先进交直流输电技术在中国的发展与应用

人类社会的发展进步对能源供给和使用模式提出了新的要求。大规模化新能源电力传输,能源供需广域平衡,大容量高效变流等新技术需求相继涌现,对传统的电力输送技术带来了深刻变革与挑战。先进交直流输电技术是在传统输电技术的基础上,通过新的技术来提升输送能力和效率,实现高效、智能、环保的电能传输。文中针对我国基于电力电子技术的先进交直流输电技术发展情况,总结灵活交流输电、特高直流输电、柔性直流输电及直流电网等先进输电技术的发展历程、取得的成果,并指出未来相关技术领域今后的重点发展方向。

单变压器分区互联装置接地故障特性研究及控制保护策略设计

基于模块化多电平换流技术的分区互联装置在城市电磁环网解环方面具有广阔的应用前景,该文重点研究单变压器分区互联装置交流系统单相接地故障和直流系统单极控制接地故障的故障特性。针对交流单相接地故障引起零序电压问题,分析零序电压对故障穿越策略的影响,提出零序电压策略,降低故障情况下的直流侧过电压水平。针对直流单极接地故障引起的交流电流直流偏置问题,分析交流电流直流偏置机理,推导故障情况下交流电流的数学表达式,提出基于切除子模块和闭合子模块旁路开关的保护动作策略。在PSCAD/EMTDC中建立单变压器分区互联装置系统模型,通过仿真分析验证保护控制策略的正确性。

具有故障隔离能力的柔性多状态开关拓扑及控制技术研究

交流配电网普遍存在闭环设计、开环运行的现象,导致负荷转供速度慢,馈线功率不均衡。同时直流负荷的增加以及新能源渗透率的提高给配电网运行控制带来了新的挑战,要求配电网具备更强的潮流调节能力。为解决上述问题,研究了用于配电网馈线互联的柔性多状态开关(Soft Multi-State Open Point,SMOP)技术,提出基于双钳位子模块(Double Clamp Sub-Module,DCSM)的四端口模块化拓扑结构。基于其数学模型分析,确定了各端口的运行范围,设计控制系统结构并提出自愈控制策略。最后基于PSCAD搭建了四端口柔性多状态开关仿真模型,验证了所提拓扑及控制策略的有效性。

含柔性并网装置的半波长输电线路多结构并网研究

考虑到并网偏差过大可能给半波长交流输电系统带来的隐患以及由于半波长线路的超长距离无法实现线路两端电网对并网参数的实时调节,同时考虑了未来半波长系统并网结构的多样性,设计了三种典型半波长输电线路的并网结构,将柔性并网装置应用于多结构的半波长线路并网调节中。然后分析接入UPFC的半波长输电系统等效电路,研究了该柔性并网装置的适用性。并通过Matlab/Simulink软件进行仿真,结果表明采用的柔性并网装置适用于多种并网结构的半波长输电线路,能够大幅改善并网特性。该结果可为未来半波长输电工程的多结构并网控制提供相应的支撑。

电网氢储能场景下的固态储氢系统及储氢材料的技术指标研究

目前固态储氢技术和储氢材料的研究大多以氢燃料电池汽车为应用导向,而电网氢储能应用场景与氢燃料电池汽车应用场景相差较大,电网氢储能亟需出台有关固态储氢技术及储氢材料的技术指标和发展目标。以电网氢储能场景下的固态储氢技术及储氢材料的技术指标为研究对象,首先通过分析电网氢储能系统上游电解水制氢和下游燃料电池的技术特点获得电网氢储能系统对氢气存储和释放的特性要求。在此基础上,结合固态储氢技术和储氢材料的技术发展现状,分析并确定了以电网氢储能为应用导向的固态储氢系统和储氢材料的技术指标和发展目标,从而指导未来以电网氢储能为应用导向的固态储氢技术及储氢材料的研究和开发。

