Dynamic Response of Foundations during Startup of High-Frequency Tunnel Equipment

The specialized equipment utilized in long-line tunnel engineering is evolving towards large-scale,multifunctional,and complex orientations.The vibration caused by the high-frequency units during regular operation is supported by the foundation of the units,and the magnitude of vibration and the operating frequency fluctuate in different engineering contexts,leading to variations in the dynamic response of the foundation.The high-frequency units yield significantly diverse outcomes under different startup conditions and times,resulting in failure to meet operational requirements,influencing the normal function of the tunnel,and causing harm to the foundation structure,personnel,and property in severe cases.This article formulates a finite element numerical computation model for solid elements using three-dimensional elastic body theory and integrates field measurements to substantiate and ascertain the crucial parameter configurations of the finite element model.By proposing a comprehensive startup timing function for high-frequency dynamic machines under different startup conditions,simulating the frequency andmagnitude variations during the startup process,and suggesting functions for changes in frequency and magnitude,a simulated startup schedule function for high-frequency machines is created through coupling.Taking into account the selection of the transient dynamic analysis step length,the dynamic response results for the lower dynamic foundation during its fundamental frequency crossing process are obtained.The validation checks if the structural magnitude surpasses the safety threshold during the critical phase of unit startup traversing the structural resonance region.The design recommendations for high-frequency units’dynamic foundations are provided,taking into account the startup process of the machine and ensuring the safe operation of the tunnel.

Transient Hydroelastic Response of VLFS by FEM with Impedance Boundary Conditions in Time Domain

A time-dependent finite element method (FEM) is developed to analyze the transient hydroelastic responses of very large floating structures (VLFS) subjected to dynamic loads. The hydrodynamic problem is formulated based on the linear theory of fluid and the structural response is analyzed based on the thin plate theory. The FEM truncates the unbounded fluid domain by introducing an artificial boundary surface, thus defining a finite computational domain. At this boundary surface an impedance boundary conditions are applied so that no wave reflections occur. In the proposed scheme, all of the procedures are processed directly in time domain, which is efficient for nonlinear analyses of structure floating on unbounded fluid. Numerical results indicate acceptable accuracy of the proposed method.

High-frequency Resonance Analysis and Impedance Reshaping Control of MMC-HVDC System Based on Frequency Coupling Impedance Model

In recent years, high-frequency resonance (HFR) events occurred in several modular multilevel converter based high-voltage direct current (MMC-HVDC) projects. The time delay of an MMC-HVDC system is the critical factor that induces HFR. The frequency coupling affects the impedance characteristics of an MMC and further deteriorates system stability. Therefore, in this paper, a multi-input multi-output admittance model of an MMC-HVDC system is developed to analyze its frequency characteristics. The effects of current loop, power loop, phase-locked loop, and operating point on the MMC frequency coupling degree are analyzed in detail. Meanwhile, to further suppress HFR in the MMC-HVDC system, an enhanced impedance reshaping control strategy based on the equivalent single-input single-output impedance model is proposed. Finally, the accuracy of the enhanced impedance model and the effectiveness of the impedance reshaping control are verified by electromagnetic transient simulations in PSCAD.

小电流接地配电网馈线单相接地故障零序阻抗特性分析

文章以暂态零序特征为着眼点,从频域角度对小电流接地系统发生单相接地故障后的特性进行详细探讨。从线路入端零序阻抗这一随频率变化的特征量入手,深入挖掘了配电网系统中各馈线零序阻抗的阻抗特性,详细探讨了零序阻抗的幅值、相角随频率的变化规律,并针对不同的中性点接地方式以及线路是否健全加以分析,为更好地利用零序暂态信号,提高故障检测正确率夯实了基础。最后通过PSCAD搭建仿真模型验证了该特性。

