直流输电用大功率逆阻型IGCT器件关键技术研究

受限于大功率可关断器件的发展,高压直流输电用可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)一直未取得实质性进展。该文首先介绍基于换流器级联的CSC拓扑方案,搭建250kV/750kW的直流输电仿真系统,提取逆阻型集成门极换流晶闸管(revere blocking integrated gate commutation thyristor,RB-IGCT)器件应用于直流输电系统所应满足的技术要求;其次,分析低通态压降、损耗优化和高du/dt和di/dt的RB-IGCT器件关键设计方法。最后,对研制的4500V/3000ARB-IGCT关键核心参数进行实验验证。研究结果表明,所研制的RB-IGCT器件可以满足CSC的要求,是构建CSC的可行路线。

柔性直流并入城市电网后对换流站近区短路电流的影响研究

大型城市供电电网短路电流已经接近断路器遮断容量,柔性直流接入系统后,会在故障期间提供工作电流,导致交流系统短路电流超标,柔性直流输送功率受限。从柔性直流内外环控制方式及交流系统短路电流计算原理出发,分析得出柔性直流短路电流的幅值和相位对并网点的短路电流影响均较大,其中幅值受外环电流限幅环节的影响易于控制,因此需着重对相位进行控制。基于此提出了一种降低柔性直流输电换流站两端PCC点短路电流的控制策略。以厦门柔性直流工程为例,开发了交直流混合模型,与实测波形对比验证了模型的正确性。通过对不同类型故障下、2种控制策略的PCC点短路电流进行对比,验证了所提策略的正确性,减小了PCC点短路电流。

新型可控电网换相换流器拓扑及其控制方法

为保持传统电网换相换流器(line commutated converter,LCC)低损耗、高可靠性和经济性等优点的同时,又避免换相失败故障风险,提出一种新型具有可控关断能力的电网换相换流器(controllable line commutated converter,CLCC)拓扑结构。该拓扑基于全控和半控器件混联的设计思路,首先通过全控型器件转移电流,等待晶闸管关断能力恢复后,再利用全控器件关断电流以快速完成桥臂间换相。可控电网换相换流器主要包括常规换流和可控换流2种运行模式,研究不同运行模式下换流器的工作原理及换流器内部控制策略。通过搭建特高压直流输电系统仿真模型,分析可控电网换相换流器的暂、稳态和典型故障态运行特性。仿真结果表明,在发生交流故障时,可控电网换相换流器可以主动关断桥臂电流实现强迫换相,同时提供一定的无功支撑,解决多馈入直流系统换相失败问题,有利于提高电网安全稳定运行水平,提升多直流馈入受端电网电力接纳能力。

提升新疆东部以及青海新能源外送能力的±800kV四端柔性直流电网方案初设

西北地区新能源资源丰富且已建成数个10GW级新能源基地。选取新疆东部、青海南部等具有代表性新能源基地,对这些地区电网的现状及存在的问题进行深入研究。基于各电网特性,提出了基于柔性直流技术的直流组网方案,并对所提直流系统建立了仿真模型,对系统的潮流分布及转移能力、故障穿越特性等进行初步仿真分析。研究结果表明所提直流系统可提升新疆东部及青海南部电网暂稳态特性、促进新能源外送,并可为解决西北地区整体面临的问题提供解决思路。

适用于直流配电网故障选线的电力电子变压器分步闭锁方案

级联H桥型电力电子变压器(power electronic transformer with cascaded H-bridge,CHB-PET)是柔性变电站的重要组成设备之一,在直流配电网中具有重要作用。当CHB-PET低压直流侧发生双极短路故障后,故障电流上升速度快且幅值较高,易导致电力电子器件迅速闭锁,使低压直流电网保护难以准确获取故障信息。针对CHB-PET低压侧多分支直流配电网,提出一种基于PET分步闭锁的故障穿越策略。当检测到PET低压侧直流系统故障后,首先闭锁PET输入级及隔离级的低压H桥换流器,延迟3 ms后再闭锁隔离级的高压H桥换流器,分步闭锁可为PET低压侧多分支线路保护提供短时故障信息,进而可利用分支线路两端电流极性特征识别区内外故障,定位故障分支线路。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真实验,验证了适用于直流配电网故障选线的电力电子变压器分步闭锁方案的可行性和有效性。

