿强度及其耐热性,开发出适宜于双向拉伸的PMP粒子原料,生产出高质量的BOPMP电容薄膜,将是未来重点研究的方向。

微纳层叠聚丙烯介电薄膜的制备与性能研究

为解决聚丙烯薄膜介电常数低、介电场强低等问题,创新提出采用微纳层叠挤出技术制备不同层数(1层、16层、256层)的聚丙烯薄膜,并对不同层数聚丙烯薄膜的介电常数、介电损耗、击穿场强、结晶度、力学性能等进行表征。结果表明,相比于层数为1层的聚丙烯薄膜,16层、256层的聚丙烯薄膜的介电常数分别提升23.2%和37.0%,介电损耗分别降低36.94%和58.56%、击穿场强分别提升11%和23.3%,拉伸强度分别提升5.3%和18.98%。结晶度也随层数的增多而增大,该技术对聚丙烯薄膜的介电性能有明显的提升效果。这项工作对单一材料介电性能的提升提供了全新的思路。

薄膜电容器数据挖掘与分析

作为电力系统的重要元件之一,薄膜电容器因长使用寿命、高可靠性等优点而受到广泛应用,然而却极少有研究从数据角度挖掘电容器的自身属性。为了填补这一空白,本文选取收集自网络的40793条薄膜电容器数据作为分析基础,首先利用散点图和箱线图从横向角度分析了不同材料制备而成的电容器的容值、最高最低温度、交直流运行电压等差异,然后利用饼图从纵向角度对比了电容器的运行温度和应用场合,最后计算出这些性能指标的皮尔逊系数并进行了相关性分析。结果表明金属化聚丙烯材料作为目前的主流材料在容值和交直流运行电压方面比其他材料均具有显著的优势,而金属化聚苯硫醚在运行温度上占优,电容器除温度和运行电压外的各项参数之间的相关性并不显著。未来可以进一步对数据进行处理和学习,达到性能预测的效果。

基于线性自抗扰控制的柔性多状态开关直流电压控制策略

为提高柔性多状态开关(flexible multi-state switch,FMSS)的抗干扰能力,以保证在系统干扰的情况下维持直流电压稳定,该文提出一种基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)的FMSS直流电压控制策略,其控制策略可以将作用于研究对象的不确定因素整合成系统总扰动,并对扰动进行实时跟踪估计和补偿,以此抑制系统干扰。通过Matlab/Simulink对FMSS建模,并设计线性自抗扰控制器模块来替换电压外环和电流内环中的PI控制器模块。在系统干扰的情况下,对FMSS的抗干扰能力进行实验验证。仿真结果表明,与传统PI双环控制策略相比,基于LADRC的控制策略能更好地应对系统干扰,能有效提高系统干扰抑制的能力,维持FMSS直流电压稳定。

“干式直流电容器全链条国产化关键技术”专刊特约主编寄语

首先非常感谢《电力电容器与无功补偿》期刊编辑部邀请我作为特邀主编组织“干式直流电容器全链条国产化关键技术”主题专刊,同时非常感谢国家重点研发计划“储能与智能电网技术”重点专项“干式直流电容器用电介质薄膜材料”项目承担单位及安徽铜峰电子股份有限公司为特刊投高水平论文。

干式直流电容器全链条国产化关键技术探讨

高性能薄膜电容器广泛应用于新能源交通工具、输变电工程、医疗救治器械和电磁脉冲武器等领域,其中干式直流电容器更是柔性直流输电的重要装备。目前薄膜电容器生产过程中从原料到重要装备完全依靠国外技术,高端薄膜电容器超净聚丙烯(PP)原料完全依赖从国外进口,加工双向拉伸BOPP薄膜和电极蒸镀等大型生产设备都是从发达国家购买,严重制约了我国薄膜电容器技术研发和工程应用,特别是在当前的复杂国际环境下带来诸多隐患,一旦国外禁止向我国出售相关原料和设备,将严重影响我国高科技领域的发展。由此,在当前复杂的国际环境和我国政府提出的“双碳”目标背景下,必须下大力气着力解决影响薄膜电容器领域发展的诸多关键因素,依靠自主技术服务于新能源系统建设。在国家重点研发计划“干式直流电容器用电介质薄膜材料”重点专项支持下,本文从薄膜电容器用电工级超净PP原料入手,探讨通过相关领域科研院所与相关企业深度合作,进行电工级超净PP原料技术攻关,解决研发验证过程中存在的问题,从全局观出发力图解决我国干式直流电容器工程应用面临的重大问题,形成我国干式直流电容器全链条国产化关键技术。

