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RSS2023年 第10卷 第5期
2023, 10(5): 1-8.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.001
摘要:
目的 广东电网区域由于负荷密集，网架结构复杂，电气联系紧密，长期存在大面积停电风险、交直流相互影响、短路电流超标三大问题，难以满足未来电源负荷发展和系统灵活调控的需求。 方法 为解决上述问题，在广东电网核心区域建设高性能柔性直流背靠背工程，研究并采用新一代高性能柔性直流背靠背技术。在复杂电网柔性直流互联控制，高可靠、高性能换流阀研发，绿色高效换流站设计等方面开展了深入研究，实现了柔性直流背靠背技术升级。 结果 工程成功实现了异同步潮流自动控制，大幅降低了控制保护系统链路延时，研制出了高性能、高可靠性柔性直流换流阀，并在换流站降噪、降损、节水等方面做了优化设计，建成换流站全景感知系统，实现了智慧运维。目前该工程运行良好。 结论 广东电网直流背靠背工程解决了多直流馈入受端电网长期以来面临的三大稳定问题，增强了粤港澳大湾区电力长期安全可靠供应能力。
2023, 10(5): 9-16.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.002
摘要:
目的 柔性直流技术由于其灵活性、快速的控制能力，可应用在异步电网互联、可再生能源并网、城市电网供电等。文章提出城市电网柔性分区互联紧凑型方案以实现城市电网分区间的互联、互济，提高电网安全稳定水平。 方法 根据电网现状，考虑到城区新建输电通道的实施难度以及建设工期难以控制等因素，利用已有的交流互联通道进行布点，将交流弱互联改为柔性强互联，互联端数及规模结合系统需求、原有线路的输送能力、增容改造的可行性等综合确定。由于城市用地紧张，选用紧凑型设备，采用户内紧凑布置。 结果 采用柔性直流背靠背实现城市电网分区间互联、互济，可显著降低系统短路电流水平，提高电网互济能力和安全稳定水平；采用户内紧凑布置，可节省约40%的空间，满足缓解城市土地资源稀缺的需求。 结论 提出的柔性分区互联紧凑型设计方案对柔性直流技术在城市互联的应用中起到很好的指导作用，具有较高的参考价值。
2023, 10(5): 17-23.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.003
摘要:
目的 电阻型超导限流器的工作原理基于超导体的零电阻效应，串联于线路中，正常工作时基本没有电阻。线路发生短路，电流超过临界电流时超导体失超而阻值迅速增大，从而起到限制短路电流的作用。因此超导直流限流器正常运行时对电网基本无影响，系统短路电流超出临界电流后，会迅速限制电流值，有效降低对直流设备的要求。文章基于南澳±160 kV多端柔性直流输电系统，讨论超导直流限流器可能的多种运行工况，分析如何实现限流器的各种工况。 方法 对于可能的5种运行工况，建议设置隔离开关来实现工况的自动切换。 结果 结合设备的配置，给出了超导直流限流器和相关设备的电气主接线、紧凑化平面布置的建议方案；针对不同的运行工况，给出了对应的电流路径图。 结论 对于其他的柔性直流输电系统，可通过类似分析得出超导直流限流器可能的工况及自动切换的电气主接线方案、布置方案。
2023, 10(5): 24-33.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.004
摘要:
目的 现有换流站无功补偿方案下，调相机仅提供暂态无功支撑，交流滤波器承担稳态无功补偿与调整任务，两者间缺少协调方案，经济性不足。 方法 在保证调相机动态特性的基础上，基于直流送、受端系统运行特性，首先提出以调相机置换部分交流滤波器容量，两者共同参与稳态无功补偿的换流站无功优化方案。随后按照动作顺序先后提出换流站双层无功调整策略。第一层无功调整由调相机承担，通过在稳态运行范围内调节出力实现。第二层无功调节在第一层无功调整后启动，逐组投切交流滤波器进行无功调整，直至达到换流站无功调整要求。最后，在PSCAD中搭建LCC-HVDC（Line-Commutated Converter High Voltage Direct Current，LCC高压直流输电）系统仿真模型进行仿真验证。 结果 仿真结果表明文章提出的换流站无功补偿方案和双层无功调整策略能优化换流站交流滤波器配置组数，减少换流站交流滤波器投切频次。 结论 所提方案实现了对现有LCC-HVDC换流站无功补偿方案和无功调整策略的优化。
