特高壓直流輸電系統(tǒng)動態(tài)響應對受端交流電網故障恢復特性的影響

鄭超，盛燦輝，林俊杰，等

摘要：目的：國已進入特高壓直流快速發(fā)展的新時期，華中、華東等負荷中心逐步演變?yōu)樘馗邏捍笕萘渴茈?、多直流集中饋入的受端電網。特高壓直流與交流電間的強耦合關聯(lián)和強交互作用，將會顯著改變直流饋入受端電網的動態(tài)特性和安全穩(wěn)定水平。在此背景下，為保障電網安全、促進交直流協(xié)調發(fā)展，迫切需要研究和評估特高壓直流仿真模型對電網動態(tài)特性的影響，識別直流控制系統(tǒng)關鍵參數(shù)，并提出其優(yōu)化整定策略。方法：針對美國太平洋直流聯(lián)絡線工程中直流輸電系統(tǒng)模型（D卡模型）、國際大電網會議組織直流輸電標準測試模型（DM卡模型）以及西門子公司開發(fā)的面向貴廣、天廣等工程的直流輸電系統(tǒng)模型（DN卡模型）等，分析了不同直流控制系統(tǒng)模型結構特征。以某省“十二五”末±800 kV/8000 MW特高壓直流受端目標規(guī)劃網架為對象，應用電力系統(tǒng)仿真計算BPA軟件，通過大擾動時域仿真，分析了不同直流仿真模型及關鍵控制器參數(shù)對受端電網恢復特性的影響，指出提升特高壓直流仿真計算精度的必要性，以及改善恢復特性的控制器參數(shù)優(yōu)化方案。結果：（1）從不同模型下特高壓直流過渡特性曲線可以看出，D卡模型本身不能模擬換相失敗，故障期間換流母線維持小幅殘壓，依據(jù)換流器準穩(wěn)態(tài)特性方程其將維持一定的無功功率消耗。此外，故障清除后直流有功功率快速恢復引起的逆變器無功消耗快速增加，這些特性均會對擾動后動態(tài)電壓支撐能力降低的受端電網電壓穩(wěn)定性，產生不利影響。在DM和DN卡模型下，由于故障過程中逆變器γ小于門檻值γmin，換流器換相失敗無功消耗降為0，故障后直流送電有功提升較為平緩，逆變器無功消耗增長速率相對較小，有利于受端電網電壓恢復。（2）定功率控制輸入直流電壓測量時間常數(shù)的大小，對受端恢復特性影響較大。采用較小的時間常數(shù)，則在直流電壓受擾降低期間，直流電流指令值將快速提升，換流器無功功率消耗增大，不利于交流電網故障恢復。（3）VDCOL啟動電壓門檻值Ulim是決定故障擾動后直流指令電流的重要環(huán)節(jié)。適當提高Ulim數(shù)值，可在電壓跌落過程中快速限制直流電流，在電壓恢復過程中延續(xù)直流電流限制，有助于受端電網維持電壓穩(wěn)定。結論：特高壓直流逆變器具有動態(tài)特性復雜、無功消耗量大的特點。不同仿真模型決定的直流動態(tài)特性差異，會影響受端電網穩(wěn)定水平，當受擾后交流電網動態(tài)電壓支撐能力較弱時尤為明顯。應開展面向實際工程的特高壓直流建模及參數(shù)整定，提高混聯(lián)電網仿真計算精度，更好的指導電網規(guī)劃與運行。電網結構是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的物質基礎，大力發(fā)展特高壓直流輸電的同時，應加快特高壓交流工程建設，構建“強直強交”型電網，保障直流電力安全可靠消納。應結合受端交直流混聯(lián)電網特性，優(yōu)化定功率控制環(huán)節(jié)電壓測量時間常數(shù)以及VDCOL啟動電壓門檻值等關鍵控制器參數(shù)，充分發(fā)揮直流功率快速可控性，提升受端電網電壓穩(wěn)定水平。

