GIS设备元件参数的有限元计算

为了准确计算气体绝缘变电站内部由于开关操作而产生的特快速暂态过电压,需要对GIS设备元件进行参数计算。通过对GIS一次系统元件的模型进行总结,根据GIS部件装配图及内部结构尺寸,利用有限元软件ANSYS建立了弯管、盆式绝缘子、电压互感器本体结构的实物模型并分析了其电场分布。采用电场能量法,利用软件仿真求出电场能量,通过电容的能量公式求出参数值。与现有资料比较,验证了计算方法的正确性,为分析计算GIS电站的内部过电压与电磁兼容问题提供了较好的支持。     

雷电冲击下GIS外壳暂态电位升的研究

为了计算雷击GIS单相套管外引线时,GIS外壳暂态电位升高,建立了GIS电路模型。利用电磁场理论和多导体传输线理论提取了GIS主要元件参数,建立了GIS主要元件的电路模型。以某220 kV GIS智能开关设备为研究对象,计算了智能组件传感器安装处GIS外壳TEV,并进行了试验验证。所得的仿真结果为下一步智能组件端口骚扰电压的研究提供基础。     

特高压GIS变电站中快速暂态过电压仿真及其特性分析

在计算快速暂态过电压(VFTO)时,建立准确的全封闭气体绝缘变电站(GIS)暂态电路模型是影响VF-TO的关键。为此,将GIS内部暂态模型和GIS外壳传输特性模型相结合,建立了VFTO整体仿真模型。在GIS内部元件建模时,根据电弧的动态物理过程,建立隔离开关分段式动态电弧模型;结合交变电场下电介质极化原理,建立金属氧化物避雷器(MOA)暂态电路模型;并从GIS本体结构出发,通过三维电场分析,获得较准确的GIS元件暂态模型及参数;结合传输线理论和相模变换,获得GIS外壳暂态模型,并建立了考虑接地体间互感作用的暂态地网模型。最后结合国内某1 100kV气体绝缘变电站,进行VFTO详细仿真。仿真结果表明,分段式动态电弧模型下VFTO幅值标幺值高达1.270(基准值取898kV),较指数时变电弧模型下的VFTO幅值标幺值增加了17.59%,当考虑了MOA的非线性特性时,VFTO的振荡幅值有不断减小的趋势,在仿真时间将近20μs时,VFTO标幺值振荡幅度至0.8。最后将仿真结果与实测波形进行对比分析,VFTO幅值标幺值相差0.2～0.4,证明了所建立的VFTO仿真整体模型的实用性。     

GIS设备一次系统典型部分建模研究

由于GIS内部元件复杂,准确度高的系统模型的变量会多达十几个,同时考虑到GIS设备同一元件在不同工作方式下的模型有所区别,因此GIS元件的精确模型会复杂。过于复杂的模型不仅增加了数据的输入量和计算时间,并且难以确定影响结果的主要因素,鉴于此,对GIS的一次系统建模方法进行研究,着重分析目前研究较少的GIS电弧模型、接地支柱模型、L型管道模型等典型部分的建模依据和过程,得出精确的元件模型,为GIS一次系统的分析计算奠定了基础。     

GIS电站内传导干扰计算模型的建立

为了仿真计算GIS电站内由开关操作在二次回路产生的传导干扰,提出了GIS传导干扰整体计算模型的概念,并建立了模型。在这个整体模型中,用有理函数建立了用于计算容性传导耦合的PT/CT的高频模型和用于计算阻性传导耦合的多端口地网模型。这些模型是基于实测数据采用矢量匹配法建立的。把这些有理函数模型植入EMTP后,不仅可以计算一次系统的特快速暂态过电压和暂态地电位升高,还可计算二次系统的干扰信号。     

