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中国电机工程学报 2018年第20期杂志 文档列表

中国电机工程学报杂志大电网规划与运行

并网双馈风电场次/超同步混合振荡现象及阻尼控制方案5919-5928

摘要：该文解释并网双馈风电场中出现次/超同步混合振荡现象的机理,并提出一套风电场层面阻尼控制方案用于抑制次/超同步混合振荡。首先,将风电场等效成多台连接到集中母线的双馈感应发电机（double-fedinductiongenerator,DFIG）,并建立双馈风电场并网系统的闭环互联模型以及1台DFIG子系统与剩余部分子系统（包括风电场中剩余DFIG、同步发电机以及输电线路,后简称剩余子系统）的开环模型。在这些模型的基础上,运用开环模式谐振理论解释双馈风电场并网系统中可能出现次/超同步混合振荡现象的机理：当2个子系统的开环模式在复平面上位置接近会引发开环模式谐振,与之相对应的2个闭环振荡模式将朝相反方向移动,其中1个振荡模式的阻尼将变差;而振荡模式的频率主要取决于双馈感应发电机的参数;当满足一特殊条件时,系统中将出现次/超同步混合振荡现象。为了抑制双馈风电场中次/超同步混合振荡,该文提出风电场层面阻尼控制方案：风电场统一测量阻尼控制的输入信号,进行阻尼控制,并将输出信号分配到相应的双馈感应发电机上。模态分析和非线性仿真结果均验证文中风电场层面阻尼控制方案的有效性。

高比例风电背景下计及N-1安全网络约束的发输电优化规划5929-5936

摘要：高比例可再生能源接入将是未来电网发展的重要方向之一,为应对高比例风电带来的不确定性,提高规划方案对风电的消纳能力及模型求解效率,该文利用多场景技术对风电、负荷的不确定性进行建模,在此基础上建立了计及N-1安全网络约束的发输电双层随机规划模型。上层模型以年投资成本、运行成本及弃风惩罚成本之和最小为目标,考虑了发电机组的开停机和输电网拓扑结构的改变。为减少机组由于爬坡能力和容量不足而造成的弃能,约束条件中计及了机组爬坡/下坡速率和备用等。下层模型以切负荷最小为目标,进行N-1安全校核。上下层模型以N-1线路约束为纽带,通过迭代添加新的校验约束,以达到降低求解规模、加快算法收敛的目的。改进的IEEE-RTS 24节点系统验证了本文所提模型和算法的有效性。

计及风电功率矩不确定性的分布鲁棒实时调度方法5937-5946

摘要：一般性矩不确定模型,其不确定量的概率分布形式、一阶矩与二阶矩数值均不固定,具有很强的分布不确定性表达能力。然而,由于电力系统本身的复杂性,考虑这种矩不确定性的调度模型往往难以有效转化与求解。针对此问题,该文提出了一种计及风电功率一般性矩不确定问题的实时调度方法。首先,给出计及一般性矩不确定问题的分布鲁棒实时调度模型;其次,根据分布集合的一阶、二阶矩表达形式,提出一种新的模型等价转化方法,将原问题等价转换为确定性二次约束二次规划（quadratically constrained quadratic programming,QCQP）问题;进而,根据转化后模型特点进一步采用重构线性化技术（reformulationlinearization technique,RLT）将QCQP模型松弛转化为线性规划（linear programming, LP）问题求解;最后采用简单6节点及IEEE 118节点系统对文中方法进行了测试验证,证明了方法的有效性和高效性。

考虑天气因素的海上风电机组预防性机会维护策略优化方法5947-5956

摘要：海上天气环境恶劣、可进入性差,给海上风电机组的运行维护带来了巨大挑战。该文引入天气因子、可及率和容量因子,分别描述天气对机组劣化过程、维护停机时间和单位时间停机损失的影响。将海上风电机组视为多部件串联系统,以维护成本最小为目标,部件可靠度为约束,构建了考虑天气因素的预防性机会维护模型。维护策略考虑不完全维护和更换两种方式,结合部件劣化情况和维护费用,以费效比作为维护方式的决策依据。以某海上风电场单台风电机组为例,将文中所提策略与不考虑天气因素的预防性维护策略、机会维护策略进行了对比,分析了天气、部件劣化、维护程度等因素对策略的影响。仿真结果验证了所提维护策略的有效性和优越性。

