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中国电机工程学报 2018年第24期杂志 文档列表

中国电机工程学报杂志高电压技术

耦合型机械式高压直流断路器研究7113-7120

摘要：柔性直流电网因具有灵活、可靠和经济性好等特点,得到越来越多的重视和发展,而直流断路器是保证柔性直流电网稳定运行的关键设备之一。针对传统机械式及混合式直流断路器应用于高电压领域时存在的可靠性和经济性问题,提出一种耦合型机械式高压直流断路器拓扑结构,详细分析其工作原理及优势,并给出各元件参数的选择依据。基于160kV南澳柔性直流输电系统需求,研制了160kV高压直流断路器样机,完成包括双向开断试验在内的型式试验,并挂网运行。针对500kV直流输电系统需求,完成500kV耦合型机械式高压直流断路器拓扑完善与参数设计,并基于PSCAD仿真软件完成了针对张北工程的各主要工况仿真校核。

不同温度下高压直流电缆绝缘击穿场强的厚度效应7121-7130

摘要：保守的绝缘厚度设计增加了电缆的生产成本,同时导致了击穿场强的减小,降低电缆性能。因此,高压直流电缆绝缘击穿场强的厚度效应研究具有工程实际意义。选取高压直流电缆用交联聚乙烯国产直流料作为研究对象,通过对不同厚度试样进行30、50、70℃下的直流击穿实验和空间电荷测试,研究温度对于交联聚乙烯击穿场强厚度效应的影响与机理。研究结果表明:交联聚乙烯的直流击穿场强随温度升高而降低,不同温度下交联聚乙烯的击穿场强与厚度的关系符合反幂定律,指数因子随温度变化,30℃时为0.41,50℃时为0.71,70℃时为0.56;30℃时,交联聚乙烯空间电荷密度和电场畸变与厚度呈正相关,导致击穿场强降低;随着温度升高,空间电荷积累增多,电场畸变增大,在薄试样中这种变化更为明显。实验结果说明,温度作用下的交联聚乙烯击穿场强的厚度效应与聚合物自由体积的变化、内部热量的积聚、空间电荷的二次效应等因素密切相关。

考虑铁心深度饱和的单相双绕组变压器改进π模型7131-7140

摘要：考虑铁心深度饱和的变压器模型是准确模拟变压器低频电磁暂态的关键。现有的T模型和Γ模型均存在物理缺陷:认为铁心深度饱和时其各部分饱和程度一致,这与实际情况不符;虽然现有的π模型能够解决此问题,但尚未见能够表征铁心从开始饱和到深度饱和渐变物理过程的π模型。该文以经典π模型为基础,基于直流电源激励铁心进入深度饱和的原理,利用耦合交流小信号测量铁心励磁曲线的饱和段数据,构建整条励磁曲线。提出将励磁曲线分配到π模型2个励磁支路上的方法,由此对π模型励磁支路的非线性特性进行准确表达,进而建立一种考虑铁心深度饱和的单相双绕组变压器改进π模型。对2台不同铁心材料的单相双绕组变压器进行开路、短路和深度饱和试验,提取建模参数,在ATP/EMTP中搭建改进π模型,同时以现有T、Γ和π模型为基础,分别搭建考虑和不考虑铁心饱和过程的6种变压器模型。利用励磁涌流和直流偏磁试验对所建立的模型进行验证,结果表明,该文提出的改进π模型误差小于5%,精度明显高于其他几种模型,说明其对以励磁涌流为代表的变压器低频电磁暂态具有较高的模拟精度,能够为EMTP类电磁暂态软件提供基础变压器模型。