用ATP-EMTP研究1000kV CVT的暂态特性

为研究1000kV电容式电压互感器(CVT)的暂态特性,在分析其非线性元件的饱和特性后,利用电磁暂态计算程序ATP-EMTP建立了1000kV CVT计算模型。对不同阻尼电阻值下的铁磁谐振进行仿真,得出了理想的阻尼电阻值,计算结果与实际采用阻尼电阻值相吻合;在不同合闸相角下分别对CVT铁磁谐振以及瞬变响应进行仿真计算,铁磁谐振过电压波形的仿真结果与试验结果基本一致,得出最严重情况下的谐振过电压倍数和二次瞬变响应电压值。研究结果不仅可以实现1000kV CVT设计阶段的暂态性能参数控制,同时解决了试验无法模拟现场实际条件的矛盾,为晋东南-南阳-荆门1000kV特高压交流试验示范工程中CVT暂态特性提供考核手段之一。     

GIS盆式绝缘子作为缝隙天线的暂态电磁辐射特性研究

如果气体绝缘开关设备(GIS)内部存在快速暂态过电压(VFTO),电压电流波就会沿管线在GIS内部传播,并在绝缘子和套管等导体不连续处发生电磁辐射,使暂态电磁能量泄漏到外部空间,影响二次设备和系统的正常运行。通过将盆式绝缘子等效为GIS管壁上径向开槽的缝隙天线,理论和仿真研究了绝缘子的暂态电磁辐射特性。理论推导了缝隙天线的辐射过程,获得了空间电磁场的解析表达式。在全波电磁仿真软件中建立了GIS管线和绝缘子的仿真模型,计算了冲击激励下外部空间的时域电磁场波形。分别对空间电磁场的径向和轴向辐射特性进行了量化研究,结合理论推导分别采用反比例函数和辛格函数对仿真结果进行拟合。仿真结果和拟合函数计算具有很好的一致性。     

大规模交直流系统电磁暂态仿真关键技术

为了准确模拟交直流系统的交互影响特性,有必要采用电磁暂态仿真分析方法。提出了一种将机电暂态仿真模型数据快速转换成对应的电磁暂态模型数据的方法。先在PSS/E中对大规模交直流系统进行等值简化,再将PSS/E中简化后的系统通过编程方法快速转换为PSCAD/EMTDC中电磁暂态仿真模型,最终在PSCAD/EMTDC中搭建出详细的交直流系统电磁暂态模型。运用所提方法对一个实际电网进行稳态验证和三相对称交流故障下的暂态仿真计算,验证结果表明,通过所提方法转换得到的PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真结果与PSS/E机电暂态仿真结果一致,证明利用所提方法搭建的电磁暂态仿真模型是有效的。     

电力系统电磁暂态-机电暂态混合仿真接口原理

在电力系统仿真中,如果能在一次仿真过程中同时实现大规模电网的机电暂态仿真与部分电网的详细电磁暂态仿真,那么对详细分析系统特性,特别是直流输电、FACTS元件等的特性具有重要的理论价值和现实意义。针对这一问题,笔者在比较电磁暂态仿真和机电暂态仿真模型与方法的基础上提出了一种电力系统电磁暂态-机电暂态混合仿真的通用接口方法。该方法在我国实际电网中的成功应用证明了其有效性和实用性。笔者将分三个系列进行相关讨论,此文为系列报告之一,主要提出了电磁暂态-机电暂态混合仿真的实现原理及接口模型,如接口等值电路的设计、接口交换时序的设计等。     

考虑铁磁磁滞的变压器励磁涌流仿真分析

提出了一种考虑铁芯铁磁磁滞的变压器电磁暂态模型,并对变压器空载合闸时的励磁涌流现象进行了仿真研究。基于目前工程中应用较为广泛的Jiles-Atherton铁磁磁滞原理建立铁芯磁滞磁化曲线模块,通过设置适合的参数计算得到了与实际测量值较为吻合的 B-H曲线;通过分析单相三绕组变压器铁芯绕组结构及其电路模型,得到其电磁暂态计算模型;通过分析三相五柱式变压器磁路结构并利用对偶性原理,得到了其暂态计算分析模型。利用所建立的暂态计算模型对单相三绕组变压器的励磁涌流现象进行了仿真研究,仿真计算结果与实际试验测量结果的对比证明所提出的暂态计算模型的正确性和有效性;同时也对三相变压器组和三相五柱式变压器空载合闸时的励磁涌流进行了仿真计算,仿真结果证明所提出的暂态计算模型能够准确地分析变压器空载合闸时的励磁涌流现象。     

