基于多场耦合模型的海底电缆载流量和温度场计算研究

海底电缆将电能输送至陆上升压站过程中,各路径段敷设方式下其载流量和温升都对其输送稳定性有着重要影响,电缆载流量和温度场的准确计算对提升电能输送的可靠性与经济性都有着重要意义。文章结合电缆敷设条件,利用COMSOL有限元分析软件建立了基于电磁场、流体场和传热场的多物理场耦合模型,分析了电缆沟内敷设电缆的温度场变化,研究了不同敷设方式对电缆载流量大小的影响。数据表明,电缆敷设的位置和回路数会对电缆载流量产生影响,不规范的敷设位置和密集的回路数都会降低载流量值。因此在工程中应严格按照规范敷设电缆,同时确定适当的回路数以提升运行经济性。     

海底电缆载流量计算方法的研究与选择

针对工程中海底电缆载流量计算准确性和方法选择问题,以工程中采用的交流三芯电缆为研究对象,分别用等效热阻法和有限元法进行直埋敷设情况下电缆载流量的计算,并分析直埋敷设时回路数变化对载流量的影响。分析结果表明,单回路敷设时等效热阻法快速简便且计算结果与有限元法相近,推荐采用等效热阻法计算;多回路敷设时等效热阻法误差较大,推荐采用有限元模型计算。     

复杂环境中海底电缆温度场及载流量模型研究

载流量是海底电缆运行调度的重要参数,受最高允许工作温度所制约,建立考虑复杂海洋环境中洋流影响的海底电缆温度场及载流量模型具有重要意义.针对传统解析法计算复杂、仅适用于特定敷设环境等问题,根据电-热-流多场耦合理论,基于有限元分析技术分别建立了埋设和铺设两种敷设方式下的高压三芯交联聚乙烯(XLPE)海底电缆温度场及载流量...     

500kV电力电缆稳态热路模型分析及载流量计算

通过对交流500 kV XLPE电力电缆各层材料进行导热系数测量实验,测得电缆各层材料导热系数随温度的变化曲线及电缆稳态工作温度下各层材料的热阻系数,并对电缆各层材料的热阻进行归并处理,然后按IEC 60287-1-1:2006对敷设于隧道中的交流500 kV电力电缆建立稳态热路模型并进行分析。结果表明:利用稳态热路模型可计算分析电缆各层热阻、外界环境热阻、电缆损耗及电缆温升等,同时得到大截面、五分裂的交流500 kV电力电缆在最高允许工作温度(90℃)下的载流量I为2 543 A。通过温升实验表明,电缆载流量的理论计算值与实验值的误差可控制在5%以内,验证了该模型对电缆载流量预测的准确性。     

典型敷设环境下超高压交流XLPE海底电缆载流量分析

超高压海底电缆线路跨度大,运行环境复杂多变,不同敷设环境下海底电缆的输送容量也不尽相同,有必要对典型敷设环境下超高压海缆输送载流量进行具体分析。文中基于IEC 60287建立考虑外界敷设环境影响下的500 kV交流交联聚乙烯(XLPE)超高压海底电缆稳态热路模型,分析不同敷设段、不同敷设方式、不同环境温度以及不同埋设深度对海缆载流量的影响规律进行分析,并建立超高压海底电缆磁-热-流多物理场耦合有限元仿真模型对稳态热路模型计算结果进行验证。结果表明：海缆登陆段为整条线路的载流量瓶颈段,当登陆段海缆采用管道敷设时,其载流量要比采用土壤直埋敷设时的载流量降低约150 A,海缆载流量随着外界温度的升高以及土壤埋设深度的增加而逐渐降低。有限元仿真结果验证了文中所建立的热路模型计算结果的准确性。     

单芯电缆热路模型的改进及其在载流量计算中的应用

基于IEC 60853的理论基础,减小传统热路模型中用集中性参数代替分布性参数所带来的误差,并充分考虑电缆实际结构中,缓冲层存在一定的空气介质,通过建立改进的热路模型,自行编制计算载流量的应用程序。在计算电缆载流量程序中,将动态的电缆热参数代入计算,减小了利用传统的经验公式和估算值计算各层热参数所引起的误差。为了进一步提高电缆载流量求解精度,利用分布式光纤测温系统(DTS),测量电缆表面温度大小,进而代入程序中求解。该计算程序能够处理各种不同型号的电力电缆,以电缆的实际运行条件为依托,方便了电缆载流量的计算。     