弱电网下新能源逆变器自同步电压源低电压穿越控制方法

新能源并网逆变器的自同步电压源控制技术对构建以新能源为主体的新型电力系统具有重大意义,然而当弱电网电压发生跌落时,传统的自同步控制方法在低电压穿越(low voltage ride through,LVRT)过程中会出现由于电网阻抗大、相角差大等引起的瞬态电流冲击大、弱电网电压无法维持稳定、电压-电流控制能力须相互平衡等一系列问题。推导了低电压跌落时弱电网电压矢量与弱电网阻抗、并网电流之间的关系以及影响因素,进而提出了一种基于暂稳态阻抗重塑的多状态跟随自同步电压源LVRT控制方法,通过稳态阻抗来平衡电压和电流之间的控制能力;通过暂态阻抗重塑保证了整个过程的电压与电流瞬态控制与平滑过渡能力。为了进一步保证弱网下跌落和恢复过渡过程的平滑切换与稳定运行,提出了基于多状态跟随的暂态控制策略,优先发出无功支撑电网电压,并补偿相角和幅值突变带来的瞬态过电压和过电流冲击,帮助电网电压平稳过渡。最后,在Matlab/Simulink中验证了所提控制方法的正确性与有效性。

湿度对功率半导体器件芯片焊料热阻的影响机理

近年来,湿度对功率器件热特性的影响成已为热点话题。然而,功率器件芯片焊料热阻受湿度的影响尚未被试验证实,且影响机理仍不明确。该文基于试验测试、算例、仿真模型,首次提出湿度对功率器件芯片焊料热阻的影响机理。结果表明,湿度能入侵器件,并在两方面影响器件结-散热器瞬态热阻抗:(1)芯片焊料;(2)器件壳表面接触热阻。进一步地,探究芯片焊料的热容、密度、热导率受湿度影响机理,并结合算例可知,若水汽含量占芯片焊料层内物质总量的0.1%,芯片焊料的热容、密度、热导率将变化为原来的101.9%、100.0135%、91.4%。已校准热特性的仿真模型表明,焊料层热容的增大会导致焊料层热阻下降(整体热阻不变),焊料层热导率的减小会导致整个器件热阻上升,两种情况共同作用,影响实际户外应用工况下功率器件的工作寿命。

DFIG暂态特性分析及联合HVRT控制策略

双馈感应风力发电机(DFIG)高电压穿越(HVRT)问题中,其故障响应等效于在原有的稳态响应基础上增加一个电压骤升分量,以此来分析HVRT的暂态特性;针对传统“灭磁”控制无法对T_(e)进行有效控制,且要求对ψs进行精确测量的不足,本文提出一种电流追踪控制策略实现DFIG的HVRT。在此基础上,依据随R_(r)的增加,ξ随之增加,且ξ越大,抑制DFIG振荡作用越明显,提出附加阻抗控制。DFIG联合控制策略结构简单,效果显著,克服了灭磁控制无法对T_(e)进行控制的弊端,且最小化了DFIG的脉动程度,实现了DFIG的广义故障穿越。

计及换流站控制特性的多端混合直流输电系统故障暂态计算方法

精确的故障暂态计算是多端混合直流输电系统参数设计及其控制保护策略研究的基础。为此,该文计及不同换流站的控制特性,提出一种适用于多端混合直流输电系统的故障暂态解析计算方法。首先,分别构造考虑LCC整流站和MMC逆变站控制系统的复频域等值模型,建立计及直流架空线路频变特性的分布参数模型,推导多端混合直流系统的节点阻抗矩阵。在此基础上,计算故障节点电压和故障支路电流的复频域值,再利用拉氏反变换获得电压和电流的时域值。最后,基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建三端混合直流输电系统模型,对所提故障计算方法的准确性和快速性进行仿真验证。

基于暂态接地电阻建模的输电线路雷击响应研究

通过仿真建模是研究输电线路雷击响应的重要方法,该文提出一种暂态接地电阻建模方法,进而研究输电线路雷击响应。首先基于土壤物性测试平台,测量典型土壤临界击穿场强;建立考虑土壤电离非线性过程的接地装置有限元计算模型,获取冲击下接地装置U-I曲线,基于粒子群算法识别出暂态接地电阻公式,在ATP-EMTP软件中利用MODEL模块编程实现暂态接地电阻模型,并结合多波阻抗模型建立输电系统整体仿真。以110k V输电线路冲击试验为建模案例,进行建模方法的验证与分析;最后,基于该模型研究了不同接地装置和土壤临界击穿场强下的输电线路雷击响应特性。结果表明:1)基于暂态接地电阻模型的输电线路雷击响应计算最大误差为3.7%,仿真精度较工频接地电阻和冲击接地电阻模型均有明显提升;2)相同占地面积的不同接地装置类型对杆塔塔顶及塔脚雷击电压峰值和塔顶波前有明显影响,而土壤临界击穿场强对塔顶电压峰值和波前时间影响较小而对塔脚电压峰值影响明显。