混合式高压直流断路器暂态分断特性及其参数影响分析

混合式高压直流断路器(DC Circuit Breaker, DCCB)的本质是分断故障电流。分断暂态过程中的电气参数是决定断路器分断性能的核心所在。在分析DCCB拓扑结构的基础上,将断路器分断暂态过程划分为三个阶段。通过建立带DCCB的直流电网故障等效电路和断路器分断各暂态阶段的系统级等效电路,来分析分断过程中断路器自身的暂态特性。将断路器自身参数与直流系统参数联合起来,分别对断路器的两次换流过程进行详细分析。建立了断路器分断电流、暂态电压和开断时间的数学模型,推导断路器分断全过程中的分断电流以及最大暂态电压的计算表达式,并分析了断路器参数对分断性能的影响情况。利用PSCAD/EMTDC软件,搭建系统级混合式DCCB仿真模型,验证了所建立的断路器暂态模型的正确性及参数选取对断路器开断性能的影响。     

电容式电压互感器的暂态特性及其对微机继电保护装置影响的研究

电容式电压互感器(CVT)中包含有电容、电感等储能元件,其二次输出电压不能立即响应一次电压的变化。影响CVT暂态过程的因素众多,笔者重点分析了短路相角对其暂态过程的影响。运用MATLAB中的电气系统模块库PSB建立了CVT电磁暂态过程的仿真模型。仿真结果表明不同的短路相角对CVT的暂态过程影响有很大的差别,并给出了在不同短路角情况下其暂态响应的变化规律。同时针对不同的保护算法,分析了暂态过程对其算法准确度的影响,提出了相应的解决办法。     

基于EMTDC的静态同步串联补偿器稳态及暂态特性分析

通过对静态同步串联补偿器(static synchronous series compensator,SSSC)机理的分析,提出了应用正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)技术的SSSC控制器实现方案。控制回路设计中通过对正弦参考波相角偏移量的控制使直流电容电压保持恒定。SSSC稳态时的主要作用是对被补偿线路有功功率进行调控,控制器设计中综合考虑了调制系数与补偿方式(容性或感性)之间的相关性,实现了对线路有功功率的灵活控制,响应速度和波动都满足要求。利用PSCAD／EMTDC电磁暂态仿真工具搭建了包括EPRI-7节点系统、SSSC电压源逆变器及其触发控制回路,以及相应的测量、分析模块的详细电磁暂态仿真模型。仿真实现了SSSC的稳态及暂态功能,计算结果证明了控制回路的有效性和系统模型的正确性。同时对直流电容取值及耦合变压器电抗和变比对SSSC特性的影响进行了初步分析。     

IGBT电力电子系统小时间尺度动态性能分析与计算的电磁场-电路耦合模型

为了解决现有模型不完全适用于小时间尺度电力电子系统瞬态性能分析与计算的不足,建立用于IGBT电力电子系统小时间尺度动态特性分析、计算的三维电磁场-电路耦合计算模型,并提出其求解的迭代计算方法。为精确描述小时间尺度下IGBT内部瞬态电磁场及其分布规律,建立的IGBT本体三维有限元模型考虑位移电流、趋肤效应和引线邻近效应等复杂因素的影响;为考虑极小时间尺度下线路中杂散参数的电磁效应,高阶杂散参数电路模型采用多段等效电路模拟杂散参数的影响,同时采用谐态电磁场数值分析计算方法提取模型参数以考虑趋肤效应等的影响。基于IGBT内部电磁暂态过程的分析,提出一种改进的IGBT电路模型;为兼顾计算精度和计算时间的要求,提出等效高阶电路模型的一种降阶方法。仿真计算和实验测试结果证明了所建模型及求解方法的有效性和正确性。     