考虑磁滞效应的非晶合金-取向硅钢组合铁心双非线性励磁特性研究

非晶合金-取向硅钢组合铁心可以综合传统纯非晶合金和纯取向硅钢铁心的优势,在配电变压器领域具有广阔的应用前景。对含有2种非线性软磁材料的组合铁心励磁特性进行分析是实现其结构优化设计的前提。首先,建立组合铁心在开路励磁条件下的等效电路模型,并根据基尔霍夫第二定律列写其回路电压方程;其次,根据组合铁心的结构特点建立其等效双非线性磁路模型,并基于安培环路定律和磁通连续性原理列写其磁路方程;再次,根据导数变换将磁路方程耦合至回路电压方程中的电动势项,并采用Jiles-Atherton磁滞模型表征非晶合金和取向硅钢的非线性磁化特性,从而建立考虑磁滞效应的组合铁心双非线性电路-磁路耦合模型;最后,基于该耦合模型,求解组合铁心的励磁电流、磁通密度分布和空载损耗,通过与实测结果进行对比,验证所提方法的准确性。

压接型IGBT芯片动态特性影响因素实验研究

压接型IGBT器件内部具有复杂的电-热-力环境,直接影响了其内部IGBT芯片的动态特性,进而决定了整个器件的安全工作能力。为此,研究不同影响因素下的压接型IGBT芯片动态特性具有重要意义。为了全面获得电-热-力综合影响下压接型IGBT芯片的动态特性,利用所研制的具有多因素解耦、灵活调节能力的双脉冲实验平台,针对一款3.3kV/50A压接型IGBT芯片,测量获得了不同母线电压、负载电流、驱动电阻、温度及机械压力下的双脉冲实验波形。分析了不同影响因素对双脉冲波形的影响规律,对比了不同影响因素对IGBT动态特征参数影响程度,结果表明母线电压主要影响关断过程,负载电流、驱动电阻和温度主要影响开通过程,机械压力对开通关断过程的影响很小,研究结果对IGBT芯片建模及压接型IGBT器件安全运行具有重要的指导意义。

基于多物理场耦合的高速机械开关可靠性研究

为了研究高速机械开关核心部件在分闸过程中受形变、应力和疲劳的影响,采用数学建模和多物理场耦合仿真分析方法,以Workbench为平台实现基于电磁场、力学场、瞬态结构场以及疲劳寿命的操动机构分闸过程分析。首先,利用建模软件建立高速机械开关分闸模型;其次,通过多物理场仿真核心部件的应力与形变分布;最后,分析高速机械开关在不同材质、结构和放电电流条件下,对斥力盘、驱动杆、连轴器的疲劳寿命和机构稳定性的影响。仿真结果表明:采用材料为航空铝7075-T6并倒角的斥力盘形变较小;适当的斥力盘厚度与驱动杆直径可有效减少应力和形变;采用40Cr的连轴器疲劳寿命最长;减小斥力峰值能有效减小形变应力与延长疲劳寿命,对延长斥力作用时间效果不明显。该文对于高速机械开关在单一电磁场无法有效反映分闸过程中核心部件形变应力、疲劳的问题,提供了更为全面的技术支撑。

可控电流源型换流器IGCT串联均压技术

高压大功率逆阻型集成门极换流晶闸管(integrated gate commutation thyristor,IGCT)串联是可控电流源型换流器的关键技术之一,主要面临开通和关断不一致将会引起击穿的问题,目前尚缺乏深入研究和实验测试。该文首先分析可控电流源型换流器均压问题产生的原因,提出串联器件均压电路。接着,对开通不一致影响因素进行分析,给出IGCT使用电压和保护电压的配合关系,以确保开通过程器件安全。然后,对IGCT的自然和主动关断2种特殊关断过程影响因素进行分析,给出缓冲电路参数选择方法。最后,研制8级串联的IGCT模块样机,搭建实验平台进行测试。结果表明,所提方法能够有效抑制IGCT关断电压过冲,均压不一致性控制在8%以内。

基于Hexverter的AC/AC系统交流不对称故障控制策略研究

六边形模块化多电平换流器(hexagonal modular multilevel converter,Hexverter)作为一种新型的AC/AC功率变换器,在未来海上风电场并网及低频输电技术中有着广阔的应用前景。为了解决Hexverter在电力系统不对称故障工况的稳定运行,文章首先对Hexverter的拓扑结构和工作原理简要介绍,并对其支路电流、支路功率进行分析。然后,研究其AC/AC系统交流侧不对称故障工况下的控制策略,基于理论推导部分得出的Hexverter六个支路间功率分布的规律(即不相邻的三个支路功率分别相等的特征),设计了子模块电容电压均衡控制方法,共包含两部分控制,分别为六个支路间子模块电容电压均衡控制和每个支路内部n个子模块电容电压之间的均衡控制。考虑到支路电流含有两侧交流系统不同频率成分,基于比例谐振控制器,提出了一种对支路电流直接进行控制的方法。最后,通过算例中稳态工况与故障工况研究分别对其工作原理和文中所提出的控制策略有效性进行验证。结果表明,在二次侧交流系统发生BC相短路故障期间,整个系统保持稳定运行,各个子模块电压始终保持均衡,仿真结果验证了文中所提控制策略的有效性。