基于电-热-流多场耦合仿真的海底电缆载流量分析

海底电缆在各路段敷设方式下的温度场和载流量受多种因素的影响,其准确计算对提升海上风电场电能输送的可靠性和经济性具有重要意义。利用COMSOL仿真平台搭建交流三芯和直流单芯海底电缆在土壤直埋、海底直埋、海底平铺和管道敷设等情况下的“电-热-流”多物理场耦合模型,运用有限元法和牛顿迭代法计算海底电缆的温度场分布和载流量大小,并探讨埋设深度、海水流速、海水温度和保护管材料等因素对海底电缆载流量的影响。仿真结果表明:埋设深度、海水流速、海水温度等主要通过影响散热能力来影响载流量大小,合理选择敷设方案有利于提高海缆载流量和工程建设经济性。     

电力系统低频减载的单调控制特性

新能源占比的不断提高使得频率稳定问题日渐突出,因此迫切需要研究系统的频率稳定量化评估分析方法,也需对频率安全控制的最后一道防线低频减载进行更深入的分析。将单调控制系统理论运用到低频减载分析过程中,根据单调控制系统的输入-输出判定条件,推导单机和多机系统低频减载时频率分别需要满足的保序特性量化关系。此外,分析时采用全状态模型,在保证电网规律性和解析性的同时获得更高的可扩展性,综合频率与功角、电压以及相关参数间的耦合关系。并结合灵敏度分析了电网内部变量之间的相关关系,以指导电网故障时的参数设置。最后,分析目前光伏参与调频的3种常见情况,分别说明单调控制理论的适用性,并通过算例进行验证。     

大规模海上风电场电磁暂态受控源解耦加速模型

随着风电装机容量及占比越来越大,大规模风电场电磁暂态仿真速度极慢的问题愈加凸显。针对现有建模方法复杂、无法反映风电场内部特性、灵活性不足等问题,提出一种大规模海上风电场电磁暂态受控源解耦加速模型。该方法通过受控源传递端口间电压和电流信息,实现风电机组内部元件之间以及不同风电机组之间端口的解耦,从而将系统解算过程中高阶矩阵分解为多个小矩阵以实现快速仿真。基于节点分析法和基尔霍夫定律证明了该方法的有效性。所提出的受控源解耦加速模型建模方法简单,通过仿真软件中现有模块拖拽即可搭建,可以准确仿真风电场的各种暂稳态工况,并且提速效果明显。同时,所提受控源解耦加速模型可与现有文献所提方法互补,扩展其灵活性。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了不同机组数量的风电场模型,验证了受控源解耦加速模型的仿真精度及加速效果。结果表明,所提受控源解耦加速模型可实现1～2个数量级的加速效果,且相比详细模型具有较高的仿真精度。     

考虑阈值迟滞的碳化硅MOSFET开关暂态解析模型

由于SiC/SiO₂界面固有的高界面态密度,阈值迟滞现象一直影响碳化硅MOSFET的可靠性。为量化评估阈值迟滞对碳化硅MOSFET开关特性的影响,首先考虑了驱动电压的上升与下降时间,建立了驱动电压非理想突变的开关暂态模型;其次,按照IEC标准得到开关延时与开关损耗的解析表达式;然后,进行了不同驱动负压下的动态特性实验并提取了开关延时与开关损耗;最后,通过实验结果与解析模型的结合,解耦并量化了驱动负压与阈值迟滞对开关特性的影响,得到了阈值迟滞影响下驱动负压与阈值电压的关系。结果表明,驱动负压与阈值迟滞均会引起开通延时降低,但阈值迟滞对其影响远大于驱动负压。驱动负压对开通损耗无影响,但阈值迟滞会导致开通损耗的降低。     