塔-线耦联因素对于覆冰载荷下高压输电塔-线结构体力学性能影响及分析7141-7148

摘要：研究覆冰载荷下高压输电线路塔-线结构体系稳定性和力学行为,有助于提高线路抵御冰雪灾害能力,增进系统整体稳定性,建立有效的分析方法是目前该领域的关注焦点。该文首先论述考虑和忽视塔-线耦联因素的两种覆冰模拟方法,并以江西电网某220kV覆冰高压输电线路为算例,基于三塔两线有限元模型和解析计算模型,综合考虑载荷特性和塔-线耦联因素,对覆冰载荷下线路的响应特性进行对比分析,对比架空线轴力分布、极限覆冰厚度、铁塔应力、应变等关键参量的计算结果,讨论各参量的变化规律。结果表明:在无覆冰或轻覆冰工况下,忽视塔-线耦联和考虑塔-线耦联两种方法下其结果非常靠近,彼此间无明显差异;但随着覆冰厚度增加,由于塔-线耦联作用不断增加,导致两种方法下结果间出现明显偏离。因此对于重覆冰区域,必须重视塔-线耦联因素对于输电线路性能的影响,或考虑对静态分析模型做系数修正。该文所提供的考虑塔-线耦联因素的输电线路仿真计算模型,其在工况考虑上更切合实际现场,可供覆冰区域输电线路设计、力学分析、运行维护参考。

风力发电机叶片加热循环控制除冰数值仿真研究7149-7155

摘要：风力发电机的电加热除冰技术受导电滑环的功率限制,加热时间较长,除冰效率较低。针对此问题,该文提出采用新型电加热循环控制除冰方式,以重庆大学雪峰山覆冰试验站300kW风机为研究对象,结合叶素理论、湍流理论和传质传热平衡理论,建立基于流体-热力场的叶片电加热循环除冰二维耦合数值仿真。通过在叶片表面设置温度传感器监测除冰过程中的冰层温度变化,结果表明:冰层温度呈先升后降、循环升高的趋势;单次加热时间在8.5~9.5s时,总加热时间最少;所需除冰功率密度随叶片半径增加而增加。相比持续加热除冰,循环控制除冰方法可节约能耗25.9%,达到节能高效的目的。

DBDS和十六硫醇对变压器绝缘纸协同劣化作用的微观机制研究7156-7165

摘要：腐蚀性硫化物导致的变压器故障已成为影响电网安全运行的重要因素。现有针对腐蚀性硫化物的研究主要集中在二苄基二硫醚(DBDS),然而实际运行的变压器油中可能存在多种具有腐蚀性的硫化物,共同导致变压器绝缘性能的劣化。选取3种典型的腐蚀性硫化物DBDS、十六硫醇、DBDS+十六硫醇为研究对象,开展加速热老化实验,发现添加等比例DBDS+十六硫醇时绝缘纸抗张强度与聚合度下降程度明显大于单一硫化物。为厘清其微观作用机制,采用反应分子动力学仿真手段,研究硫化物对纤维素材料特性的影响。结果表明,在硫化物作用下纤维素分子的机械性能显著降低;而在硫化物浓度相同时,等比例DBDS+十六硫醇的劣化作用效果大于单一硫化物,这与该文实验结果相一致。进一步地,由纤维素分子能量的计算结果指出,氢键数目减少与范德华作用减弱是导致纤维素材料机械性能下降的主要原因。上述工作结合实验研究和微观仿真,揭示了硫腐蚀引起油纸绝缘材料劣化的作用机制,为研发硫腐蚀防护技术提供了参考依据。

大规模复杂模型电场计算的快速精细化有限元数值建模7166-7173

摘要：有限元法是电场数值计算中普遍采用的一种方法,当求解域内实体较多且结构复杂时,整体模型的区域离散往往难度较大。为此,基于模型的基本几何形态,提出一种针对复杂模型电场数值分析的快速建模剖分方法。以简单2维模型为例,介绍外包区域实体生成及相互位置关系判断算法,结合有限元电场计算时的网格剖分策略,参数化实现模型表面多层网格加密,剖分的效率及质量较高。将该方法应用于特高压直流(ultra high voltage direct current,UHVDC)阀厅设备表面电场计算中,计算结果表明:该方法较子模型法计算所得结果最大误差仅为3.80%,计算效率较子模型法大幅提高。该方法实现了大型复杂模型表面网格精细化控制,对大规模有限元电场计算的快速、准确建模具有一定指导意义。