弱交流电网下含STATCOM的LCC-HVDC系统的附加阻尼协调控制方法5957-5964

摘要：通过在电网换相换流器高压直流输电（line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC）逆变侧交流母线装设静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）,来达到抑制换相失败的目的。然而研究发现,在弱交流系统工况下,STATCOM的控制系统（特别是交流电压控制外环）与LCC锁相环之间存在相互作用,会对后者的稳定可行域造成不利影响,进而可能引发整个混合系统的小干扰失稳现象。针对此现象,该文提出一种适用于弱交流系统下含STATCOM的LCC-HVDC系统的新型附加阻尼协调控制（supplementarydampingcoordination control,SDCC）,该方法基于LCC锁相环输出频率信息,引入阻尼系数以附加分量形式反馈到STATCOM定交流电压控制器外环输入中。基于Matlab的特征根理论分析及基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真结果表明,提出的SDCC控制可以有效抑制含STATCOM的LCC-HVDC系统中LCC锁相环增益过大引起的系统小干扰失稳现象,从而提高系统的稳定裕度。

虚拟同步机场景下OUF与OUV检测盲区分析5965-5974

摘要：目前,分析被动式孤岛检测方法性能时所考虑的分布式电源（distributedgenerator,DG）接口主要是基于PQ控制的逆变器。而随着虚拟同步机（virtual synchronous generator,VSG）的广泛应用,现有孤岛检测方法能否适应于VSG场景下的孤岛效应值得深入研究。基于PQ控制的逆变器具有电流源特性,且没有机械惯性;而VSG对外体现为电压源特性,并模拟惯性,导致两种DG孤岛后的系统特性差异显著。该文建立VSG孤岛后系统频率及公共连接点（pointof common coupling,PCC）电压的数学模型,并得到过/欠频检测盲区（non-detection zone,NDZ）关于VSG惯量、阻尼、调速器参数以及电磁功率变化的解析解;研究空载电动势、同步电抗、无功功率调节器与本地负载参数对过/欠压（over/under voltage,OUV）的NDZ的影响;同时,针对孤岛后VSG可能因电流饱和运行在电流源特性的情况,分析电流饱和情况下的OUV的检测盲区。利用仿真和实验验证分析结果的正确性。

中国电机工程学报杂志输变电技术

并联机械式直流断路器的设计与控制5975-5982

摘要：直流断路器是维持直流电网可靠运行的关键设备之一。该文研究了一种并联机械式直流断路器。针对高压应用场合,提出了一种改进级联型高压直流断路器拓扑结构。依据直流断路器内部各组件的电气参数约束条件,推导了该直流断路器中主要元件的参数设计方法,详细分析了该直流断路器的工作原理和内部动态过程。针对单脉冲电流控制模式下,并联机械式直流断路器可能存在的开断失效的缺陷,提出了一种基于双脉冲电流的多零点控制策略。通过仿真验证了直流断路器参数设计方法的合理性以及所提出的控制策略的有效性和可行性。

具备潮流控制功能的直流断路器仿真建模研究5983-5991

摘要：基于柔性直流输电的直流电网技术,在大规模分布式可再生能源接入、新型城市电网构建等方面,被认为是最有效的技术方案,直流电网已经成为未来电网的重要发展方向和组成部分。在直流电网中,需要配置直流潮流控制器来优化系统潮流分布;需要配置直流断路器来降低直流故障对系统运行的影响及保护设备。为了减少直流电网内设备的数量,降低电网建设成本,讨论一种新型的具备潮流控制功能的直流断路器。通过改变现有混合直流断路器的主支路拓扑结构,即可具备潮流控制功能。该文分析该新型设备的拓扑结构并基于小信号分析,借助比例积分微分控制器,给出设备在正常运行及故障时的控制策略。通过分析,证明新型设备具备潮流控制及快速故障隔离能力,且能在实现同样功能的情况下降低系统成本。

基于预充电电容的新型混合直流断路器5992-6000

摘要：混合型直流断路器技术因速度快、可靠性高,是目前直流领域断路器的重要研究方向,但现有方案存在成本高、限流效果差等缺陷。为解决上述问题,该文提出一种基于预充电电容的新型混合直流断路器,故障转移支路主要采用晶闸管代替传统的IGBT,预充电电容的投入一方面可使得晶闸管强迫关断,另一方面可有效抑制故障电流。该方案在短路线路切除过程中,较好地抑制了故障电流,同时减少了全控器件的使用,大大降低了设备成本。文中详细描述该混合直流断路器的拓扑结构、工作原理、控制策略及与现有方案的经济技术性对比,并最终通过在PLECS软件中搭建仿真模型验证其可行性和有效性。

