電氣工程

大容量架空線柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)及前景展望

徐政，薛英林，張哲任

摘要：目的：柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量架空線輸電是實現(xiàn)我國能源資源優(yōu)化配置的客觀要求，也是電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的未來趨勢。目前，柔性直流輸電技術(shù)擴(kuò)展到架空線輸電場合下，首先需要解決現(xiàn)有技術(shù)中的3個問題，（1）如何克服其在直流故障下的脆弱性以及對交流系統(tǒng)的影響；（2）如何進(jìn)一步提高輸送容量和電壓等級；（3）如何選擇合理的主接線和接地方式。重點就這3個方面對大容量架空線柔性直流輸電技術(shù)進(jìn)行梳理和總結(jié)，并分析和展望所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。方法：（1）從直流故障對直流系統(tǒng)和對交流系統(tǒng)的影響，分析了現(xiàn)有工程所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在直流故障下的脆弱性。論述了處理直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)短路故障的3種基本途徑，重點綜述了具有直流故障穿越能力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和處理直流故障的方式不同，將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為3類，并對比和分析其適用場合和優(yōu)缺點。（2）分析了通過傳統(tǒng)手段提升換流器容量和電壓的缺陷，提出了以模塊化多電平換流器為基本換流單元進(jìn)行串并聯(lián)擴(kuò)展構(gòu)成組合式換流器的技術(shù)路線。采用模塊化多電平換流器型標(biāo)準(zhǔn)單元串并聯(lián)構(gòu)成直流換流站結(jié)構(gòu)，可按照“搭積木”的形式實現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)所需的直流電壓和直流電流。（3）論述了現(xiàn)有柔性直流輸電工程所采用直流側(cè)接地和交流側(cè)接地方式的缺陷。通過借鑒傳統(tǒng)直流輸電工程的接地方式，提出了正極和負(fù)極相對獨立、接地極線從上下正負(fù)極結(jié)構(gòu)中間引出的真雙極結(jié)構(gòu)拓?fù)?。結(jié)果：兩種技術(shù)路線可適用于大容量架空線場合，即基于組合式換流器的真雙極柔性直流結(jié)構(gòu)和混合直流結(jié)構(gòu)。其中，換流單元采用具有直流閉鎖能力子模塊構(gòu)成的模塊化多電平換流器，以解決直流線路故障的快速清除問題；主接線形式采用雙極組合式換采用雙極組合式換流器，以解決換流器容量提升以及系統(tǒng)接地問題。針對我國資源和負(fù)荷呈逆向分布、潮流方向單一的特點，混合直流技術(shù)路線具有應(yīng)用前景，換流單元可根據(jù)需要選擇采用采用具有直流閉鎖能力子模塊構(gòu)成的模塊化多電平換流器，也可以采用在傳統(tǒng)模塊化多電平換流器直流出口處串聯(lián)一個大功率二極管閥的方案。結(jié)論：論述了柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電的必要性和可行性，總結(jié)歸納了現(xiàn)有柔性直流技術(shù)拓展到遠(yuǎn)距離架空線場合的技術(shù)瓶頸和關(guān)鍵問題。結(jié)合我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點和能量流動特點，分析兩種基本的柔性直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并指出了所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