永磁同步发电机电磁暂态等效建模方法及稳定性分析

嵌套同时快速求解(nested fast and simultaneous solution, NFSS)算法通过消去电路节点可以显著提高仿真速度。然而,商业仿真软件提供的永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator, PMSG)模型无法获取等效电路,限制了该算法在海上风电中的应用。针对上述问题,提出了PMSG电磁暂态(electro-magnetic transient, EMT)等效建模方法,并分析了建模方法的稳定性。首先,将PMSG数学模型离散化,得到用三相受控电流源表示的等效电路及接口方法,给出PMSG的控制模式和等效模型求解流程。并结合实际PMSG参数取值,分析了等效建模方法的稳定性。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了PMSG详细模型和等效模型进行仿真精度对比及稳定性验证,结果表明,所提模型及稳定性分析具有较好的正确性,为NFSS算法在海上风电中的应用提供了模型基础,也为发电机参数的选取提供了约束条件。     

利用CVT捕捉电压行波实现故障测距的分析与实践

对两次葛岗线单相接地故障实测电容式电压互感器(CVT)二次侧电压数据进行小波分析处理，精确捕捉到初始电压行波波头，并采用双端行渡测距原理准确定位接地故障点，最大绝对误差不超过300m，结合CVT高频等值模型，探讨了CVT二次侧电压测距的可行性。文中还讨论了CVT的频率和暂态特性，重点分析了CVT中间变压器一、二次之间杂散电容对CVT暂态响应的影响，对比实测和仿真波形及其小波变换，说明借助于高速采集的CVT二次电压，能有效捕捉故障初始行波到达时刻，从而实现故障测距的目的。     

特高压断路器几种开断试验回路比较

特高压断路器开断试验方法的研究是特高压输电技术发展需要解决的关键问题之一。根据开断过程中的电弧特性,基于Mayr电弧方程理论,建立参数化的PSCAD电弧电阻模型,通过对几种适用于特高压断路器开断试验的合成回路进行系统仿真分析,模拟了直接试验回路、Hitachi四参数试验回路和ABB的EPIC试验回路的开断过程,以直接试验回路为基准,对Hitachi回路和EPIC回路开断前后的电弧过程和恢复电压进行了比较。     

H桥单元主电路杂散参数对开关暂态过程的影响

以一台H桥IGBT功率单元为对象,基于部分单元等效电路(PEEC)方法建立直流母线的高频等效电路,以基于最小二乘法的曲线拟合提取电容组的等效参数。以单桥臂电路实验中获得的桥臂电压的交流分量作为激励,施加于由母线和电容组模型构成的等效电路上进行仿真,用母线电流的实测波形与仿真波形进行比较验证等效电路的准确性。以此电路为基础,研究了等效电路参数变化对暂态过程的影响。结果表明,变换器的开关暂态过程对主电路寄生电感参数的变化非常敏感     

500kV电容式电压互感器暂态特性仿真

电容式电压互感器(CVT)作为电力系统一次侧输入电压的传感设备已得到广泛运用,其性能好坏会直接影响到继电保护、故障测距、监控等二次侧设备的正常工作。当系统发生故障时,由于CVT中含有电容及电感类的储能元件,因此其二次侧输出电压不能跟踪一次侧输入电压的变化,暂态过程可能延续数十ms,从而造成快速保护动作延迟,甚至出现不正确动作。为此,结合500kV电压等级的CVT实际参数值在Matlab/Simulink中搭建了该电压等级CVT的仿真模型,比较详细地研究了其暂态特性,分析了不同因素对暂态过程的影响,并基于仿真数据分析了暂态过程的变化规律。仿真结果表明不同故障时刻、不同电路参数时的暂态过程有很大的差异。该仿真结果对于设计实际产品、优化产品性能具有很大的实用价值。