环保型绝缘介质C3F7CN/CO2的分解机理7174-7182

摘要：目前在电力行业中广泛应用的SF6气体具有严重的温室效应,寻找一种绝缘性能优良的环保型替代气体成为研究热点。近年来,C3F7CN及其混合气体凭借出色的绝缘性能和环保特性得到了国内外学者的广泛关注。目前针对其放电分解机理的研究较少。首先,基于ReaxFF反应分子动力学方法和密度泛函理论,从微观层面模拟研究了C3F7CN/CO2混合气体的分解机理。基于构建的C3F7CN/CO2混合气体模型,研究了温度对C3F7CN分解过程的影响,分析了其可能的分解路径、产物类型及分布等。计算结果表明,C3F7CN在局部过热或放电等故障条件下分解容易产生CF3·、C3F7·、C·、CF3CFCN·、CF2·和F·等各类自由基,上述自由基复合将产生CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、CO等产物。其次,利用气体绝缘试验平台和气相色谱质谱联用仪(gas chromatography mass spectrometer,GC-MS),试验分析了其多次击穿后的分解产物。试验结果表明,混合气体多次击穿后的主要分解产物是CF4、C2F6、CF3CN。这些产物分子均具有比较好的绝缘能力,保障了C3F7CN/CO2混合气体的绝缘性能不被破环。相关结论为进一步探究C3F7CN/CO2混合气体的绝缘特性及协同效应等课题提供理论依据和工程指导。

基于RFID传感标签及QPSO-RVM的变压器绕组故障在线诊断技术7183-7193

摘要：该文提出了一种基于无源射频识别(radio frequency identification,RFID)振动传感标签及量子粒子群算法(quantum-behaved particle swarm optimization,QPSO)--相关向量机(relevance vector machine,RVM)的变压器绕组故障在线诊断技术。首先设计一种双天线无源RFID振动传感器标签结构,可以稳定工作在无源模式下。针对变压器绕组振动信号包含大量噪声的特点,利用奇异熵对原始信号进行降噪处理,并提出基于QPSO优化的RVM的故障诊断算法。测试结果表明:该文所设计的标签能够可靠地完成变压器绕组振动信号采集以及传输,QPSO-RVM算法能够快速而准确地定位出故障所在,与国内外现有监测技术相比,具有低成本、功耗低,故障定位迅速准确的优点。

中国电机工程学报杂志大电网规划与运行

综合需求响应研究综述及展望7194-7205

摘要：需求响应(demand response,DR)是需求侧参与电网灵活互动的重要途径,其在能源互联网中的衍生为综合需求响应(integrated demand response,IDR),利用气、电、冷、热等不同形式能源间的耦合互补关系,在需求侧进行包含可调负荷、储能和分布式产能/能源转换设备的协同优化,激发综合能源网络的灵活性,有利于提升能源利用效率,降低供能和用能成本。该文首先介绍IDR的基本概念与框架结构,然后分析了IDR在需求侧的模型,对IDR的优化运行与求解方法的研究现状进行了评述,探讨了IDR的市场机制与商业模式,最后总结了目前IDR研究中的关键科学问题,并对未来的研究方向进行了展望。

