着力破解制约湖南经济发展的电力技术瓶颈——长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室建设始末

电网是整个能源产业的枢纽和依托,承载着国家能源安全、促进能源清洁高效利用和提振经济的重要使命。美国、加拿大、澳大利亚以及欧洲各国都相继开展了智能电网相关研究,我国也将建立"坚强智能电网"设立为国家战略;

中性点柔性接地配电网故障相恢复电压暂态时域特征分析

配电网接地故障过零熄弧后的电压暂态恢复特性决定了系统过电压水平及电弧重燃特性,目前,中性点柔性接地配电网故障熄弧后暂态恢复电压变化机理尚不明确,为此建立柔性接地配电网接地故障暂态等值电路,理论解析故障过零熄弧后故障恢复电压的时域表达式。在此基础上,对比分析配电网谐振接地与柔性接地方式下,系统参数变化对故障相恢复电压暂态峰值与恢复速度的影响,揭示暂态时间尺度下故障相恢复电压特征随注入零序电流值与电流注入时机的变化规律,阐明通过中性点注入可控零序电流抑制故障暂态过电压的机理。在PSCAD/EMTDC仿真环境与10 kV真型配电网实验场中模拟各种运行和故障工况,仿真与真型实验结果均验证柔性接地配电网故障相恢复电压时域解析特征与变化规律的正确性。

基于有源消弧暂态衰减信息的配电网接地故障跟踪检测方法

现有配电网单相接地故障检测技术缺乏消弧过程的故障程度跟踪与选线能力。该文充分利用消弧过程中的暂态信息,建立考虑线路参数不对称的集总参数等效模型,论证消弧过程零序电压衰减直流特征的物理意义,提出考虑快速消弧的配电网故障检测新方法,对于低、高阻接地故障均有较高的检测灵敏度。实际应用中,仅需观测消弧全补偿电流投切过程中零序电压及零序电流波形,即可实现过渡电阻测量、故障程度跟踪与故障选线,具有瞬时性故障实时跟踪、故障检测与故障消弧同步进行的优势,操作简单、易于实现。仿真实验证实了方法的有效性,为配电网故障检测提供了新的理论依据。

湖南省智能电网建设

受全球气候变化加剧、生态环境恶化以及化石能源快速消耗等问题的影响,当今世界能源格局正在发生重大而深刻的变革。本世纪初智能电网(SmartGrid)在欧美的发展,为全世界电力工业在安全可靠、优质高效、绿色环保等方面开辟了新的发展空间。

基于多维波形差异度聚类分析的配电网故障区段定位方法

谐振接地系统运行环境繁杂,单相接地故障发生状态多变,基于单一特征量的传统配电网故障区段定位方法存在各自的定位判别盲区,方法可靠性和适用性难以保障。针对上述问题提出了一种无需整定的基于多维波形差异度聚类分析的配电网故障区段定位方法。依据故障点上下游各检测点零序电流暂态及稳态分量的波形差异性特征,通过离散Fréchet距离算法量化相邻检测点间的暂态及稳态波形差异度,并采用模糊C均值算法(fuzzyC-means,FCM)综合多特征信息以区分正常区段与故障区段,有效消除了单一特征定位盲区,实现故障区段自适应准确定位。PSCAD/EMTDC仿真结果以及10kV真型实验结果表明所提方法不仅保证了在不同故障工况下的定位可靠性和适用性,还具有耐高阻能力强、抗噪性高等优点。

基于零序电压柔性控制的配电网铁磁谐振抑制方法

配电网电磁式电压互感器饱和易引发铁磁谐振,可能产生长时间的过电压。首先,提出一种基于零序电压柔性控制的铁磁谐振抑制新方法,由脉宽调制有源逆变向配电网注入零序电流,吸收电网零序暂态能量,释放线路对地电容的多余电荷,抑制过电压,从本源上消除铁磁谐振;然后对一配电网分频、基频、高频铁磁谐振的抑制进行仿真验证。结果表明,所提方法仅需短时注入零序电流,强迫配电网脱离铁磁谐振状态,抑制零序电压为零。