Computer Analysis of Electromagnetic Transients in Grounding Systems Considering Variation of Soil Parameters with Frequency

This paper presents a mathematical model to calculate transients in grounding systems. The derived equations arise from direct application of basic electromagnetic equations in frequency domain, whose solution is obtained by the application of the Moment Methods. A formulation based on experimental measurements is applied to quantify the soil parameters for each frequency. The unified approach is applied in the calculation of the grounding impedance of horizontal electrodes. Results show that the inclusion of frequency dependence of the soil parameters leads to a reduction of the values of grounding impedance, in comparison with results for soils with parameters independent of frequency.

全功率变换风电机组的电压源控制(二):电网故障穿越控制与保护

电压源风电机组可实现对电网频率和电压的自主快速支撑,是构建新型电力系统的关键装备。惯性同步控制方法通过直流母线电压对电网频率的自主感知同步电网和进行频率响应,是实现电压源风电机组的一种有效方法。然而,当电网暂态故障时,网侧变换器因输出功率受限无法控制直流母线电压稳定,打破了直流母线电压感知电网频率的机制,使得网侧变换器与电网失去同步;此外,惯性同步控制方法无电流内环,在暂态故障下容易出现过电流导致机组因自我保护而退出运行。针对上述问题,该文提出一种应对电网故障的电压源风电机组控制策略,具备暂态故障期间网侧变换器对电网同步的能力,采用电网电压和直流电压复合判断法控制同步环节准确切换,通过电压电流级联控制结构和虚拟阻抗自适应调节器有效抑制了暂态过电流,搭建了2.3MW永磁直驱风电机组的Bladed+RTDS硬件在环实验平台,验证了所提控制策略的有效性。

海底光电复合缆低阻故障点定位方法

海底光电复合缆低阻故障点定位是实现长期、实时、原位观测海洋的海底观测网的关键基础,然而海洋环境的复杂性增加了海底光电复合缆低阻故障点定位的难度,如何快速而有效地定位低阻故障点,对于降低海底光电复合缆维护成本与提高海底观测网输电的可靠性至关重要。该文通过仿真软件PSCAD/EMTDC建立海底观测网单极直流输电模型,利用该模型模拟海缆发生低阻故障时产生的暂态电流定位故障点。首先,采用离散小波变换模极大值提取暂态电流的幅值突变信息,然后通过暂态电流的主频分量计算暂态电流的传播速度,最后由暂态电流的幅值突变信息与传播速度计算出海缆的故障距离。实验结果表明,利用暂态电流可快速、有效定位海缆低阻故障点,在海底光电复合缆故障距离≤20 km的故障点定位误差均小于150 m。可为近岸海底光电复合缆的低阻故障点定位提供一种有效方法。

面向暂态功角稳定提升的水光互补发电系统紧急切机控制

我国西南地区水电和光伏资源丰富,利用水光资源的互补特性,促进清洁能源的高效消纳,是实现“双碳”目标的有效途径之一。水电资源一般集中于偏远地区,长距离输电导致其与主网连接较弱,暂态功角稳定问题较为突出,水光互补系统中高比例光伏发电的接入进一步增加了系统暂态稳定问题的复杂性。然而当前光伏发电对互补系统暂态稳定影响机理尚不明晰,且缺乏基于定量计算的紧急切机控制方法。为此,首先建立了水光互补系统的等效功角曲线,详细分析了光伏接入前后系统的加减速面积变化情况。在此基础上,基于等面积法则提出水光协调的3种紧急切机控制方法,并根据综合评价指标选取优化切机方案。最后,基于单水单光-无穷大系统及四川省某县水光互补系统验证了所提方法的有效性。研究结果有助于推动解决新能源电力系统中新能源机组和同步机的切机量定量计算缺乏数学理论指导这一难题,能够提升水电和光伏的消纳与送出能力。