基于关断角偏差量的背靠背直流系统换相失败抑制研究

STATCOM的输出特性极易受到不同工况影响而未达到理想的出力状态。在换流站、受端系统和STATCOM的无功交互作用下,STATCOM存在超调及输出能力不足问题,后者增大了系统发生换相失败概率。提出一种新型附加关断角偏差量作为STATCOM无功电压协调控制策略。首先,分析不同工况下STATCOM输出特性;其次,基于受端电气量的暂态变化过程对无功控制环节进行改进。最后,以南方某背靠背受端电网为工程背景,基于Pscad/Emtdc仿真平台验证了所提协调控制策略的有效性。

统一潮流控制器大功率在环仿真试验技术研究

结合上海220 k V电网统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)实际工程,首次提出了面向UPFC阀控及保护硬件测试的大功率在环仿真试验系统架构和测试方法,总结了现有常用的信息?功率接口算法,建立了基于理想变压器模型法的UPFC信息?功率接口模型,设计了接口延时补偿算法,为UPFC装置阀控及保护系统的测试提供了先进的技术手段。通过模拟装置启动、运行控制等各种复杂运行工况,对UPFC真实阀控系统进行功能及性能测试,试验结果验证了该方法的有效性。

柔性低频交流输电关键技术及应用

基于电压源型换流器的柔性低频交流输电兼具交、直流输电的技术优势,是值得深入研究的新型输电技术。分析基于电压源型换流器的柔性低频交流输电技术特性,列举系统典型拓扑结构。针对海上风电送出场景,计算获得不同频率下典型截面海缆的输电能力曲线。以国内某项目为例进行了经济性对比。结果表明,柔性低频交流输电技术应用于中远距离海上风电送出时具有明显优势。此外,分析了海岛互联供电、陆上大规模新能源发电汇集送出等应用场景;分析了频率变化对高压大容量交交换流器、变压器、断路器、电缆等主要输电设备关键性能的影响;系统性地指出了柔性低频交流输电工程化应用尚需深入开展的研究工作。

电力系统氢储能关键应用技术现状、挑战及展望

深入挖掘氢储能在电力系统中的应用潜力,进而推进其在电力系统中的规模化应用是电力行业能源结构转型与深度脱碳的重要技术路径之一。为加速构建新型电力系统,该文首先归纳分析构建氢储能与电力系统耦合结构,并从电解水制氢、氢气储输、氢气发电和电解槽/燃料电池模型构建4个方面阐述氢储能关键技术发展现状;其次,以氢储能在电力系统“源–网–荷”各环节应用场景为主线,梳理回顾目前国内外电–氢耦合技术取得的进展;最后,对氢储能支撑新型电力系统构建中存在的技术挑战与未来重点技术发展方向展开探讨,旨在为电力系统中氢储能应用技术的研究提供借鉴与参考。

柔性低频输电系统换流站故障后瞬态过电压

柔性低频输电兼具工频交流和直流输电的技术优势,在海上风电送出、新能源汇集以及城市电网柔性互联等场景具有应用潜力。柔性低频系统换流站故障及后续闭锁阶段会产生较严重的瞬态过电压,影响站内参数设计和绝缘配合。为此,针对柔性低频输电系统换流站典型拓扑和参数,建立了过电压仿真模型,对典型故障后瞬态过电压进行仿真研究;结合故障后过电压产生特点,将故障后的过程分为4个暂态阶段,分别分析了各阶段中不同位置的过电压特征以及产生原因。在考虑不同的故障工况和对应保护动作策略的条件下,仿真计算了换流站关键位置和设备的最大瞬态过电压水平,提出了换流站避雷器配置方案,并验证了其对瞬态过电压的抑制效果。研究结果表明:故障发生、换流器控制响应、换流器闭锁以及断路器断开的4个瞬态过程均会在换流站内不同位置产生过电压,其中换流器闭锁阶段的过电压水平最高;在不考虑抑制措施时,220 kV区域的瞬态过电压标幺值可达3.28,桥臂电抗器端间过电压标幺值可达3.83;所提避雷器配置可以有效抑制过电压,且各避雷器吸收的能量符合要求。研究结果可为柔性低频换流站参数设计及绝缘配合提供依据。