畸变磁通作用下变压器铁心模型损耗的实验研究与模拟分析

对畸变磁通条件下产品级变压器铁心模型的损耗进行了实验研究,考察了谐波相位差变化对铁心损耗的影响。给出了一种能够考虑畸变磁通条件下铁心损耗的工程计算方法,该方法可有效地考虑局部磁滞回环对铁心损耗的影响。结合MagNet电磁分析软件,计算了产品级变压器铁心模型的铁心损耗,通过对比实验结果证明了方法的有效性。

储热技术在太阳能热发电及热电联产领域研究进展

储热技术是太阳能热发电和热电联产领域中的关键技术之一,其以储热材料为媒介,将太阳能光热、工业余热、低品位废热等热能储存起来,在需要的时候释放出来加以利用,以解决能量供给与需求之间的不匹配问题。本文介绍了储热技术的分类与特点,分析了储热技术在太阳能热发电和热电联产领域中的研究进展,展望了储热技术未来的发展趋势。分析结果表明:储热技术有利于提高太阳能热发电以及热电联产系统的热力性能与经济性,未来具有广阔的应用前景。

大容量可控关断的直流输电用电流源型换流器研究综述

可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)相较于LCC和VSC具有较好的技术优势,逆阻型大功率可关断半导体器件的快速发展为CSC在高压直流输电领域的应用提供了发展契机。针对现有CSC的拓扑、调制方法的优缺点进行调研和对比,分析总结出适用于高压直流输电的LCC-CSC拓扑和特定谐波消除调制方法。将基于LCC-CSC的混合直流输电系统与LCC和VSC进行多方位的对比分析,对LCC-CSC的技术优点、存在的问题及未来研究的方向进行了总结,为CSC在高压直流输电的工程应用提供前期研究基础。

半波长输电线路柔性并网研究

为了实现半波长线路并网点的高精度柔性并网,基于半波长输电线路模型、同期并网理论和统一潮流控制器(UPFC)的工作原理,将UPFC用于半波长线路的并网控制,通过在Matlab中搭建基于UPFC的半波长线路柔性并网仿真模型,对比有无柔性装置在不同并网条件下的并网特性。结果表明,基于UPFC的柔性并网装置能在不影响半波长线路输电特性的前提下,通过调节并网点参数,大大改善线路的并网特性。

面向高比例新能源外送的送端混合级联型特高压直流输电方案

该文提出一种面向高比例新能源外送的送端电压源型换流器–电网换相换流器(self-commutationandflexible control-low cost,high capacity and strong short-time overload capability,VSC-LCC)混合级联型特高压直流输电方案。该方案充分融合VSC可自换相、控制灵活与LCC成本低、容量大、短时过载耐受力强的技术优点,可实现送端换流站多时间尺度动态无功响应、虚拟惯量响应与高频度、宽范围有功调节,有效解决高比例新能源外送所面临的送端系统静态电压稳定、暂态过电压与惯量缺乏等难题,降低送端系统对同步调相机和STATCOM的容量需求。该文充分阐述该方案的拓扑结构与控制策略,定量化分析其适用场景,并进行多种典型工况下的电磁暂态仿真,证明该方案综合性能优越。

柔性直流与直流电网仿真技术研究

模型等效性高、仿真规模大、实时化以及计算资源需求小,一直是电力系统仿真技术的发展目标。讨论了柔性直流及直流电网的特点,结合实际工程经验,从运行特性、等效建模、数值计算以及控制系统试验等方面对柔性直流和直流电网的仿真技术进行研究。在上述研究的基础上,指出柔性直流与直流电网仿真技术的发展方向是具有多时间尺度、多速率建模与变步长计算能力的数字仿真,以及具有全功能极控/阀控实验能力的功率型数模混合仿真。