电化学储能参与电网暂态功角稳定控制研究

针对电网传统紧急控制资源的日益匮乏,利用电化学储能功率控制的快速性与双向控制能力,研究将其应用于电网暂态功角稳定控制。首先推导了计及电化学储能的双机等值模型,基于扩展等面积定则分析了储能改善电网暂态稳定裕度的原理。其次,提出了一种考虑设备保护与系统保护动作时序差异的储能电站有效工作时长计算方法,改善了紧急控制储能的工作效率。提出了计及储能的基于性能代价比多类措施协调控制策略制定方法,兼顾紧急控制的安全性与经济性,为电网暂态紧急控制提供在线辅助决策支撑。进一步提出了储能电站全景监控系统架构,为实现储能电站与电网紧急控制系统的交互提供了技术实践思路。最后西北电网实际算例验证了所提方法的有效性与合理性。研究结论可为规模化储能与高比例新能源电网第二道防线的扩展与建设提供理论参考。

基于自启动系统的海上风电并网技术

针对目前海上风电项目建设存在并网周期长的问题,提出了一种自启动的风机并网方法,并基于该方法开发了一套风机并网调试自启动装置。该装置可以安装在海上升压站平台上,在大电网电源送达海上升压站前,通过海缆为风机提供稳定电源,在此期间提前完成风机各项调试与并网工作。待正式电源送达海上升压站后,风机直接并网,大幅缩短海上风电项目建设工期,帮助风机提前并网发电,创造可观的经济价值,并能够加速清洁能源并网,助力“碳达峰,碳中和”的能源环境战略目标实现。目前,该技术已在江苏如东多个海上风电场落地应用,现场试验数据验证了研制系统和所提方法的先进性与有效性。

电容器薄膜用聚丙烯原料微量元素分析方法

为了精确分析电容器薄膜用聚丙烯原料中微量元素,介绍了电容器薄膜用聚丙烯原料进行元素测定时的干法灰化法以及微波消解法两种预处理方法,比较了不同方法对分析结果的影响。对比了几种分析手段的特点,选择电感耦合等离子体质谱法作为分析手段。相比于干法灰化法,微波消解法的准确度和精密度都较高,微波消解法结合ICP-MS法适用于测定电容器薄膜用聚丙烯原料中的微量金属元素,建立了基于ICP-MS法测定电容器薄膜用聚丙烯原料中微量金属元素含量的方法。

液冷式锂电池储能系统高倍率调频应用研究

针对风光能源规模化接入电网造成的频率波动问题,提出了结合功率型锂电池及液冷式热管理的储能系统。基于实验测试获取了功率型锂电池的电热特性,结果表明高倍率工况下仅依靠自然对流散热不能满足电池合理工作温度需求。建立了液冷式热管理系统及其仿真模型,并通过数值仿真对4C倍率放电、不同流量以及实际AGC调频工况条件下系统热管理性能及电池热行为进行了分析。研究表明实际AGC调频工况下,电池间温差小于2℃,最高温度小于33℃,证明了液冷式热管理方案能够实现储能系统在高倍率调频工况下的长期稳定运行。