基于蝶形准零刚度弹簧的双梁超材料低频带隙研究

为降低居民区变压器的低频振动噪声并促使变压器环保达标,提出一种采用周期性配置蝶形准零刚度弹簧的双梁超材料,以期实现变压器本体减振降噪。通过建立蝶形准零刚度弹簧的静力学理论模型,推导了蝶形准零刚度弹簧的回复力-位移、刚度-位移解析表达式,分析了其在平衡位置处的准零刚度特性,并采用有限元仿真验证了蝶形准零刚度弹簧的力学性能;以此为基础,基于欧拉-伯努利梁理论建立了由蝶形准零刚度弹簧周期性耦合硅钢片梁和硬铝合金梁构成的双梁超材料的元胞动力学模型,结合连续边界条件和周期性Bloch定理推导了双梁超材料的弯曲振动色散关系,研究了其低频带隙形成机理,仿真分析了双梁超材料的低频带隙特性。结果表明,通过蝶形准零刚度弹簧周期性弹性耦合硅钢片梁与硬铝合金梁形成的双梁超材料可产生应用于变压器铁芯硅钢片低频振动噪声高效抑制的低频带隙,且该低频带隙由布拉格散射-局域共振混合机制产生,为变压器低频振动噪声控制提供了一种崭新的思路。

MMC子模块IGBT短路实验平台设计与实现

在模块化多电平换流阀(modular multilevel convertor,MMC)实际运行中,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)或其驱动器故障会导致子模块直通短路,造成器件损坏,该短路工况对于IGBT的短路保护以及可靠性研究具有重要意义。该文分析MMC子模块直通短路的类型并提出该短路工况实验平台的设计要求。针对短路振荡和电磁干扰问题进行优化设计,对短路回路寄生电感进行调整,研制MMC子模块短路实验平台并进行实验验证。实验结果表明,所研制的实验平台可以满足MMC子模块用IGBT的短路实验的需求。

模块级联多端口混合式直流断路器研究

高压直流断路器是解决多端及直流电网故障快速隔离的有效方式,近年来发展迅速,国际上完成了多种技术路线样机开发与工程应用。混合式高压直流断路器是当前主流技术路线,因采用大量全控器件,利用率低、成本较高,制约了其在直流电网中规模化应用。该文针对直流电网中多直流出线应用场景,基于模块级联技术提出一种多端口混合式直流断路器拓扑,阐述其在典型系统故障工况下动作原理,完成核心部件电气应力数值分析与设计,仿真研究所提方案在四端直流电网应用性能,完成与现有技术对比分析,论证所提出多端口组合开断方法可行性与实用性,为高压直流断路器技术经济性能提升提供解决方法,推动高压直流断路器在直流电网中更为广泛应用。

基于电机群分类聚合的配电台区功率调节特性及主动调压方法研究

随着新能源渗透率的不断提高,配电网主动调压成为维持系统稳定的重要手段。为研究当今负荷多样化配电台区的主动调压方法,首先研究了电机负载类型、负载率存在差异时的电压-功率调节特性,揭示了电机功率受带载情况影响的原因。提出了一种基于负载类型与负载率的台区电机分类方法,并建立了台区电机群分类聚合模型,能够有效降低模型复杂度。其次采用分类聚合模型研究了配电台区整体电压-功率调节特性,计及了静态、动态和电力电子等不同负荷类型及占比的多因素影响,并以实际农、商两典型行业为特例进行仿真分析。最后提出了配电台区主动调压方法。针对系统无功充足或无功不足两种情形以及台区主要负荷类型,调节电压使消耗有功或无功达到最小,实现系统经济运行。

适用于高压直流断路器的多断口串联高速机械开关同步性研究

多断口串联的高速机械开关作为混合式高压直流断路器的重要组成部分,其多断口间的同步性对高压直流断路器的开断性能有着重要影响。对多断口高速机械开关的拓扑结构和工作原理进行了研究,分析了操动机构的线圈参数、储能电容、环境温度、充电电压、控制系统等因素对同步性的影响规律,并提出了通过控制线圈内阻、储能电容值偏差和工艺等措施保证断口间的同步性。在此基础上,对张北多端柔性直流工程535 kV混合式高压直流断路器用高速机械开关的同步性进行测试,测试结果表明各断口的分散性在±0.2 ms内,为高压直流断路器的可靠开断提供了保证。