來源出版物：中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(29): 5051-5062

入選年份：2016

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行中的幾個熱點問題

賀益康，胡家兵

摘要：目的與方法：目前我國風(fēng)電裝機(jī)容量已躍居世界首位，但因缺乏長期運行經(jīng)驗，在追趕和跳躍式發(fā)展中未能預(yù)見并網(wǎng)運行中的諸多問題，已成為其發(fā)展瓶頸。為滿足電網(wǎng)規(guī)范要求的電網(wǎng)故障下不脫網(wǎng)運行，必須深入研討所需控制策略和保護(hù)方案。該文以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為對象，綜述、分析、討論其并網(wǎng)運行中，特別是電網(wǎng)故障條件下有效控制中的一些熱點問題，如低電壓穿越、Crowbar技術(shù)、電網(wǎng)故障特別是不對稱故障下的不脫網(wǎng)運行控制及與之相關(guān)的新型控制器設(shè)計等，以期增強(qiáng)弱電網(wǎng)條件下風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運行能力。結(jié)果與結(jié)論：為滿足電網(wǎng)規(guī)范中電網(wǎng)故障下不脫網(wǎng)運行要求，風(fēng)電技術(shù)研究中需要關(guān)注以下幾個熱點問題。（1）注意電網(wǎng)規(guī)范的新要求，即低電壓穿越中除須實現(xiàn)對風(fēng)電變流器的過流、過壓保護(hù)外，還須滿足無功功率補(bǔ)償要求；除實現(xiàn)三相對稱跌落故障的穿越外，還要能實現(xiàn)兩相短路及單相對地短路引起的不對稱跌落故障穿越；此外DFIG的暫態(tài)保護(hù)還須考慮電網(wǎng)的高電壓狀態(tài)。（2）電網(wǎng)電壓三相不平衡和低次諧波畸變會導(dǎo)致并網(wǎng)DFIG輸出功率、電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生2倍頻脈動，輸出電流不平衡且諧波畸變，嚴(yán)重時導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定、風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，因而電網(wǎng)電壓不平衡條件下的DFIG運行控制顯得十分重要。為在控制上消除或抑制電網(wǎng)電壓不平衡造成的負(fù)面效應(yīng)，可以形成實現(xiàn)DFIG不脫網(wǎng)運行的眾多控制目標(biāo)，從確保電網(wǎng)和風(fēng)電機(jī)組運行安全考慮，選取DFIG輸出功率平穩(wěn)、電磁轉(zhuǎn)矩恒定兩目標(biāo)最為實際。（3）故障突發(fā)電磁暫態(tài)過程中所建立的定子磁鏈直流分量會造成發(fā)電機(jī)輸出功率、電磁轉(zhuǎn)矩、定轉(zhuǎn)子電流沖擊和隨后的電網(wǎng)基波頻率震蕩，故應(yīng)同時采取對定子磁鏈直流及負(fù)序分量的有效抑制措施，包括采用及計及定子勵磁電流動態(tài)的改進(jìn)矢量控制策略。（4）一般認(rèn)為電網(wǎng)電壓不平衡時采取正、負(fù)序雙d-q、PI電流控制方案相當(dāng)有效，但進(jìn)一步的分析表明在不對稱故障發(fā)生和消失的動態(tài)中會有失控的危險。這是因為正、負(fù)序分離的電流閉環(huán)設(shè)計中嵌入的兩階陷波器，惡化了動態(tài)性能，復(fù)雜了應(yīng)用實施，對此需要予以關(guān)注。（5）PI-R電流控制器是在傳統(tǒng)PI控制器基礎(chǔ)上嵌入一個100 Hz的R控制器而成，能在不引入任何相序分解的延時環(huán)節(jié)前提下分別對直流及2倍頻電流分量進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以此實現(xiàn)對正、負(fù)序電流統(tǒng)一控制。這種構(gòu)成方式能適應(yīng)在原有平衡控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的簡單修正，具有相當(dāng)強(qiáng)的工程實用性。