2023, 10(5): 34-40.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.005
摘要:
目的 随着清洁能源的战略地位不断提高，越来越多的新能源发电设备接入电网，但其电能质量不稳定，对交流输电网产生了较大的冲击。柔性直流输电网络可以有效隔离交流网络和直流网络，具有较好的发展前景。柔性直流输电的关键部件是由全控型IGBT（Insulate-Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）元件为核心的换流阀，因此IGBT元件的安全稳定运行对整个柔性直流系统的稳定起到重要作用。为了提高IGBT元件的安全性和运行稳定性，必须控制其运行电流和电压，避免承受过流、过压损害，且需要控制环境的温度、湿度以及设备防腐性，改善运行条件。 方法 采用内外两方面措施：内部设置启动电阻、电抗器、避雷器等，进而控制回路的电流和电压；外部设置空调，提高房间严密度，设备防腐处理等保证工作环境的良好。 结果 内部回路配置启动电阻、电抗器、避雷器等设施的措施，限制回路电流、电压，进而控制极端情况下作用于IGBT元件上的过电流倍数、过电压倍数；外部通过控制IGBT所在房间的温度、湿度及其设备防腐性，为IGBT元件的运行提供一个适宜的环境，对提高IGBT元件的安全性及运行可靠性有所帮助。 结论 柔性直流输电可以很好地解决电能质量较差的新能源发电设施的电能传输问题。通过优化柔性直流输电系统回路的内部措施及提高IGBT元件运行环境适宜度的外部措施，提高IGBT元件乃至整个柔性直流系统的安全性和运行可靠性。
2023, 10(5): 41-49.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.006
摘要:
目的 针对换流站运维的痛点，提出了换流站三维数字化应用及智能巡检系统的设计方法，并将其在工程中进行实际应用。 方法 首先阐述了系统的总体架构、技术架构、数据架构和功能模块，利用数字孪生技术实现了智能巡视、智能操作、智能安全等运维业务；接着研究了系统的关键技术，包含换流站建模及精细化处理、模型数据融合技术、全景可视化技术，实现了三维场景下全站集中运维管控；最后，将系统部署在工程现场，大幅提升了运维效率与体验。 结果 系统的应用情况表明，日常智能巡视项目人工替代率达大于80%，现场操作时间减少60%，提高作业风险管控能力与安全水平，节省65%工时。 结论 换流站三维数字化与智能巡检系统能有效提高运维人员对设备的精准管理，实现运维业务的降本增效。
2023, 10(5): 50-56.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.007
摘要:
目的 随着交直流配电网及分布式发电技术的快速发展，直流微电网在配电网中的作用愈发重要，将成为未来配电网中的重要组成部分。由于直流微电网覆盖面积小，线路阻抗小，当发生极间短路故障时，故障电流上升速度快，幅值大，可达到额定工作电流的10倍以上。这使得直流微网保护整定困难，设备选型要求高，制约了直流微网的快速发展。 方法 针对上述问题，文章以直流微电网为研究对象，从直流微电网的极间故障的工作原理出发，分析直流微电网直流侧的故障特征，针对现有主要限流方法的不足，提出利用一种电压可控的故障电流控制器，来实现对故障电流的精确控制并搭建了直流微电网和故障电流控制器的仿真模型进行仿真验证。 结果 仿真结果显示，该故障电流控制器可大幅降低故障电流，并可实现精确控制故障电流，使得故障前后系统均处于可控状态而不会闭锁保护。在稳态运行时，故障电流控制器还可辅助VSC（Voltage Source Converter, VSC）进一步稳定直流母线电压。 结论 为配合继电保护装置正常动作，同时避免VSC触发过流保护闭锁，建议故障电流控制范围设置为1～2 pu。
2023, 10(5): 57-64.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.008
摘要:
目的 随着电力电子设备以及人工智能等高新技术的高速发展，直流系统已经在变电站内普及应用。而变电站直流系统的接地故障已然成为影响变电站安全稳定运行的重要因素。 方法 首先对变电站直流系统进行简介，分析其组成部分和直流接地故障的典型类型及其恶劣影响；然后重点阐述了目前常见的5种直流接地故障查找策略的原理。 结果 结合其各自的研究现状及应用场景，对比分析得出各种查找策略的优缺点。 结论 文章结合当今存在的问题和技术发展趋势，从故障精准定点，复杂故障判别，检测精度及便携式绝缘检测装置续航能力提升等多个角度，对直流接地故障查找在国内外的未来研究方向进行了展望。