基于配电网柔性接地控制的故障消弧与馈线保护新原理

为解决中性点非有效接地配电网中长期存在的单相接地故障消弧与保护难题,提出基于零序电压柔性控制的配电网接地故障消弧与保护新原理。在配电网发生接地故障的初始时刻,通过脉宽调制(pulse width modulation,PWM)有源逆变器注入零序电流补偿接地故障全电流,实现对零序电压的控制,促使故障点电压为0,实现瞬时故障100%消弧。接地故障发生后,经一定延时,控制电流注入,增大故障残流,精确测量零序电压和各馈线零序电流变化量,实现接地故障的动态感知和可靠保护。该技术有望降低故障建弧率,减少故障停电时间,促进配电网智能化发展。

配电网相电源馈入中性点的接地故障相主动降压消弧新原理

针对配电网接地故障转移技术无法灵活调控系统零序电压,及基于电力电子器件的有源消弧技术精确控制实现复杂、实施条件较严苛的问题,提出配电网相电源馈入中性点的接地故障相主动降压消弧方法。基于中压电网单相电压调控不影响线电压的特性,由接地变压器二次侧提取系统固有线电压相量,对电源电势进行相序重组,通过注入变压器升压反馈输入至配电网中性点,并调节注入变压器变比调控故障相电压,降低故障相电压至接地故障点燃弧电压以下,实现接地故障主动降压消弧;进一步对比分析了接地变压器二次侧非全相反馈输入与配电网接地故障持续期间,系统内各序分量的变化规律,分析了电源电势反馈机制对配电网运行的影响,并研发了相电源馈入中性点的接地故障相主动降压消弧成套装置。在PSCAD/EMTDC仿真环境与真实的10kV配电网实验场中模拟各种运行和故障工况,对所提主动降压消弧方法的效果及序分量特性进行了验证与测试。仿真与实验测试结果表明,相电源馈入型消弧装置能够主动抑制故障点电压,消除接地故障残流,实现接地故障的快速、可靠消弧。

基于双闭环控制的配电网单相接地故障有源消弧方法

阐述了配电网单相接地故障有源消弧机理,提出了一种基于双闭环控制的有源消弧方法,在配电网发生故障时,通过向中性点注入可控零序电流,控制故障相电压为零,实现故障消弧。该方法由中性点电压外环和输出电流内环构成,外环输出结果作为内环的参考信号,分别以比例—谐振(PR)和比例—积分(PI)作为控制器,并分析了内外环控制器的稳定性。仿真和实验结果表明该方法具有良好的稳态和动态性能,无需测量配电网电容电流等阻抗参数,能实现故障点电流的快速、高精度抑制。

双馈风电机组在不对称电网故障下的稳定性控制研究

为避免电网电压不对称跌落导致双馈风电机组(DFIG)脱网运行,分析了电网不对称故障时双馈风力发电机组直流母线电压波动机理,直流侧过电压这一现象主要由定子侧直流分量和电网电压负序分量引起。通过参考系坐标变换导出在正负序坐标系中双馈感应发电机的电压和电流方程,建立了正、负序坐标系下DFIG数学模型,利用机、网变流器协调控制方法,在不对称电网故障期间,机侧变流器转子电流的负序分量控制为零,网侧变流器采用双闭环正、负序电流控制抑制网侧负序分量,结合功率计算模块,有效抑制了机组电磁转矩与电流的2倍频波动,以及直流母线电压与电流负序分量的波动,改善了DFIG在不对称电网故障下的动态性能。仿真结果表明了该控制策略的可行性。

配电网过电压有源抑制的注入电流控制方法

为了对配电网三相参数不平衡导致的三相不平衡过电压进行抑制,提出一种基于比例谐振控制的配电网三相不平衡过电压有源抑制方法。通过有源逆变器向配电网中性点注入特定幅值与相位的电流,调控零序电压,从而实现三相不平衡过电压的抑制。然后设计了比例谐振闭环控制方法,先确定控制器的比例系数再确定积分系数,提高了注入电流的可控性,实现了无静差调控。仿真及实验结果表明,该方法控制精度高、稳态误差低,能达到快速、精确地抑制三相不平衡过电压的目的。