基于原位测量的交直流复合电压对金属化膜自愈特性影响的研究

干式直流金属化膜电容器由于其具有特殊的“自愈”特性,在投入使用前可通过“赋能”工艺去除电弱点,相比于箔式电容器,其工作电压更高,储能密度更大。为此,搭建了金属化膜自愈特性原位测试平台,研究了交直流叠加下金属化膜自愈特性的演变规律,分析了在温度、压强等复杂应力作用下,不同交直流复合电压对金属化膜自愈特性的作用机制。同时依据温度实验中发现的现象和得出的结论,搭建了自愈热力学模型,从热力学理论的角度上明确了焦耳热为自愈能量的主要来源,经过仿真计算后发现,热力学模型在0.1 MPa低压强下呈现很好的拟合效果,但在10 MPa高压强下误差较大。

基于阻抗分析的双馈风电场次同步振荡研究

以新能源为主题的新型电力系统大力发展的背景下,风力发电得到了显著的发展。风力发电成为可再生能源的主要来源之一。串联补偿法将电容器组与输电线路串联,可以有效提高输电线路传输能力,是大型风力发电厂并网的优选途径。但是,串联补偿法的缺点是增加了系统次同步振荡的可能性。为了研究次同步振荡的抑制方法,本文基于阻抗分析,主要针对双馈风电场中由感应发电机效应引起的次同步振荡问题,采用基于阻抗分析的广义奈奎斯特分析法对风电场的次同步振荡现象进行推导分析,并提出一种在系统转子侧加入积分系数以增加系统阻尼的次同步振荡抑制策略。最终在Matlab/Simulink搭建风电场等值系统,通过仿真验证所建理论分析与抑制策略的准确性。

基于分子动力学的聚丙烯电热应力老化特性分析

高压直流输电(HVDC)工程中广泛应用的聚丙烯(PP)薄膜电容器,其内部高温和高场强是PP老化的主要原因。基于分子动力学仿真方法,从分子层面研究了PP在电热应力下的老化过程。首先建立PP和含羰基PP分子模型,基于反应力场分别模拟了热、电应力作用下PP裂解反应,分析了主要产物形成过程;然后基于COMPASS力场分析热应力下PP力学和绝缘性能变化规律。结果表明:PP裂解反应中C—H键首先断裂,然后是C—C键的断裂并形成羰基,在此过程中热应力对于PP的电热老化影响更显著;温度在450 K以下时,PP力学参数基本不变,当温度达到600 K时,PP力学参数显著变化,稳定性下降;羰基影响PP老化过程中的力学和绝缘性能变化,含羰基PP能隙下降28.21%,在300 K、450 K和600 K时弹性模量分别增加15.3%,32.85%和27.08%。

新能源同步机对光伏发电系统静态电压稳定性的提升作用研究

传统同步电源被电力电子并网变流器大量替代导致新能源电网无功裕度不足、静态电压稳定性降低,并网点电压失稳甚至崩溃的现象愈发明显。针对上述问题,本文以光伏发电系统为例,研究其采用新能源同步机(motor-generatorpair,MGP)的并网方式对系统静态电压稳定性的提升作用。首先介绍了MGP系统的原理并分析其功率传输特性;然后,基于能够反映节点电压和潮流关系的V-Q和P-V曲线法从理论上揭示了MGP系统能够增加无功裕度以提高静态电压稳定性;最后,在PSCAD/EMTDC软件中分别建立了光伏直接带负载和经MGP带负载的电磁暂态仿真模型,通过在相似的网络结构下设置不同典型功率因数的负荷变化,结合V-Q/P-V的响应特性对比得出两类系统的失稳电压、无功/电压裕度和电压降落等典型指标。结果表明光伏采用MGP系统并网后,系统的静态电压稳定性得到了显著提升。

金属化膜击穿与自愈性能研究

薄膜电容器凭借体积小、储能密度高、安全性好等优点,在直流输电、轨道交通、脉冲功率装置等方面具有重要应用。薄膜电容器常用介质材料包括双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜,本文以两种介质薄膜为研究对象,通过真空蒸镀制备不同方阻的金属化膜,研究了金属层厚度对薄膜击穿强度和自愈性能的影响。两种聚合物的金属化膜都表现为:降低金属层厚度可在一定程度上提高薄膜的击穿强度,由于自愈能量具有统计性,其随电压升高增大,而高方阻薄膜的自愈能量更小,自愈性能更好。实验中也观察到重复自愈现象并对出现的原因做出了解释。