雷电冲击电压下空心电抗器电压分布特性研究

针对目前空心电抗器雷击过电压下内部绕组电压分布无法定量计算的问题,建立一种适用于空心电抗器结构的高频阻抗网络等效分析模型。根据基尔霍夫基本定律,提出雷击电压下暂态、稳态电压分布的计算方法,能够计算电抗器内雷击电压下的电压分布。以实际并联空心电抗为例,对计算得到雷击电压下的电压分布与实际测试的电压分布进行分析。根据计算结果发现,内外包封中1-2匝线圈的承担电压及不均匀系数均较大,主要与内外侧对地电压引起的电压钳位有关。

10 kV树线故障树木暂态阻抗变化特性试验研究

为了研究输电线路树线故障暂态阻抗的变化特性,搭建10 kV树线故障试验研究平台,进行不同种类树木对输电线路引发树线接地故障影响试验研究。试验研究了松树和竹子不同含水率和不同树木长度对树线故障暂态阻抗的影响因素和变化特性,分析了树木内部结构对树木阻抗影响机制,建立了树木阻抗等效电路。研究结果表明:含水率是影响松树和竹子暂态阻抗的主要因素,含水率越大,树木暂态阻抗越小;长度对松树和竹子的暂态阻抗变化特性没有明显关系;树木的内部结构不同,会导致树木的暂态阻抗特性不同;建立的等效电路可以较好地解释树木暂态阻抗的等效电阻与变化特性不同的原因。

基于实时数字仿真系统的同群光伏系统等值建模研究

研究了同群光伏系统等值建模的原理和特点,针对倍乘等值方法的不足,提出一种基于变流器输入阻抗不变的聚合等值方法。以某典型光伏系统为例,在实时数字仿真系统(real time digital simulation system, RTDS)中分别搭建了30台参数相同的1 MW光伏多机参考模型、1台30 MW光伏倍乘模型和1台30 MW光伏聚合模型。通过仿真试验,比对这3个模型在光伏系统公共并网点(point of common coupling, PCC)的故障穿越、有功阶跃、频率偏移等暂态特性及阻抗频率特性。结果表明,3个模型的暂态特性基本相同,倍乘模型与参考模型的阻抗频率特性有明显差异,而聚合模型与参考模型的阻抗频率特性高度一致。

适用于柔直配电网的暂态高频阻抗纵联保护

为保障柔性直流配电网的安全可靠运行,本文提出一种基于暂态高频阻抗的纵联保护方法。通过建立直流线路的故障等效电路,分析直流线路极间故障后数个毫秒内暂态电气量的变化特征,采用小波变换提取电压、电流故障分量中特定频段的高频信号,并计算保护装置安装处的高频阻抗,利用保护区内、外故障时暂态高频阻抗较大的幅值差异构成保护。该方法对信号同步的要求不高,相邻线路间的主保护还可以通过配合构成新的区域后备保护。最后,本文在PSCAD/EMTDC平台搭建模型进行仿真,结果表明,本文所提方法能够快速准确地动作。

一种TSDF判别算法的自适应阻抗保护研究

阻抗保护Ⅲ段已被确定为电力系统级联故障的原因之一。由于三相故障的对称现象,所以一般很难在电力系统低频振荡时检测出来,造成保护装置误动。针对这个问题,利用一种基于Matrix Pencil(MP)方法的瞬态监督检测函数(Transient Supervisory Detection Function,TSDF)检测低频振荡过程中发生的三相故障,得出该自适应阻抗保护方法,可以快速、便捷、可靠的检测出电力系统低频振荡时发生三相故障的结果。该算法通过比较检测指数g和自适应阈值gth去检测判断电力系统是否发生三相故障。仿真结果表明,其所提算法在仅振荡或故障的单一情况下,和在振荡且分别发生区内外故障的两种情况下,可以保证保护装置可靠动作。