基于寻优控制的配电网单相接地故障有源消弧方法

为实现非有效接地配电网单相接地故障的有源消弧并简化其控制方法,提出一种基于电流寻优的配电网单相接地故障有源电压消弧方法。该方法利用有源逆变装置向配电网中性点注入可控电流,通过对注入电流幅值及相位的自动寻优,结合闭环控制,实现注入电流幅值和相位的最优化,从而将故障相电压抑制到零,达到消弧目的。仿真分析和实验结果表明,该方法无需测量对地参数,且不受故障接地电阻值的影响,能快速抑制故障相电压,实现配电网接地故障的有效消弧。

智能电网同步时钟技术

随着智能电网的发展,对时间同步提出了更高的要求。IEEE1588时钟同步协议能够满足智能电网对时间同步的苛刻要求,具有极大的发展潜力。简要概述了目前智能电网时钟同步存在的问题,提出了高精度卫星同步时钟和基于IEEE 1588协议的智能电网时间统一技术的技术方案。

配电网中性点柔性接地装置四象限运行机理与控制方法

针对现有配电网柔性接地装置在进行接地故障处置时,易因网侧能量倒灌而导致直流侧电压失稳,甚至直流电容击穿的问题,分析注入电流与中性点电压间相角差随系统参数的变化规律,揭示系统参数变化对柔性接地装置输出有功功率、能量流向的影响机理,阐明造成系统能量倒灌的内在原因。在此基础上,提出一种具备四象限运行功能的柔性接地装置拓扑结构,在整流侧采用电压型三相半桥可控整流拓扑,并经配电变压器接入电网,能够维持能量在装置内双向流通,提升直流侧电压稳定性,同时实现直流侧供电自给。进一步提出基于四象限运行柔性接地装置的多目标复合控制方法,通过dq旋转坐标系下整流双环控制实现装置整流网侧单位功率因数运行及直流侧电压稳定,并由逆变侧控制对中性点电压进行快速精准调控。在PSIM(power simulation)仿真环境与10 kV真型配电网实验场中模拟各种运行和故障工况,对所提装置运行机理和控制方法进行验证,仿真与实验结果表明四象限运行柔性接地装置能有效解决现有柔性接地装置在网侧能量倒灌条件下直流侧电压失稳的问题,提升装置的运行和调控性能,实现接地故障快速安全可靠处置。

风电场集电线路单相接地故障柔性电压消弧与动态保护新原理

为解决风电场集电系统长期存在的线路单相接地故障处理难题,提出风电场中性点柔性接地方式,理论推导获得柔性接地风电场三序等效电路,与集电线路单相接地故障复合序网模型,建立风电场零序电压柔性调控理论,提出集电线路单相接地故障柔性电压消弧方法,可主动将故障点电压及故障残流迅速抑制到零,实现单相接地故障电弧的可靠消除。进一步提出基于零序电流动态增量的高阻故障辨识与保护方法,通过柔性调控零序补偿电流,逐渐放大故障残流,实现永久性单相接地故障的灵敏感知与保护。利用PSCAD/EMTDC搭建含双馈异步风电机(doubly-fedinduction generator,DFIG)的规模化风电场模型,模拟多种运行与故障条件对所提方法进行验证,仿真结果表明,该方法能够在考虑系统不平衡电压的情况下精准调控集电线路故障点电压,实现瞬时性单相接地故障快速可靠消弧,动态感知并持续抑制永久性单相接地故障残流,实现集电线路高阻接地故障的灵敏保护。该技术有望提升风电场运行灵活性与故障防御能力,有力保障新能源电能外送的持续性、可靠性。

配电网三相不平衡过电压有源抑制方法研究

分析三相不平衡电压的产生机理,提出有源抑制方法,设计了有源逆变装置,等效为可控电流源,安装在中性点与地之间,优化控制注入电流的大小和相位,能强迫电网三相电压平衡。仿真分析和样机实验测试结果表明,该方法不需要测量线路对地参数,抑制三相不平衡过电压速度快、准确度高,甚至能将中性点位移电压抑制到零。