基于电磁-热-流耦合场的非开挖敷设方案的海底电缆载流量计算

海底电缆在登陆处采用非开挖敷设方式时,由于埋深较大、管道内散热较差,该敷设段成为整个海底电缆载流量的瓶颈点,为此搭建基于电磁场、流体场和热场3物理场的耦合模型,计算对比不同敷设方式下海底电缆载流量的受影响情况。首先借助于Comsol软件建立了电磁-热-流耦合物理场的有限元模型,将电磁场、温度场及管道内的空气流速场耦合求解,得到给定负荷电流下的温度分布和管内空气流速分布特性;继而以广东某地2个回路220 kV 3芯交联聚乙烯(polyethlene,PE)绝缘3×500 mm^2海底电缆为例,分析计算海底电缆在水泥顶管和定向钻PE排管2种情况下的载流量。结果表明:采用水泥顶管敷设方案时能满足工程输送容量的要求,而采用PE排管敷设方案的载流量略低于额定值;另外可通过改变管道材质、管道内充水达到提升非开挖敷设方式下海底电缆载流量的效果。     

考虑热舒适度的居民空调负荷调控潜力差异化评估

居民空调负荷是电力系统重要的灵活性资源,评估其调控潜力有助于负荷高效管理,促进节能减排。然而,受资金成本、数据存储和隐私保护等因素制约,居民空调状态及参数难以直接测量,差异化评估不同居民空调负荷的调控潜力存在困难。此外,居民使用空调是为了满足自身的热舒适度要求。若评估空调负荷调控潜力时忽视热舒适度限制,将导致评估值过高,降低负荷管理策略的有效性。因此,提出一种考虑热舒适度的居民空调负荷调控潜力差异化评估方法。该方法首先建立居民热舒适度及空调热动力学模型,提取影响居民热舒适度和空调负荷的关键参数;然后,利用隐马尔可夫模型和维特比算法辨识空调状态及参数;在此基础上,计算不同居民热舒适度可接受范围内的空调负荷调控潜力。基于真实居民负荷数据的算例分析表明,所提方法能够准确辨识居民空调状态并有效评估满足居民热舒适度要求的空调负荷调控潜力。     

适用于对称故障仿真的特高压柔性直流换流站动态相量建模

随着多项特高压柔性直流工程投运,建立高效而准确的模型用以研究特高压柔性直流换流站运行特性很有必要。为此提出了基于模块化多电平换流器的特高压柔性直流换流站的动态相量解析模型,该模型能准确描述稳态及发生对称故障时特高压柔性直流换流站的动态特性。首先通过研究高低端换流器交直流侧的相互作用关系,重新建立了多换流器与交直流系统的接口模型。然后结合考虑内部谐波特性的换流器模型,建立了特高压柔性直流换流站的动态相量解析模型。通过对已建立动态相量模型中交流侧状态空间方程的修正,进一步扩展了其在交流系统发生对称故障下的适用性。最后基于PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真模型,验证了所建模型在稳态和故障下的正确性和高效性。     

基于异质能源统一建模方法的天然气网安全域稳态模型

针对综合能源系统中的天然气网安全分析,提出了基于异质能源统一建模方法的天然气网安全域模型。首先,给出了天然气网安全域的基础概念。其次,介绍了异质能源网络综合分析的统一建模方法,在天然气网中表现为气路模型;因此先建立稳态气路模型,在此基础上再建立基于气路的天然气网安全域稳态模型,该模型在安全域方法上实现了天然气网和电力网的数学形式统一。再次,提出了模型的全维求解与降维观测方法。最后,采用经典5节点算例和比利时管网实际算例进行验证,与传统基于管道压降方程的安全域模型对比表明：所提模型方法在保证正确性与精确性的前提下显著提高了计算效率,将为后续综合能源系统安全域的统一建模与分析奠定基础。     

考虑有功协调优化的配电网动态电压控制

配电网电压动态变化特征日益凸显,对配电网动态优化控制提出了新的要求。除此之外,配电网有功与无功的耦合特性也使得仅基于无功/电压的控制方法效果降低。因此,提出了一种考虑有功/无功快速协调优化的配电网动态电压控制方法,实现在秒级时间尺度内关键节点的电压恢复。首先建立配电网有功/无功控制设备动态模型,并基于模型预测控制理论建立了动态电压控制系统预测模型。设计了面向配电网电压协调控制的多目标自适应优化策略,基于配电网同步相量测量单元动态测量数据实现有功/无功控制设备出力的动态协调。仿真结果表明,该方法能够实现配电网电压波动的秒级抑制,并将目标节点电压快速无差地恢复至扰动前水平。     