來源出版物：中國電機(jī)工程學(xué)報, 2012, 32(27): 1-15

入選年份：2016

換電模式下電動汽車換電充裕度模型及仿真研究

張昌華，孟勁松，曹永興，等

摘要：目的：電動汽車是能源互聯(lián)網(wǎng)的一個重要環(huán)節(jié)，和傳統(tǒng)以化石燃料為能量來源的汽車相比，電動汽車在減輕城市污染物排放、效率、運行噪聲等方面具有明顯的優(yōu)勢，成為我國新時期重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。電池是電動汽車運行的能量來源。規(guī)?；妱悠囘\行以后，必然帶來電池充電的問題。電動汽車充電可以分為更換電池的換電模式和依靠充電樁慢充的整車充電模式。對于電動汽車換電模式下運行，則存在一個換電站內(nèi)應(yīng)該儲備多少數(shù)量的充滿了電的電池方能滿足車主換電需求的問題。針對此問題，分析了影響換電需求的主要因素，建立了考慮車主用車習(xí)慣、電池參數(shù)、充電參數(shù)及充電管理策略的數(shù)學(xué)模型，計算得到換電需求發(fā)生時刻的條件，由此得到不同時段的換電需求，即對應(yīng)的儲備電池的數(shù)量。該數(shù)據(jù)還可以用于換電站電池有序充電管理及V2G運行管理等。方法：首先提出電動汽車換電充裕度的概念，即某一時刻換電站儲備的電池數(shù)量滿足換電需求的概率。然后分析了換電充裕度的影響因素，包括電池參數(shù)、充電參數(shù)、車主用車習(xí)慣和換電站充電控制策略，建立換電需求出現(xiàn)時刻的數(shù)學(xué)模型。最后，應(yīng)用Monte Carlo方法進(jìn)行了仿真計算，得到了該城市在不同時段換電需求的概率分布。根據(jù)中心極限定理，可以計算換電站內(nèi)儲備的電池數(shù)目滿足換電需求的概率。結(jié)果：（1）通過設(shè)定車主用車習(xí)慣和電池參數(shù)，換電站采取即換即充的充電策略，對10000個樣本點進(jìn)行仿真，得到不同時段換電需求的概率分布。（2）該換電需求的概率分布，可以用于確定并評價換電站在某一時段所儲備的電池數(shù)量服務(wù)車主換電需求的充裕度。結(jié)論：（1）換電需求與車主用車習(xí)慣、電池參數(shù)、充電參數(shù)、充電管理策略等因素密切相關(guān)。后四者確立之后，可以獲得不同時段的換電需求概率分布，進(jìn)而確定換電站內(nèi)應(yīng)該儲備的電池數(shù)量。（2）對于換電站而言，應(yīng)用該模型，通過采取適當(dāng)?shù)某潆姽芾聿呗?，在不增加電池?shù)量的前提下，可以提高換電充裕度。換電站內(nèi)的充電管理策略，不僅影響電動汽車對電網(wǎng)削峰填谷的效果，也將影響滿足車主換電需求的能力。

來源出版物：電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(9): 15-19

入選年份：2016

基于高斯過程回歸的短期風(fēng)速預(yù)測

孫斌，姚海濤，劉婷

摘要：目的：風(fēng)電作為一種間歇性能源，具有很大的隨機(jī)性和不可控制性，其輸出功率的波動范圍通常較大，速度較快，導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰、無功及電壓控制十分困難。風(fēng)速是影響風(fēng)電場輸出功率的主要因素，準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)速能有效減輕風(fēng)電場對整個電網(wǎng)的不利影響，提高風(fēng)電場在電力市場中的競爭能力。高斯過程（Gaussian processes，GP）是一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，具有易實現(xiàn)、超參數(shù)自適應(yīng)獲取及預(yù)測輸出具有概率意義等優(yōu)點，可用于風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)測，有效解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)難以確定和支持向量機(jī)模型核函數(shù)參數(shù)選擇依賴經(jīng)驗值的不足，提高預(yù)測方法的適用性。方法：風(fēng)速時間序列具有混沌特性，是根據(jù)系統(tǒng)本身某種確定性規(guī)則決定的運動過程，并具有隨機(jī)性的運動狀態(tài)。根據(jù)相空間重構(gòu)理論，從風(fēng)速時間序列中能夠提取和恢復(fù)系統(tǒng)本身演化軌跡和風(fēng)速內(nèi)蘊(yùn)藏的完整信息，不需計及外在因素與風(fēng)速之間的關(guān)系，避免傳統(tǒng)方法事先建立風(fēng)速預(yù)測模型的人為主觀性，從而提高風(fēng)速預(yù)測結(jié)果的可信度。為了提高風(fēng)速預(yù)測精度，增強(qiáng)方法的工程實用性，針對風(fēng)速時間序列的非線性特點，結(jié)合相空間重構(gòu)理論和高斯過程回歸模型，建立風(fēng)電場風(fēng)速的預(yù)測模型，分析核函數(shù)對預(yù)測精度的影響，確定最佳的組合核函數(shù)，從而提高模型的預(yù)測精度。結(jié)果：對風(fēng)電場短期風(fēng)速預(yù)測方法進(jìn)行研究，提出了一種新的風(fēng)速預(yù)測方法，并根據(jù)某風(fēng)電場實測數(shù)據(jù)驗證了該方法的預(yù)測能力。具體包括，（1）基于風(fēng)速時間序列的混沌特性，利用假近鄰法和自相關(guān)法分別求取風(fēng)速時間序列的嵌入維數(shù)和延遲時間，建立相空間重構(gòu)建模型。（2）對影響高斯過程回歸模型的核函數(shù)進(jìn)行了分析，并給出了核函數(shù)的組合方法。（3）提出了基于組合核函數(shù)高斯過程的風(fēng)速預(yù)測方法，并根據(jù)測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)對風(fēng)速預(yù)測方法的有效性進(jìn)行了驗證。結(jié)論：提出了適用于工程應(yīng)用的風(fēng)電場短期風(fēng)速預(yù)測方法，并將該方法應(yīng)用于某實際風(fēng)電場。所得結(jié)論如下，（1）將高斯過程回歸應(yīng)用于風(fēng)電場風(fēng)速時間序列預(yù)測中，其預(yù)測值具有概率意義，且平均絕對誤差較小，能夠滿足工程需要。（2）基于組合核函數(shù)的GP模型預(yù)測性能比單一核函數(shù)的效果更好，與SVM、LS-SVM和BP網(wǎng)絡(luò)模型相比，其預(yù)測平均絕對誤差和均方根誤差都較小，預(yù)測值與實際值之間的離散程度更小。（3）GP預(yù)測模型在保持貝葉斯建模優(yōu)點的前提下，其學(xué)習(xí)過程根據(jù)測試數(shù)據(jù)，具有從先驗分布到后驗分布轉(zhuǎn)化并能自適應(yīng)確定“超參數(shù)”的優(yōu)點。因此，基于貝葉斯方法的GP風(fēng)速預(yù)測模型具有很好的穩(wěn)定性，能夠滿足預(yù)測精度的要求，具有很大的工程實際應(yīng)用價值。