來源出版物：高電壓技術, 2013, 39(3): 555-561

入選年份：2016

鄂西三峽地區(qū)220 V線路差異化防雷技術與策略

阮羚，谷山強，趙淳，等

摘要：目的：鄂西三峽地區(qū)氣候、地理環(huán)境復雜，雷電活動頻發(fā)，線路抵御雷擊能力薄弱。因此，有效提高輸電線路防雷性能評估水平與治理能力，對保證鄂西三峽地區(qū)供電的穩(wěn)定可靠是十分重要的?；诓町惢览准夹g與策略開展鄂西三峽地區(qū)220 V線路防雷綜合治理研究。方法：首先統(tǒng)計了宜昌供電公司管轄的220 V輸電線路2000—2010年的雷擊故障情況，并分析得到故障分布規(guī)律，為鄂西三峽地區(qū)220 V輸電線路差異化防雷改造提供策略指導。在此基礎上，基于差異化防雷技術與策略開展了鄂西三峽地區(qū)典型220 V線路綜合防雷治理研究。全面考慮線路雷電活動特征、地形地貌特征、桿塔結構特征和絕緣配置，對輸電線路雷擊閃絡風險進行評估；根據(jù)評估結果，選擇合適的防雷措施制定綜合防雷治理方案；針對防雷治理方案開展預期治理效果評估；結合2010年一個雷雨季節(jié)的運行經驗對改造效果進行初步后評估。結果：（1）統(tǒng)計結果表明，鄂西三峽地區(qū)220 V線路雷擊故障頻繁發(fā)生在轉角塔、大檔距桿塔、瀕臨水系和山頂處的桿塔；特別是繞擊故障中，有近80%的故障塔同時滿足轉角塔、大檔距和瀕臨水系中至少2個特殊條件。（2）雷擊閃絡風險評估結果表明：GC線反擊閃絡風險較高，而繞擊閃絡風險較低，與GC線實際運行經驗吻合。（3）通過對各基桿塔改造前后的防雷性能進行對比分析，表明本方案在現(xiàn)有措施基礎上進一步降低了GC線的繞擊閃絡風險，同時大大降低了目前很高的反擊閃絡風險，總體上實現(xiàn)了GC線防雷性能的較大改善。結論：（1）近年來，鄂西三峽地區(qū)220 kV線路雷擊故障頻繁發(fā)生在轉角塔、大檔距桿塔、瀕臨水系和山頂處的桿塔；特別是繞擊故障中，有近80%的故障塔同時滿足轉角塔、大檔距和瀕臨水系中至少2個特殊條件。（2）綜合考慮雷電活動、地形地貌、線路結構和絕緣、已采取的防雷措施等因素的影響，針對典型220 kV線路GC線開展逐基桿塔雷擊閃絡風險評估，確定需改造的桿塔號；并結合運行經驗，明確GC線的雷害風險來源主要為反擊閃絡風險。（3）GC線防雷改造選用安裝線路避雷器作為主要改造措施；采用所提出的方案改造后，將在現(xiàn)有措施基礎上進一步降低GC線的繞擊閃絡風險，同時大大降低目前很高的反擊閃絡風險，總體上實現(xiàn)GC線防雷性能的較大改善，預期雷擊跳閘率將下降70.9%。（4）GC線防雷改造實施以來的實際效果表明改造效果已經初步顯現(xiàn)，但仍有部分桿塔反擊閃絡風險較高，下階段應積累運行經驗進行滾動評估。（5）提出的差異化防雷技術與策略可為鄂西三峽地區(qū)以及類似地區(qū)220 kV輸電線路防雷，提供有效的方法和寶貴經驗。