同步调相机对分层接入特高压直流输电系统的暂态过电压抑制作用研究

目前已有特高压直流工程采用分层接入方式,同时随着新能源发电占比的提高,送端电网面临着暂态过电压的问题,同步调相机可以抑制过电压,有必要深入研究同步调相机对分层接入特高压直流输电系统暂态过电压的抑制效果。建立了含同步调相机的分层接入特高压直流输电系统模型,理论分析了同步调相机对暂态过电压的抑制机理,针对降功率运行、双极运行双极闭锁、双极运行单极闭锁和高低端换流器同时换相失败4种不同工况,研究了不同台数同步调相机对暂态过电压的作用效果,最后提出了基于暂态过电压的短路比增量指标,定量评估了同步调相机对暂态过电压的作用效果。结果表明所提指标可有效定量评估同步调相机抑制暂态过电压的作用效果,当分层接入特高压直流输电系统整流侧交流系统短路比在3~8变化,投入1台同步调相机后整流侧交流系统基于暂态过电压的短路比增量为0.106~0.396,投入2台同步调相机后基于暂态过电压的短路比增量为0.251~0.788,因此,投入同步调相机可等效提高交流系统短路比,有效抑制送端暂态过电压。

基于电磁-热耦合原理的三芯铠装电缆在低频输电方式下的损耗特性研究

精确分析电缆损耗特性是提高海底电缆经济性、实现深远海风电高效输送的关键问题之一。为此,该文建立三芯铠装电缆的电磁-热耦合仿真模型,研究了缆芯电流在低频输电方式下的不均匀分布特性,并以此为基础,分析IEC标准计算护套感应电压、损耗因子及载流量的误差。研究结果表明,缆芯电流密度平均值点偏离缆芯中心,偏离距离随输电频率的增大而增大,并导致IEC标准计算的护套感应电压和损耗做同向变化,当缆芯半径大于24mm时,护套损耗因子误差明显加剧;当缆芯截面积取2000mm^(2)时,分频及工频下的载流量误差分别达10%和15%左右。计算结果为合理地确定海底电缆载流量奠定了基础。

高压大容量柔性直流输电阀基控制设备及其动态模拟试验研究

渝鄂柔性直流背靠背工程是世界首个用于异步大型电网互联的柔性直流工程。为了对该工程阀基控制设备进行技术研究与出厂测试,研究MMC拓扑及其控制原理,依据渝鄂工程特点进行了阀基控制设备的软硬件设计,搭建了阀基控制设备全规模接入的动态模拟系统,并提出了全面的控制设备试验项目及试验方法。通过测试结果与渝鄂工程现场数据的对比,证明所搭建动态模拟系统的相似性和等效性。该测试平台已在渝鄂柔性直流输电工程阀基控制设备出厂试验中应用,也可为其他柔性直流输电工程控制设备的试验提供借鉴。

晶闸管型可控避雷器无源触发技术研究

晶闸管型可控避雷器可自适应深度抑制特高压系统操作和雷电过电压水平,对于降低系统关键设备绝缘造价具有重要作用。晶闸管阀开关需集成于瓷套内部,而瓷套内径及供电绝缘距离的限制使得晶闸管传统的光电触发方式不再适用。因此,研发适用于该工况的触发电路是可控避雷器功能实现的关键。在此基于击穿二极管(BOD)器件特性设计了一种体积紧凑、经济性高的无源双向触发电路,生产实物后开展了雷电、操作暂态冲击验证试验。试验结果表明,潜在因素对触发电路响应特性的影响可忽略不计,触发电路能够在阈值下可靠导通,且实物满足瓷套内径体积限制,该触发电路适用于可控避雷器。