來源出版物：中國電機(jī)工程學(xué)報, 2012, 32(29): 104-109

入選年份：2016

電動汽車充電負(fù)荷與調(diào)度控制策略綜述

王錫凡，邵成成，王秀麗，等

摘要：目的：不斷普及的電動汽車將對電力系統(tǒng)運行產(chǎn)生深刻影響，在引入額外用電負(fù)荷的同時，也為系統(tǒng)提供了豐富的可控資源，可帶來優(yōu)化系統(tǒng)運行、促進(jìn)可再生能源電力吸納等多方面的效益。有必要深入研究電動汽車充電負(fù)荷特性，探討充電負(fù)荷調(diào)度的效益與價值，分析充電調(diào)度控制策略的研究進(jìn)展，指明關(guān)鍵問題和研究方向，從而更好地指導(dǎo)充電調(diào)度實踐、落實相關(guān)效益，提升電力系統(tǒng)運行水平。方法：分析了影響充電需求和充電負(fù)荷的因素，介紹了系統(tǒng)級和充電站級充電負(fù)荷模擬方法，為分析充電負(fù)荷的時空分布特定奠定基礎(chǔ)。探討了充電負(fù)荷調(diào)度在負(fù)荷曲線削峰填谷、跟蹤消納可再生能源出力、為系統(tǒng)提供輔助服務(wù)和豐富電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制手段等多個方面效益和潛力，通過國內(nèi)外的實例分析與理論探索進(jìn)行了論證。對已有的充電調(diào)度控制策略研究進(jìn)行了歸納、總結(jié)，系統(tǒng)地分析了單一車輛、電動汽車群、區(qū)域電力系統(tǒng)等不同層面的充放電調(diào)度控制主體和目標(biāo)上的差異，給出了不同的調(diào)度控制模型，介紹了相關(guān)的研究進(jìn)展。結(jié)果：通過廣泛調(diào)研和深入分析發(fā)現(xiàn)，已有從促進(jìn)可再生能源消納等多個角度論述了充電負(fù)荷調(diào)度的效益，并在單一車輛、電動汽車群、配電網(wǎng)、區(qū)域電力系統(tǒng)等多個層次分別探討充放電控制模型與方法，但仍存在以下問題，（1）以電動汽車完全接受調(diào)度為假設(shè)，忽視了響應(yīng)行為的隨機(jī)性；（2）未考慮V2G過程和頻繁的充放電切換對電池壽命的影響；（3）在區(qū)域系統(tǒng)、電動汽車群層面的研究中，未深入探究多輛電動汽車間的協(xié)調(diào)配合問題；（4）集中于有功平衡研究，忽視了充電調(diào)度支撐系統(tǒng)運行控制方面的效益。結(jié)論：對電動汽車充放電負(fù)荷和調(diào)度控制策略的相關(guān)研究進(jìn)行了分析、總結(jié)，認(rèn)為進(jìn)一步的研究工作應(yīng)圍繞以下幾個方面展開，（1）分析充放電負(fù)荷的時空分布特性，為充放電設(shè)施規(guī)劃和充放電控制奠定基礎(chǔ)；（2）在充放電控制中考慮用戶充電需求的隨機(jī)性，避免用戶行為不確定性對系統(tǒng)運行的不利影響；（3）開展分布式的充放電控制研究，確保充放電控制策略的可實現(xiàn)性；（4）充分挖掘、權(quán)衡考慮充放電控制在多方面的效益，實現(xiàn)整體上的最優(yōu)調(diào)度。