來源出版物：高電壓技術, 2012, 38(1): 157-166

入選年份：2016

基于不連續(xù)有限元的短間隙氣體放電仿真算法及其應用

莊池杰，耿屹楠，曾嶸

摘要：目的：我國超、特高壓輸電工程建設亟需空氣間隙放電理論的支撐。作為長間隙放電研究的基礎，短間隙放電是間隙放電研究的重要內容與切入點。僅靠現(xiàn)有實驗手段與實驗結果無法構建這些放電過程的完整物理圖像。另一方面，計算機運算能力已大幅提升；計算數(shù)學在過去30年里取得了重大進展，求解間隙放電的物理方程已成為可能，使得數(shù)學建模與仿真，成為研究短間隙放電的重要方法。方法：基于流體模型的短間隙放電過程的數(shù)值仿真研究，國內外學者已艱苦摸索了30多年。分析現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點，結合FEM-FCT和FVM的優(yōu)點，提出一種基于不連續(xù)有限元的短間隙放電過程仿真算法。該方法既適用于非結構網格，又滿足局部守恒性質。適合于流注放電仿真，開發(fā)了短間隙氣體放電仿真程序。結果：通常，泊松方程用連續(xù)有限元求解。但在氣體放電模型中，關注的是場強值，而不是電位值。用不完全罰因子不連續(xù)有限元（incomplete interior penalty Galerkin，IIPG）求解泊松方程，保證了場強在每個計算單元上守恒，與連續(xù)有限元有著本質的區(qū)別。粒子輸運方程是對流占優(yōu)的。用高于一階的線性格式，求解對流或對流占優(yōu)問題，易出現(xiàn)數(shù)值振蕩，甚至產生完全錯誤的結果。而一階線性格式，雖無數(shù)值振蕩問題，但常伴隨嚴重的數(shù)值擴散問題。為克服上述困境，只能用非線性高階格式。針對圓柱坐標系下的對流問題，提出了龍格-庫塔加權不連續(xù)有限元（Runge-Kutta weighted discontinuous Galerkin，RKWDG）算法。為抑制高階RKWDG求解對流問題可能存在的數(shù)值振蕩，提出了圓柱坐標系中的多層重構算法。通過多次求導，將重構一個高次多項式的工作分解為重構多個一次多項式的過程。圓柱坐標系下的多層重構算法和高階RKWDG算法，克服了可能存在的數(shù)值振蕩。實現(xiàn)了基于上述算法的短間隙氣體放電仿真程序，利用該程序研究了碰撞電離系數(shù)、附著系數(shù)、粒子遷移率等參量對流注發(fā)展的影響，電子碰撞電離系數(shù)與電子遷移率影響最大，電子附著系數(shù)與擴散系數(shù)有一定影響，離子遷移率基本沒有影響。通過考慮湯遜放電中的光發(fā)射機制，成功預測了一定長度范圍內平板間隙中湯遜放電擊穿電壓曲線，驗證了將數(shù)值仿真應用于氣體放電研究的可行性。結論：提出了基于不連續(xù)有限元的氣體放電仿真算法：罰因子不連續(xù)有限元離散泊松方程；加權不連續(xù)有限元求解粒子輸運方程，圓柱坐標系下的多層重構算法抑制潛在的數(shù)值振蕩。該方法適用于短間隙放電過程數(shù)值仿真。