2023, 10(5): 65-71.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.009
摘要:
目的 随着分布式电源以及电动汽车等新型负荷的发展，直流微网相较于交流微网有着换流环节少，系统损耗低等优点，成为目前的研究热点。直流微网覆盖范围小，且接入了大量的分布式电源，因此发生极间短路故障时，故障电流上升速度快，幅值大，使得传统交流配电网采用的过流保护难以实现级差配合，给故障定位造成了极大的困难。 方法 对此，针对直流微网故障电流的特点，提出限流与保护相融合，基于故障电流精确控制值设计过流保护整定值的方法，结合各支路合理的容量设计，可轻松实现级差配合，准确定位故障。 结果 文章在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建相应的直流微网模型，对所提保护方案进行了仿真验证，结果表明该方案能正确定位故障点并迅速切除故障。 结论 所提的保护方案保证了过电流的选择性。这验证了所提保护方案的合理性。
2023, 10(5): 72-79.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.010
摘要:
目的 文章旨在研究全桥MMC（Modular Multi-Level Converter，模块化多电平变流器）型直流融冰装置在不同工作模式下的融冰容量与无功输出容量问题。 方法 以某500 kV变电站实际工程全桥MMC型直流融冰装置参数设计为例，详细阐述了全桥MMC型直流融冰装置换流器桥臂电流交流分量、直流分量、有效值及峰值计算，桥臂模块数量选取，IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）功率模块支撑电容计算，桥臂电抗器电感计算，启动回路电阻计算；详细分析了在设定融冰容量下装置最大无功输出能力以及在设定无功输出容量下装置最大的融冰能力，并探究融冰容量与无功输出容量之间耦合关系及解耦计算。 结果 研究表明在融冰装置参数确定后融冰容量与无功输出容量存在此消彼长的耦合关系。 结论 其原因在于桥臂电流中既含有交流分量，也含有直流分量，而交流分量由融冰模式和无功补偿模式共同决定，直流分量仅取决于线路融冰电流。
2023, 10(5): 80-86.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.011
摘要:
目的 虚拟惯性阻尼控制（Virtual Inertia and Damping Control，VIDC）潜在的正反馈可能加剧控制环路内部的相互作用进而引起母线电压低频振荡，破坏电动汽车直流充电站（Electric Vehicle DC Charging Station， EVCS）的稳定性。虽然已有多时间尺度阻抗模型解释VIDC的稳定机制和VIDC控制下EVCS的低频振荡机理，但其本质上是一个高阶传递函数，获取阻尼控制策略的解析表达式。 方法 针对这一问题，文章对环路虚拟阻抗进行了详细的阻抗分析，直观地揭示了每个控制环路阻抗高阶属性的根本原因。 结果 通过伯德图近似提出了控制环路闭环增益的降阶拟合方法，建立了低阶阻抗电路模型。 结论 通过Matlab/Simulation仿真结果验证了所提出的多时间尺度低阶阻抗电路模型的有效性。
2023, 10(5): 87-93.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.012
摘要:
目的 和独立接地极不同，共用接地极为多个直流系统连接，其参数和运行方式需要由其相连的各个系统决定，系统之间存在相互影响，设计时需要全方位考虑各种因素。 方法 采用CDEGS软件，首先分析两个接地极之间的相互影响因素和规律，特别是深井接地极和垂直接地极间的相互影响；然后研究实际场景下多个接地极同时运行和共用时，同极性运行和异极性运行对跨步电势的影响。 结果 仿真结果表明，接地极间的相互影响程度随着土壤电阻率特性、电极间距离的变化而改变。深井接地极对垂直接地极的影响有别于垂直接地极相互之间的影响。 结论 文章研究了垂直接地极和深井型接地极之间相互影响的一般规律，为共用接地极方案提供理论和技术支持，为今后接地极的设计工作打开新的思路。
2023, 10(5): 94-105.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.013
摘要:
目的 作为我国“新基建”的重要推力，互联网数据中心迎来蓬勃发展的机遇，成为新增用能领域，对所在地配电网的供电水平和能力提出了更高要求。柔性输配电技术和关键设备的创新应用，让供配电系统更智能、更灵活、更可靠，更能够应对互联网数据中心这类直流负载占比大、集中的高载能负荷所带来挑战，实现互联网数据中心建设运营更低碳、更高效、更可靠、更经济。 方法 首先讨论了互联网数据中心负荷的基本需求，同时分析了互联网数据中心整体的分级和性能需求，研究了柔性技术在配用电网络中的应用，着重分析并比较了“整流配电、直流配电、交直流混合供配电”3类技术路线。 结果 为系统可靠性、稳定性、电能质量、用电效率和接纳新能源等方面的问题提供了因地制宜的解决方案。 结论 通过总结归纳已有的研究成果可知，柔性输配电技术是建设互联网数据中心的核心技术。应从器件、算法等不同方面研究有针对性的数据中心控制方案。文章在对不同方面的研究成果进行综述后，还对头型输配电技术在互联网数据中心中的实践及推广进行了展望。
2023, 10(5): 106-115.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.014
摘要:
目的 磷酸铁锂电池储能电站是新型电力系统消纳大规模新能源的重要基础，然而电池单元的热失控严重威胁储能电站的运行安全。对储能电站局部过热进行实时监测和科学预警具有重要意义。 方法 在此工作中，制备了一种具有感知过热温度并产生颜色变化的热敏微胶囊，将其适量添加到环氧树脂基体中构成具有感知外部过热温度场特性的复合绝缘材料。 结果 测试结果表明，所制备的热敏微胶囊/环氧树脂绝缘示温涂层的颜色可以灵敏地随外界温度变化而发生变化，在60 ℃左右时发生颜色突变。当热敏微胶囊的掺杂质量分数为0.25%时，复合涂层的绝缘强度、介电特性和纯环氧树脂材料相当，保持良好的本征电气性能。 结论 研究提出的热敏变色复合绝缘涂层可对外界局部过热状态的温度可视变化，为储能电站的热失控预警应用提供了一条新的技术路线，具有一定的工程应用价值。
2023, 10(5): 116-128.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.015
摘要:
目的 输电线路的舞动会引发线路跳闸、金具磨损、绝缘子串破碎、塔臂损坏等事故，严重时可能出现倒塔事故，因此建立输电线的舞动模型并对其进行舞动分析是一项十分有意义的课题。 方法 系统地研究了国内外经典、前沿的文献，全面地总结了输电线路弯曲刚度、气动力系数、数值仿真、舞动方程的解析法等方面的研究现状，分析了现有研究的优点、缺点，并总结了有关输电线路舞动课题的发展趋势。 结果 文章的相关成果将对我国的覆冰输电线路舞动发展具有较高借鉴价值。 结论 现阶段对架空覆冰输电线路舞动的研究取得了一定的进展和结论，但仍有许多挑战和问题需要解决。
2023, 10(5): 129-138.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.016
摘要:
目的 柔性直流的快速发展为MMC（Modular Multi-Level Converter，模块化多电平变流器）拓扑确定了实践支撑。文章以半桥MMC换流器为例，研究MMC稳态电容电压波动、谐波交互规律及桥臂开关函数的关系，以对MMC系统设计、控制策略给予理论支持。 方法 通过建立子模块电容电压、桥臂开关函数的解析表达式，得到MMC换流器上下桥臂能量波动及电容电压波动的数学近似表达式，进而研究了上下桥臂电流、交流阀侧、直流侧中各次谐波的分布规律及相间环流的正负序关系，基于谐波公式得到二次环流的估算方法；进一步，采用变量对照法研究了桥臂开关函数、子模块电容电压随阀侧功率因数、子模块电容大小的变化关系；最后基于实际工程参数搭建了详细的PSCAD/EMTDC模型，开展了理论解析与离线仿真的一致性对比。 结果 研究表明：MMC相间环流只含偶数次谐波，且其中6k+2次环流呈负序、6k+4次环流呈正序、6k次环流呈零序特性，同时稳态下MMC阀侧出口交流电压电流只含奇数次谐波，MMC直流侧电压电流只含偶数次谐波，且在功率因数角φ<0的某些范围内桥臂开关函数峰值会大于1，在低功率因数下子模块电容电压波动峰值大于高功率因数下的波动。 结论 可由此开展换流器电容容值的选型设计及暂稳态策略研究，并通过理论解析掌握MMC拓扑的运行本征特性。
2023, 10(5): 139-148.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.017
摘要:
目的 低频交流输电技术已受到广泛关注，虽然其理论研究在不断深入，但距离其在大容量远距离的海上风电送出场景下的工程实现还有许多问题亟待解决，海上低频主变压器的研发与选型问题就是其中之一。 方法 在详细阐述海上风电低频交流输电系统的结构及工作原理的基础上，分析了海上主变压器的低频运行特性。 结果 若采用增加铁心截面及绕组匝数的常规改造方式，低频变压器在重量体积和总损耗方面均会有所增加，会给海上风电整体送出方案经济性、海上升压站荷载及布置带来极大影响。需要研究海上低频变压器的小型化、轻量化和低损化设计。 结论 最终详述了海上低频变压器改造的关键技术。在铁心改造方面，研发高磁密、低损耗的高性能取向硅钢片是备受关注的低频变压器改造技术。利用海上优势，设计水冷冷却方式及智能监控的变压器冷却方式也可以实现变压器整体质量与体积的优化。酯类高燃点油变压器具有油可降解、难燃、可靠性较高等优点，与常规矿物油变压器相比更适用做海上低频变压器。展望上述关键技术的未来发展，为大容量、高电压等级海上低频变压器的研制与应用提供参考，以推动大容量远距离海上风电低频送出技术的工程实践。
2023, 10(5): 149-156.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.018
摘要:
目的 供电部门记录的正确的拓扑信息有助于工作人员监测电网信息，分析故障，优化电网运行以满足低压配电台区精益化、智能化管理的需要。目前，各式新型用电设备及用户的加入使低压配电网络结构呈现出持续变化的特征，线路维护成本被大大提高。 方法 为此，提出基于密度聚类的低压台区归属关系识别方法。首先，提取智能电表有效电压数据生成高维时序电压矩阵；其次，采用t分布随机近邻嵌入方法（t-distributed Stochastic Neighbor Embedding，t-SNE）对高维时序电压数据进行特征提取与降维；然后，应用基于数据密度的噪声应用空间聚类方法（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise，DBSCAN）对降维后的数据进行聚类分析，实现低压用户台区归属信息的识别；最后，对海南省三亚市某台区实际数据进行分析，并将所提方法与其他主流的拓扑识别算法进行对比。 结果 分析结果表明所提方法能够达到95%以上的台区识别准确率，高于目前其他主流的拓扑信息识别方法。 结论 文章中的方法在解决此类问题上具有有效性与优势性，可以为实际工程应用提供参考，为低压台区拓扑信息识别领域提供不一样的研究思路。
2023, 10(5): 157-165.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.019
摘要:
目的 采用统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)技术提高电网关键断面输电能力主要是通过向系统注入一定的串联电压，进而转移目标线路的潮流。 方法 文章重点针对关键送电断面，按照功能将区域电网划分为送端电网、互联网络和内部网络，按照高斯消去法将系统网络等值成两通道恒功率交换系统。在此基础上，分别针对单机无穷大系统和恒功率交换系统，基于能量守恒原理，应用向量法给出了UPFC投入前后，UPFC支路和等效支路之间电压、功角、阻抗、有功关系向量图，并利用经典功率传递函数，推导了UPFC的优化串联容量以及注入电压的计算方法。 结果 该计算方法简单实用，尤其适用于系统规划设计研究阶段。 结论 将上述方法应用于深圳电网实例计算，并与PSCAD仿真结果进行对比分析，验证了上述方法的有效性和实用性。
2023, 10(5): 166-173.
DOI: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.05.020
摘要:
目的 随着新能源的发展，新能源不确定性和时段特征对电网的影响日增，传统的新能源指标难以刻画电网与新能源的交互关系，需要建立评估体系和指标来量化新能源对电网的影响。 方法 从多维度、多尺度构建评估体系，建立新能源出力特性指标、电量特性指标、调峰特性指标和灵活性需求指标，分析电网关键时刻新能源出力特性、新能源出力与电量的关系、新能源对调峰的影响和新能源波动性对电网的影响，通过应用不同时间尺度（年、季、月、日和小时）的指标来挖掘典型场景特征。 结果 以某地区实际风光荷情况为例，进行评估体系的各类指标计算，结果定量显示了地区新能源对电网的影响和在不同时间尺度的分布特性，验证了所提指标体系的工程实用性。 结论 所提指标计算方法快速简明，指标物理意义清晰直观，有利于指导新能源的规划和调度运行。