一种基于非线性电流跟踪算法的STATCOM相间电容电压平衡控制策略

针对基于级联H桥拓扑结构的静止同步补偿器在传统控制框架下所产生的相间电容电压不平衡问题,采用一种新型混合调制方法并提出了一种全新的非线性分相电流控制策略。首先,基于六模块十三电平级联H桥拓扑结构,阐明新型混合调制的调制原理,并阐述适用于新型混合调制的相内电容电压均衡策略。其次,推导了静止同步补偿器在两相同步旋转坐标系下的控制模型,并分析指出采用dq解耦控制存在的相间电容电压不平衡问题。针对相间电容电压不平衡问题,提出基于三相静止坐标系下的电流分相控制策略,通过Lyapunov稳定性判据第二法推导并设计实现对交流指令电流无差跟踪的非线性电流控制器。最后,在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型。仿真结果表明,所提控制策略在不同条件下均能保持相间电容电压一致和稳定,且具有良好的动态响应特性。

虚拟同步机控制策略下的STATCOM相间电容电压平衡方法研究

针对基于直挂式级联H桥拓扑结构的静止同步补偿器在运行时产生的相间电容电压不平衡的问题,本文在虚拟同步机的控制策略基础上提出了一种平衡相间电容电压的方法。虚拟同步机具有响应速度快的优点,但用于静止同步补偿器来作无功补偿时会产生相间电容电压不平衡的问题。因此本文首先引入电容电压平均值来完成虚拟同步机的快速并网,其次将虚拟同步机算法的无功调节分为3部分来实现分相无功补偿,再在电压合成前引入电容电压平均值作反馈,以实现相间电容电压平衡。最后在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型,验证了所提控制策略能有效解决相间电容电压不平衡问题,并且仿真结果表明所提控制策略具有良好的动态响应特性。

基于MMC的多端柔性直流配电网控制与保护

为提高多端柔直配电网系统的稳定运行能力,本文首先对分割的城市中压配电网进行互联设计了多端柔性直流混合配电网,对主要换流设备选型进行实例设计;基于下垂控制策略并结合功率参考值平移的曲线特性,将考虑电压限值的直流电压斜率控制方法应用于多端柔直配网,并制定本文设计案例的换流器保护配置策略。在PSCAD/EMTDC中完成10 kV多端柔直配网应用案例的搭建,最后仿真验证直流电压斜率控制策略及保护配置方案的有效性。

电容器用超净聚丙烯薄膜综合性能比较

研究了不同聚丙烯粒料、不同薄膜生产厂家制备的一系列电容器用超净聚丙烯薄膜的主要性能指标;对比了不同聚丙烯粒子制备电容器膜的结晶特性、热性能、介电性能和绝缘性能等各项性能差异。测试结果表明,部分国产电容器用聚丙烯薄膜性能已达到进口薄膜标准,但仍存在国产膜结晶度偏低、薄型膜质量较差的问题。国产电容器用聚丙烯薄膜距离世界领先水平仍有差距,需要进一步提高国产粒料性能,优化薄膜制备工艺。

柔直阀段测试平台谐波电流分析及调制方法影响研究

柔直阀段测试平台是对换流阀功率模块电气应力等效测试重要手段,本文依据阀段测试平台拓扑及调制方法分析电感电流谐波产生机理,研究固定值调制和平均值调试两种方法的电感电流直流分量、2次谐波和3次谐波与基波比例解析表达式,提出基于平均值调制的2次谐波电流抑制方法。在Matlab/Simulink中搭建仿真平台对两种方法建模精度和控制性能进行对比分析,结果表明两种调制方法谐波电流解析表达与仿真结果差别小于7.9%,验证了理论分析的正确性。平均值法相较于固定值法能有效降低2次谐波电流50%,验证了所提方法的有效性。