级联H桥SSSC主参数设计和控制技术研究

随着电力系统的高速发展,其结构日益复杂且运行环境更加多变,而电力电子技术的发展推动了静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator,SSSC)的应用以提高电网特性。该文结合SSSC拓扑结构特性,分析了H-SSSC的稳态输出模型;通过对H-SSSC的运行约束分析推导了相关公式,系统地提出了针对H-SSSC主参数的设计原则,其主要包括滤波器、直流电压、电容和换流器的设计方案;通过对解耦控制方式的分析,提出了基于电容电压不均衡控制策略的3类稳态运行控制方法;通过分析和仿真验证了第3种综合控制策略的优势,为SSSC的工程应用提供参数设计及控制方案理论;最后,通过EMTDC/PSCAD仿真验证了参数选取的合理性和控制策略的准确性。

渝鄂柔性直流输电交直流动态特性及控制保护策略研究

渝鄂柔性直流背靠背工程是世界首个用于异步大型电网互联的柔性直流工程,工程投运后,能够优化西南与华中电网的系统潮流分布,提高电压和频率稳定水平,但同时会带来系统转动惯量和动态阻尼减小等新的问题。因此分别从系统及设备的角度出发,分析工程接入系统后的交互影响。首先,充分调用柔直自身快速功率调节能力,提高接入后电网的稳定性;其次,基于设备的耐压耐流水平,针对近区严重故障,提出了故障穿越策略,保证了设备的安全可靠运行,减少了对交流系统的冲击。对所提的故障穿越策略进行实时仿真测试,验证了策略的有效性。上述所做分析,提高了系统的稳定性,为工程运行提供了技术支持。

钛酸钡三维复合材料微观结构与电学性能研究

压电材料可实现机械能与电能的相互转换,采用增材制造的方式,将具有压电性能的钛酸钡(BaTiO_(3),BT)功能陶瓷材料打造为三维结构。通过对比PDMS、BT/PDMS和三维(BT)/PDMS柔性复合材料的介电频谱测试结果,发现三维结构有助于提升复合材料的介电性能。同时,在一定的循环压力下对比了以上三者的输出电压,表明三维结构能大幅提升复合材料的输出电压,且极化后内部电势场的建立将3D-BT/PDMS的输出电压提升至250mV。可见3D-BT/PDMS复合柔性聚合物具有优异的电能转换能力,在柔性电容器和柔性传感器等领域有巨大的应用潜力。

基于混沌脉宽调制的有源EMI滤波器高频抑制效果优化设计方法研究

随着电力电子变换器向高功率密度的趋势发展,对电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)滤波器体积大小的要求也越发严格,有源EMI滤波器(active EMI filter,AEF)具有体积小、集成度高的特点,应用前景广阔。但相较于无源EMI滤波器,AEF在相对高频频段(通常为5~30MHz)存在EMI抑制效果不佳问题。文中以应用广泛的反馈型电流采样电流补偿AEF为例,详细分析运放增益带宽积限制AEF高频EMI抑制效果的机理,首次提出基于混沌脉宽调制的AEF高频抑制效果优化方法,实验结果表明,相同结构的AEF在同等级的低频EMI抑制效果下,基于混沌脉宽调制的AEF可显著降低AEF中所需的运放增益,将EMI高频抑制的有效带宽扩宽5~8MHz。文中提出的优化方法无需增加硬件成本,有效地提高了AEF的EMI高频抑制效果,适用于高功率密度的电力电子装置。

直流电网建模分析与阻尼控制研究

直流电网数学建模是分析直流电网谐振特性和稳定性的基础,对于设计性能优良的阻尼控制器提高直流电网的运行特性具有重大作用。文章首先从换流器平均值模型出发,利用功率平衡原理,推导换流站线性化的戴维南等效模型。其次,考虑直流电网架构在内,建立直流电网的数学模型并研究直流电网的谐振特性和稳定性。再次,通过反馈换流站输出的直流电流,分析功率外环阻尼控制器的实现形式,并设计阻尼控制器的参数。最后,通过搭建的直流电网电磁暂态仿真模型以及RT-LAB实时仿真模型,验证所提阻尼控制策略具有能够有效抑制直流电网谐振电流和提高直流电网运行稳定性的能力。