基于柔性接地技术的配电网三相不平衡过电压抑制方法

配电网三相对地参数不平衡会产生三相不平衡电压,一般采用投切电容器或电抗器补偿三相不平衡参数,抑制不平衡电压,但该方法补偿的精度和速度有限,难以彻底而迅速地实现三相不平衡过电压抑制。因此,在前期发明的柔性接地技术(专利201110006701.2)基础上,提出配电网三相不平衡过电压抑制新方法。通过PWM有源逆变向配电网注入零序电流补偿三相对地不平衡电流,实现对零序电压的控制,从而抑制三相不平衡过电压。仿真分析结果表明,所提方法可有效抑制三相不平衡过电压,能够将中性点位移电压限制为零。

碳排放权交易下碳捕集机组的厂内优化运行

碳捕集水平反映火电厂对其碳排放量捕集的强度,由于实施碳捕集需消耗不菲的能量,而碳捕集水平与碳排放权价格密切相关,因此在总量控制与排放贸易的碳排放权交易体系下通过合理调节碳捕集水平能够有效降低碳捕集电厂的碳排放权购买成本并最大限度地节省发电能耗,实现碳捕集机组的灵活经济运行。从火电厂的角度通过构建考虑碳排放权购买成本、售电损失成本和有功生产成本的碳捕集机组厂内碳捕集水平优化运行模型,分析了碳排放权价格变化时碳捕集水平的变化情况。由于碳排放权交易价格波动且在收盘时方能确定,因此与碳排放权购买成本相关的碳捕集水平的确定存在一定困难,为有效描述其不确定性的影响,采用-超分位数方法求取碳排放权购买成本,进而建立了考虑碳排放权价格随机性的厂内碳捕集水平优化模型。通过算例分析了不同置信水平下,碳捕集能量和碳捕集水平随发电厂净输出功率的变化规律,有效反映了不同碳排放政策控制力度下的碳捕集系统运行水平。

地铁杂散电流引起变压器直流偏磁抑制方法

针对城市地铁运行时泄漏的杂散电流会引起沿线变压器直流偏磁问题,提出一种基于碳化硅PiN二极管的偏磁抑制方法。首先,建立杂散电流分布模型并采集现场地电位实测数据,明晰了地铁运行下城区整体大地电位的数值分布特点。然后利用碳化硅PiN二极管在直流电压和故障电流下的电压阻断能力及电流导通特性,提出了基于碳化硅PiN二极管的变压器直流偏磁抑制电路结构与工作流程。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了城市电网110kV变电站主变直流偏磁仿真模型,验证了偏磁抑制方法故障电流导通能力和偏磁直流抑制效果。仿真结果表明:电网故障时,偏磁抑制方法瞬时导通,继电保护迅速动作跳闸;变压器实施偏磁抑制后,中性点直流电流被阻隔,磁滞回线、一次侧绕组电流及励磁电流畸变率降低,直流偏磁得到有效抑制。

基于模糊测度融合诊断的配电网接地故障选线

非有效接地配电网运行与故障条件复杂多变,现有配电网接地故障选线方法难以有效覆盖不同故障工况,尤其对于高阻接地与弧光接地故障,基于单一故障特征量的故障判据误判率高。该文提出一种基于模糊测度融合诊断的配电网接地故障选线新方法,借助模糊C均值聚类算法,将多种运行工况下采集的表征被保护馈线不同运行状态的历史特征样本集划分为故障类与非故障类,以多种样本相似性测度判据定量分析待测样本与不同类型历史样本的相似程度,形成模糊测度融合诊断矩阵。通过多级评判指标体系对模糊测度融合诊断矩阵进行评判,从而放大故障特征,削弱偶然因素对故障判断的影响,最终输出综合判据矩阵,准确识别故障样本。PSCAD/EMTDC仿真与10kV真型实验测试结果均表明,在非线性负荷等干扰因素的影响下,该方法依然能够准确地捕捉故障特征,在各故障工况下正确地辨识故障样本,具备对不同系统运行方式变化的自适应能力,具有很强的鲁棒性。