基于逆变型电源暂态电流回代的系统级故障暂态解析

随着高比例电力电子设备和高比例新能源的接入,未来电力系统需要全时域量保护以应对系统复杂的故障特征。系统级故障暂态分析作为时域量保护的研究基础具有重要意义。鉴于逆变型电源(IIG)的受控特性,系统级故障暂态解析需应对机组输出电流的动态相位换算和多机系统方程高阶求解2个挑战。文中提出一种基于IIG暂态电流回代的系统级故障暂态解析方法。通过分析机组输出功率与端电压相位间的动态关系,实现了IIG暂态电流向统一参考系的动态相位换算;对系统方程进行暂态修正从而避免了高阶运算;在此基础上,网络节点暂态电压可由各机组暂态电流线性求解,进一步得到故障点及全网暂态电流的时域精确解。仿真验证结果表明,所提方法可实现较为精确的系统级故障暂态解析。     

汽轮发电机组简单轴系模型扭转刚度的简易计算

研究汽轮发电机组扭振问题及次同步谐振/振荡时需使用“简单多质量块-弹簧”模型,其中扭转刚度的准确性十分重要。在已知转动惯量、固有模态频率的前提下,提出一种扭转刚度的简易计算方法,该方法根据已有资料给出扭振振型矩阵的估计值,利用模态向量的正交性求解模态扭转刚度矩阵估计值,反算出扭转刚度;考虑计算结果可能存在偏差,再采用牛顿-拉夫逊方法进行修正。给出沙角C厂1号机组的算例,解决了该机组因为缺失扭转刚度数据导致扭振问题不能详细分析、扭振保护设备不能投运的问题。所提方法计算量小、易于实现,也可以用于扭振保护在实测模态频率之后对轴系模型参数的修正。     

基于常项值和先验节点的全纯嵌入潮流计算方法

在采用现有全纯嵌入潮流计算方法求解大规模电力系统潮流时,幂级数阶数过高,易导致解析延拓发散,收敛性较差,且计算冗余度高。提出一种基于常项值和先验节点的全纯嵌入潮流计算新方法。构建基于常项值的全纯嵌入潮流计算模型,通过动态更新常项值提高潮流收敛性;提出先验节点电压幅值预判机制以提高计算效率;提出2种节点类型转换方案。通过不同规模测试系统对所提方法进行分析验证,结果表明,所提方法不依赖于初值,可准确、高效地求解出潮流解,比牛顿-拉夫逊法和传统全纯嵌入潮流计算方法具有更好的潮流收敛性。     

基于矩阵变换器的UPFC简化调制模型预测控制

基于直接矩阵变换器的统一潮流控制器（DMC-UPFC）减小了体积和成本,没有储能电容损坏的风险,提高了系统的可靠性。为了提高DMC-UPFC在使用模型预测控制（MPC）时的输出电能质量,根据矢量合成原理和空间矢量调制策略提出简化调制模型预测控制（SMMPC）,简化了空间矢量的选择,同时解决了开关周期不固定的问题。根据扩展功率理论推导出不平衡工况下无需正负序分离的有功功率补偿（APC）策略保持有功功率稳定。仿真和实验结果表明,DMC-UPFC可实现线路潮流控制和无功补偿,SMMPC响应速度快,与MPC相比,SMMPC有着固定的开关周期,无需很高的采样频率也可以输出较高质量的波形,结合APC策略可以提高电网不平衡工况下的潮流控制性能。     

基于电力电子辅助式有载分接开关的Sen变压器开关暂态建模与分析

提出了基于电力电子辅助式有载分接开关（OLTC）的Sen变压器（ST）的开关暂态模型,并对切换过程进行了分析,包括基本的开关逻辑、重叠角和分接头短路的影响以及不同功率因数下最佳切换角的选择方法。基于T形等效电路和拉普拉斯变换建立了基于电力电子辅助式OLTC的ST的开关暂态模型。根据电力电子辅助式OLTC的拓扑结构,建立了基本的开关逻辑。分析了重叠角和分接头短路对切换过程的影响。通过对不同功率因数下切换过程的分析给出了最佳切换角的选择方法。借助MATLAB和PSCAD/EMTDC分别进行解析计算和时域仿真,验证了所提开关暂态模型、开关逻辑和最佳切换角选择方法的有效性,并表明可以在一个周期内完成切换。此外,通过切换角可以控制重叠角和短路电流峰值的大小。