输电检修与机组组合联合的区间鲁棒优化决策6001-6011

摘要：在设备实施状态检修背景下,输电设备检修与机组组合容易产生矛盾,尤其是风电等可再生能源接入所产生的剧烈不确定性使这一矛盾更加突出。为此,该文以区间不确定集描述电网各母线上负荷或风电的不确定性,建立了输电设备检修与机组组合联合的区间鲁棒优化决策模型。从该模型出发,提出了以奔德斯（Benders）分解协调为核心的求解框架,其中以输电设备检修和机组组合联合决策为主问题,依据电网潮流可行性和电网潮流最优性的条件,引入奔德斯可行割和最优割,借助拉格朗日松弛技术（Lagrangian relaxation technique）使分解协调迭代格式得以有效进行,最终驱使主问题趋向潮流可行到最优,完成优化决策。其中,为提升优化算法计算效率,引入主问题中设备检修和机组启停变动情景下的发电与负荷平衡（单母线模型）的经济调度最小运行成本以减小主问题目标与子问题目标衔接的间隙,并促使其以最小的迭代次数趋向最优解;其次,针对电网潮流可行性及最优性校验遭遇的max-min复杂模型,提出一定主问题解条件下,依据对偶原理和区间不确定集特点使其转换为易于求解的混合整数线性规划模型的方法,并给出应用模式识别加速这一校验过程的基本流程。最后,以简单6节点和IEEE118节点算例系统验证了该文模型和方法的有效性。

中国电机工程学报杂志发电

准东煤掺烧NH4H2PO4对灰分变化和灰熔融特性的影响6012-6020

摘要：通过X射线衍射图谱分析结合灰熔融性测定,研究了准东煤燃烧过程中的矿物质赋存形态变化及添加NH4H2PO4对准东煤灰分特征和灰熔融特性的影响。试验结果表明,空气气氛下,随着准东煤燃烧温度从800℃升高至1100℃,灰中钠长石、钙铁辉石和蓝方石等熔点较低且熔融性较强矿物质含量升高,灰中主要矿物质皆为助熔性矿物质。煤中添加比例PO4~（3-）/Na≥0.5、温度800℃以上,混煤灰中生成新的Ca（2.71）Mg（0.29）（PO4）2、 Al PO4、 Ca3（PO4）2、Ca9Fe（PO4）7、Ca9Al（PO4）7、Ca2P2O7和Mg2P2O7等高熔点物质。当PO4~（3-）/Na〉 1时,混煤灰熔融性温度明显升高,软化温度由1144℃增加至1418℃（PO4~（3-）/Na=4）,煤改善为中等结渣倾向。可见添加NH4H2PO4能够有效抑制低熔点、助熔性含钠矿物生成,促进高熔点物质形成,提高灰熔融特性温度。

变截面管内燃煤烟气PM2.5声波团聚实验研究6021-6028

摘要：声波团聚PM_（2.5）减排工业应用的瓶颈问题包括缺乏大功率高效强声源和能耗过高等。基于气流声源（高频旋笛）和突变截面驻波管建立了160dB以上燃煤烟气声波团聚实验系统。系统设计中,通过团聚敏感频率与驻波管共振频率相匹配,在相同输入声功率前提下提高了管内声强和团聚效率,并通过复合透声板实现了团聚舱内功率气流与强声场的分离。通过模态分析法和有限元模型研究了舱内声场特性和共振频率的影响因素。实验研究了500Hz至1.5kHz宽频范围内舱内强声信号和共振工况条件,对比了不同频率和声压级条件下烟气中5μm以下粒径的分布变化。结果表明,全频段内声压级获得5dB至15dB的共振增益,700Hz最大基频声压级达到167dB。烟气团聚较优频率为700Hz和1.4kHz,PM2.5减排效率最高99%,达到了PM2.5高效脱除和提高声能利用率的目的。

Cu/HZSM-5催化剂低温SCR脱硝实验研究6029-6036

摘要：采用浸渍法制备了不同Cu负载量的系列Cu/HZSM-5脱硝催化剂,通过XRD、H2-TPR、NH3-TPD、in situ DRIFTS等多种表征手段对催化剂进行了表征,并对其低温NH3-SCR脱硝性能进行测试。结果表明,Cu/HZSM-5催化剂在中低温均展现出较好脱硝效率,Cu负载量为20%的Cu/HZSM-5中低温脱硝效果最佳,288℃达到最大为96.89%,200～400℃温度范围脱硝效率均在80%以上。Cu物种高度分散在载体表面,未改变HZSM-5晶体结构。Cu/HZSM-520%催化剂具备丰富酸性位、优异的氧化还原性能,在NH3-SCR反应过程中只存在E-R机理,L酸性位在低温脱硝反应中发挥重要作用。