來源出版物：高電壓技術, 2013, 39(4): 970-978

入選年份：2016

常壓空氣中大間隙介質阻擋放電特性

李雪辰，趙歡歡，賈鵬英，等

摘要：目的：從應用角度而言，要徹底擺脫真空裝置、降低生產成本，必須在大氣壓空氣中產生低溫等離子體，但相關研究較少。針對于此，利用針板介質阻擋放電（DBD）裝置，采用光電倍增管（ET 9085SB）對大氣壓大間隙空氣DBD放電特性進行研究。方法：使用3個光電倍增管測量光信號，一個光電倍增管收集全部放電的發(fā)光，即測量總發(fā)光信號。其他兩個光電倍增管實現(xiàn)對放電的空間分辨測量，即通過凸透鏡成像后，利用像平面位置的光闌選擇某位置的發(fā)光信號進入光電倍增管。這樣每個光電倍增管測量的是部分發(fā)光信號（對應約1 m直徑的放電區(qū)域）。為了研究不同空間位置發(fā)光的時間特性，一個光電倍增管測量針尖位置的部分發(fā)光信號，另一個沿著等離子體羽方向依次測量遠離針尖不同位置的發(fā)光信號，并用示波器記錄這些信號。在數(shù)據(jù)處理時利用針尖部分的信號作為基準來實現(xiàn)不同位置部分發(fā)光信號的比較。結果，放電現(xiàn)象：當峰值電壓較低時為電暈放電。隨著峰值電壓的升高，形成等離子體羽，該等離子體羽與等離子體針放電產生的等離子體羽形狀相似。隨著峰值電壓的繼續(xù)升高，等離子體羽的長度呈現(xiàn)階段性變化。從總光信號波形可以看出：電暈放電模式中脈沖寬度比較窄（約為40 s）與直流電暈放電的Trichel脈沖類似。由于正電暈的擊穿電壓比負電暈高，在較低電壓下只達到了負電暈的擊穿條件而正電暈擊穿條件還沒有達到，因此僅出現(xiàn)在外加電壓負半周期，對應負電暈放電。從等離子體羽的發(fā)光信號波形可以看出，在外加電壓正半周期的上升沿出現(xiàn)一個放電脈沖。隨峰值電壓的升高，正半周期放電脈沖個數(shù)增加，且放電脈沖的出現(xiàn)時刻前移。與電暈放電相比，等離子體羽放電的脈沖寬度較大（約為160 s），并且其發(fā)光強度遠大于電暈模式的發(fā)光強度。在等離子體羽放電中正半周期的發(fā)光強度比負半周期大很多。通過正半周期第1次放電不同位置處的發(fā)光信號波形可以看出，等離子體羽中“連續(xù)放電”和“等離子體子彈”在同一個電壓下并存于空間不同位置，針尖附近一定區(qū)域為“連續(xù)放電”，而較遠區(qū)域為“等離子體子彈”。對于“等離子體子彈”，利用兩個位置的距離除以兩個位置部分發(fā)光信號的時間差可以計算子彈的傳播速度。得到峰值電壓為17.5 kV時“等離子體子彈”的平均速度約為1.8×105m/s，這與噴槍“等離子體子彈”的傳播速度數(shù)量級一致。正半周期第2個脈沖和第3個脈沖不同位置發(fā)光信號的時間演化，其結果與第1個放電脈沖相似。第2次放電“等離子體子彈”的平均傳播速度約為2.0×105m/s，而第3次放電“等離子體子彈”的平均速度達到2.9×105m/s。通過研究不同位置的部分發(fā)光信號發(fā)現(xiàn)，對于半周期3次放電，隨著遠離針尖距離增大，部分發(fā)光信號的脈沖個數(shù)也發(fā)生變化。表明正半周期3次放電產生的等離子體長度是不同的，或者說，3次放電到達的空間位置是不同的。其中第1次放電的長度約17 m、第2次放電約為24 m、第3次放電約為28 m。正半周每次放電的長度隨峰值電壓的變化關系和每次放電起始電壓隨峰值電壓的變化關系一致。等離子體羽長度減短是由于放電起始電壓減小導致的，等離子體羽長度的突然增長是由于隨著峰值電壓升高放電次數(shù)的增加導致的。結論：隨著外加電壓改變，存在電暈放電和等離子體羽放電兩種模式。電暈放電發(fā)生在針尖處很小的區(qū)域，而等離子體羽放電發(fā)生在針—板電極間的較大區(qū)域，且等離子體羽長度隨外加電壓呈階段性變化。針尖附近為“連續(xù)放電”，而遠離針尖放電為“等離子體子彈”。利用光電倍增管研究了正半周期每次放電的等離子體長度隨外加電壓峰值的變化。結果表明正半周期第1次和第2次放電的等離子體長度均隨電壓峰值增大而減短。但第3次放電出現(xiàn)后，每次放電等離子體長度隨電壓峰值增大而增長。研究發(fā)現(xiàn)該關系與每個脈沖的起始電壓隨外加電壓峰值的變化關系一致。

來源出版物：高電壓技術, 2013, 39(4): 876-882

入選年份：2016