张北柔性直流电网工程新能源与抽蓄电站配置方案运行经济性评估7206-7214

摘要：为解决张家口地区大规模新能源的可靠送出和消纳、支撑绿色低碳冬奥,国家电网有限公司拟建设张北±500kV四端柔性直流电网示范工程。评估张北柔性直流电网工程在不同新能源和抽蓄电站配置方案下的运行经济性,对工程建设决策有着重要的意义。为满足计算精度及工程实用性的需要,提出一种基于时序生产模拟仿真的多端柔性直流电网运行经济性评估方法。以新能源最大化消纳为目标,考虑柔性直流电网传输安全、下网功率调峰需求、线路N-1安全运行、新能源与抽蓄电站互补运行、新能源限电率等约束条件,建立基于直流潮流的新能源与多端柔性直流电网混合运行优化模型。以张家口地区全年的新能源出力时间序列为输入,通过运行优化求解,得到张北柔性直流电网全年逐时段的上网和下网功率,核算在不同新能源和抽蓄电站配置方案下电网的运行成本和收益。采用工程经济学中常用的折现现金流的方式,开展方案的经济性评估,案例测试结果验证了所提方法的有效性。

光伏并入弱交流电网次同步振荡机理与特性分析7215-7225

摘要：随着我国西北地区集中式光伏装机容量的持续增加,规模化光伏发电经长距离输电线路并入主网成为重要的外送方式,然而,大规模光伏并入弱交流电网可能面临次同步振荡的威胁。该文建立大型光伏电站的序阻抗模型,基于阻抗分析法,分析光伏并入弱交流电网次同步振荡的机理和参数特性。结果表明,在一定条件下,光伏发电系统阻抗在次同步频域可能呈容性;随着电网强度的降低以及装机容量的增加,容性光伏系统可能与感性电网发生次同步频率的电气谐振;随着光伏逆变器电流环比例增益减小,光伏发电系统次同步振荡风险增大,而增加锁相环比例增益和积分增益,可以降低这一风险。最后,基于PSCAD/EMTDC时域仿真验证上述分析结果,研究结果可为大规模光伏接入弱电网工程提供参考。

虚拟同步发电机控制下多端交直流混联电力系统间的强动态交互过程及其传播7226-7234

摘要：该文针对虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,vsG)控制下的多端交直流混联电力系统,首先建立了VSG控制子系统作为反馈环节的交直流混联系统闭环线性化互联模型,分析强动态交互过程的产生条件,论证其对稳定性的负面影响,提出混联电力系统在强动态交互过程下的稳定性判据。然后,研究上述强动态交互过程的传播路径,得出VSG控制子系统与剩余子系统间强动态交互过程的传播路径包含直流线路和交流线路两部分,其中直流系统的下垂控制参数会对强动态交互过程的传播产生显著影响。因此,提出通过断开交流线路、采用较小的下垂系数来阻断、抑制强动态交互过程的传播,并通过设定合理的VSG控制参数进一步破坏其产生的条件,避免由于VSG接入引起的强动态交互过程及其对稳定性的潜在威胁,提升VSG控制下多端交直流混联电力系统的稳定性。最后,在VSG控制的三端交直流混联电力系统算例中,采用模式分析法和时域仿真法验证上述分析结果。

考虑风电不确定性的电热综合系统分布鲁棒协调优化调度模型7235-7247

摘要：目前,弃风现象仍是制约风电发展的主要因素,且风电具有较强的不确定性,而传统随机规划和鲁棒优化方法均不同程度上存在片面、保守和经济性问题,基于此,该文提出了考虑风电不确定性的电热综合系统分布鲁棒协调优化调度模型。首先,搭建以热电联产机组和电锅炉为耦合单元,以常规机组发电成本、热电联产机组发电成本和弃风成本为综合优化目标,电功率平衡、热功率平衡、最小开停机等为约束条件的确定性热电协调优化调度模型;其次,以调度系统可用的风电出力历史数据为基础,构建数据驱动下的分布鲁棒两阶段优化调度模型,模型第一阶段目标中不仅考虑了机组开停机成本,还融合风电预测场景信息,制定出更具经济性的日前调度计划,第二阶段综合考虑1-范数和∞-范数约束不确定性概率分布置信集合,寻找到最恶劣概率分布下的模型最优解,并采用列与约束生成(column-and-constraint generation,CCG)算法进行求解。最后,采用IEEE39节点算例验证了模型对风电消纳的提升效果和分布鲁棒模型的有效性。