相变胶囊无序堆积蓄热特性分析6037-6044

摘要：相变蓄热作为一种较为高效的储能方式,为太阳能、风能等可再生能源的高效利用提供了一种技术保障。应用EDEM软件建立了相变胶囊无序堆积床的三维模型,应用FLUENT软件中的凝固融化模型计算了该模型的蓄热特性。在蓄热材料质量相同的情况下,模拟分析了蓄热胶囊粒径和换热流体的流动状态对蓄热能效、蓄热时间、压降及温度分布的影响。研究结果表明,增大换热流体流速可以加快无序堆积床的蓄热进程,但系统的能量效率和内部温度场的均匀性会降低,压降增大;减小蓄热胶囊粒径造成压降增加、蓄热总量减小,但瞬时能量效率得到提高,蓄热用时减少,且无序堆积床的内温度场的均匀性得到改善。

基于多分类相关向量机和模糊C均值聚类的有轨电车用燃料电池系统故障诊断方法6045-6052

摘要：为解决有轨电车用燃料电池电堆系统（fuelcellstack system,FCSS）故障分类问题,提出基于多分类相关向量机（multi-class relevance vector machine,m RVM）和模糊C均值聚类（fuzzy C means clustering,FCM）的有轨电车用FCSS故障诊断新方法。该方法利用FCM形成标准聚类中心,采用m RVM对测试样本实现多分类,能有效剔除奇异数据并提高模型分类正确率。实例分析表明,所提方法可快速识别氢气泄漏、去离子水加湿泵低压、空气压力过低和正常共4种健康状态,分类准确率可达96.67%,为有轨电车用FCSS在线故障诊断研究提供参考。

中国电机工程学报杂志电力电子与电力传动

计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估6053-6061

摘要：作为大功率变流器的关键单元,绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）的高可靠性是系统稳定运行的重要保证,准确的寿命评估是提高系统可靠性的有效手段之一。然而,目前器件寿命评估多忽略焊料层疲劳造成的热阻、热载荷增大效应,易高估器件寿命。针对该问题,该文提出计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估模型,该模型考虑焊料层失效位置信息以及疲劳造成的热特性反馈效应。首先,基于IGBT模块三维电–热–力多物理场耦合模型分析不同焊料层疲劳对模块热响应影响的差异;其次,提出基于Cauer模型的考虑焊料层疲劳位置信息的热网络更新策略;然后,基于该策略建立适时更新热网络的计及焊料层疲劳对模块老化加速作用的寿命预测模型;最后,与现有寿命预测模型对比分析实际风速下风机变流器中IGBT模块的寿命评估。

大功率沟槽栅场终止IGBT器件物理模型参数提取的新方法6062-6070

摘要：针对沟槽栅场终止技术IGBT器件,提出一种新颖的模型参数提取方法,给出详细的处理流程,并在考虑模型参数偏差的情况下分析IGBT器件串联中的电压不均衡问题。首先,采用功率器件曲线测试仪测试了器件的极间电容,从而拟合出IGBT芯片的有源区面积。通过功率半导体器件参数手册,结合相关半导体理论,反向计算获得其主要模型参数。通过搭建双脉冲测试平台,拟合开关过程测试曲线获得IGBT器件和时间相关的模型参数。在不同的试验条件下,测试、仿真结果的比较验证提取的模型参数,从而证实建议的参数提取方法。利用提取的模型参数,在考虑器件及驱动参数偏差的情况下分析柔性高压直流输电工程中的IGBT串联电压不均衡问题。

电流源变换器直流链电流纹波抑制策略研究6071-6078

摘要：电流源变换器直流链电感电流纹波是系统运行的重要性能指标之一。实际应用中可通过提高开关频率或增大电感值减小直流链纹波。然而,提高开关频率会引起系统开关损耗增加,增大电感值会导致系统体积增大、成本提高。为了解决上述问题,首先分析传统方案电流纹波的时域表达式,揭示传统方案存在的问题,然后提出一种基于优化开关矢量序列的新型控制方案,其效果是：在不增加开关频率和硬件的情况下,有效减小了直流链电流纹波。搭建TMS320F28335DSP＋XC3S400FPGA数字控制硬件实验平台,对提出方案进行实验研究,实验结果验证了提出方案的有效性。