來源出版物：中國電機(jī)工程學(xué)報, 2013, 33(1): 1-10

入選年份：2016

關(guān)于風(fēng)電不確定性對電力系統(tǒng)影響的評述

薛禹勝，雷興，薛峰，等

摘要：目的：風(fēng)電的波動和間歇行為都具有強(qiáng)烈的不確定性，其對電力可靠性、電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性及社會福利的影響隨著滲透率的增加而越發(fā)突出。為更深刻地理解風(fēng)電不確定因素對電力系統(tǒng)可靠性的影響，在歸納研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分別討論發(fā)電側(cè)、需求側(cè)、電網(wǎng)環(huán)節(jié)及整個電力系統(tǒng)的不確定性分析及控制。方法：通過討論風(fēng)電波動性、間歇性與隨機(jī)性的關(guān)系，論述了風(fēng)電的不確定性特質(zhì)；通過歸納風(fēng)電不確定性因素的構(gòu)成、描述，及其對電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性、頻率與電壓可接受性、充裕性、電能質(zhì)量、電力市場及減排等方面的影響，完整論述了風(fēng)電不確定性對系統(tǒng)的影響；并將其納入廣義阻塞的框架。通過討論發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)、需求側(cè)及其綜合的不確定性分析及協(xié)調(diào)控制，闡述了電力系統(tǒng)應(yīng)對風(fēng)電不確定性的方法及途徑。結(jié)果：風(fēng)速往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的波動性和間歇性，在時域上可分解為大時間尺度的平均風(fēng)速及小時間尺度的脈動風(fēng)速，在頻域上則對應(yīng)于低頻分量和高頻分量。風(fēng)電的不確定性因素來自風(fēng)速的不確定性、風(fēng)電轉(zhuǎn)換中的不確定性和風(fēng)電系統(tǒng)外部的不確定性。風(fēng)電不確定性的描述方法有：基于點預(yù)測的解析法、基于區(qū)間預(yù)測的擬合法及基于場景預(yù)測的仿真法。風(fēng)電不確定性對系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在：頻率、電壓、暫態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)特性、充裕性、電能質(zhì)量、電力市場及減排等多個方面。發(fā)電側(cè)應(yīng)對風(fēng)電不確定性包括風(fēng)電場和常規(guī)電源兩個方面，其中風(fēng)電場應(yīng)對措施有：風(fēng)電功率預(yù)測、風(fēng)電場綜合控制、故障穿越技術(shù)及大容量儲能技術(shù)。在需求側(cè)可以利用需求側(cè)管理（DSM）、分布式發(fā)電（DG）及電動汽車（EV）來削峰填谷，并將虛擬發(fā)電廠（VPP）技術(shù)應(yīng)用于DG及EV管理。電網(wǎng)環(huán)節(jié)應(yīng)對風(fēng)電不確定性包括保護(hù)及控制、輸電阻塞管理等。在討論風(fēng)電不確定性的綜合應(yīng)對時，提出了計及風(fēng)電不確定性的電網(wǎng) 3道防線，并強(qiáng)調(diào)了量化和風(fēng)險觀點在上述研究中的重要性。結(jié)論：為應(yīng)對風(fēng)電的不確定性，需要完善風(fēng)電功率的概率預(yù)報，基于風(fēng)險的觀點分析包含技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多目標(biāo)、多時間尺度的優(yōu)化問題。風(fēng)電不確定性不是某一層面或某一措施可以單獨解決的，需要從發(fā)輸用3方面對風(fēng)電不確定性帶來的運行風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警與綜合防御。

來源出版物：中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(29): 5029-5040

入選年份：2016