含多状态机组风电场的发输电系统可靠性评估加速方法7248-7257

摘要：随着现代电力系统的发展,其失负荷概率逐渐降低。而风电大规模接入系统后,发输电系统中的不确定因素进一步增多。基于上述原因,现代电力系统可靠性评估的难度也相应地加大。该文以此为研究目标,依据交叉熵思想,提出一种能够计及风速波动性和风电机组降额状态的加速采样的改进交叉熵重要性采样法,称为IKL-IS法。该方法通过求取和利用发输电系统内各随机性元件的最优概率分布,降低了待评估的系统状态示性函数的方差,从而减小了评估指标的数值波动,加快了其收敛速度。最后根据调整后的IEEE-RTS 79发输电系统设计了算例,算例内部同时考虑了风速、负荷的波动性以及风电机组的多状态特性。同时将所提IKL-IS算法和传统蒙特卡洛采样法(MCS)、分散蒙特卡洛抽样法以及既有重要性采样法(KL-IS)应用于该算例,并比较4种方法评估得到的测试系统可靠性指标,验证了该算法的正确性和有效性。

异步电机机电时间尺度有效惯量评估及其对可再生能源并网系统频率动态的影响7258-7266

摘要：大量风电取代传统发电厂并入电网,导致系统的惯量下降,频率动态恶化。在这一背景下,包括异步电动机和发电机在内的异步电机在负荷侧和发电侧占有相当的比例,其在惯性响应时间尺度的频率动态中所发挥的作用值得关注和研究。为了评估异步电机在机电时间尺度的有效惯量,定义异步电机的内电势,并推导内电势的相位运动方程。结果表明,转子转速和转差频率调节的共同作用会影响异步电机的有效惯量,使异步电机的有效惯量具有时变特性。此外,建立由同步发电机、双馈风机和异步电机负荷构成的系统,用于分析异步电机有效惯量对大规模风电并网的电力系统频率动态特性的影响。时域仿真结果验证了异步电机有效惯量和分析的正确性。

基于灵敏度分析的直流受端系统紧急切负荷控制优化方法7267-7275

摘要：该文提出一种基于灵敏度分析的直流受端系统紧急切负荷控制优化方法。首先,分析直流闭锁后受端系统的暂态稳定裕度以及切负荷量对暂态稳定裕度的灵敏度;接着,以紧急负荷控制的经济代价为目标,以最大摇摆角、最低频率、最低暂态电压稳定裕度及最大可控负荷等为约束条件,建立紧急切负荷控制优化问题的数学模型。为解决人工智能算法计算量大,难以实施的困难,应用灵敏度方法,将非线性动态优化问题近似为线性规划问题,迭代求解直至收敛到最优解。为克服可能收敛到局部最优解的不足,采用了多初值寻优的方法。最后,以河南省电力系统为例验证算法的有效性,结果表明算法可有效减小计算量,提高优化速度,在确保系统暂态稳定的前提下大大降低了控制代价。

中国电机工程学报杂志发电

超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械研究进展7276-7286

摘要：超临界二氧化碳具有密度大、黏性小的特征,将其应用于布雷顿循环动力系统中能够使系统结构紧凑、效率高,具有良好的工程应用前景。总结了近年来国内外针对超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械的研究进展及相应成果。首先介绍超临界二氧化碳工质的特性及布雷顿循环的优势,其次介绍各研究机构针对超临界二氧化碳布雷顿循环的研究以及已完成的布雷顿循环实验系统。此外,进一步总结了国内外超临界二氧化碳布雷顿循环透平机械即透平和压缩机的设计方法、数值分析及实验研究情况,涵盖了千瓦级至兆瓦级等各种功率等级。为我国超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械的研究提供参考。