电气工程

大容量架空线柔性直流输电关键技术及前景展望

徐政，薛英林，张哲任

摘要：目的：柔性直流输电技术应用于远距离大容量架空线输电是实现我国能源资源优化配置的客观要求，也是电网技术发展的未来趋势。目前，柔性直流输电技术扩展到架空线输电场合下，首先需要解决现有技术中的3个问题，（1）如何克服其在直流故障下的脆弱性以及对交流系统的影响；（2）如何进一步提高输送容量和电压等级；（3）如何选择合理的主接线和接地方式。重点就这3个方面对大容量架空线柔性直流输电技术进行梳理和总结，并分析和展望所面临的挑战和机遇。方法：（1）从直流故障对直流系统和对交流系统的影响，分析了现有工程所采用的拓扑结构在直流故障下的脆弱性。论述了处理直流输电系统直流侧短路故障的3种基本途径，重点综述了具有直流故障穿越能力的拓扑结构及其优缺点。根据拓扑结构和处理直流故障的方式不同，将拓扑结构分为3类，并对比和分析其适用场合和优缺点。（2）分析了通过传统手段提升换流器容量和电压的缺陷，提出了以模块化多电平换流器为基本换流单元进行串并联扩展构成组合式换流器的技术路线。采用模块化多电平换流器型标准单元串并联构成直流换流站结构，可按照“搭积木”的形式实现直流输电系统所需的直流电压和直流电流。（3）论述了现有柔性直流输电工程所采用直流侧接地和交流侧接地方式的缺陷。通过借鉴传统直流输电工程的接地方式，提出了正极和负极相对独立、接地极线从上下正负极结构中间引出的真双极结构拓扑。结果：两种技术路线可适用于大容量架空线场合，即基于组合式换流器的真双极柔性直流结构和混合直流结构。其中，换流单元采用具有直流闭锁能力子模块构成的模块化多电平换流器，以解决直流线路故障的快速清除问题；主接线形式采用双极组合式换采用双极组合式换流器，以解决换流器容量提升以及系统接地问题。针对我国资源和负荷呈逆向分布、潮流方向单一的特点，混合直流技术路线具有应用前景，换流单元可根据需要选择采用采用具有直流闭锁能力子模块构成的模块化多电平换流器，也可以采用在传统模块化多电平换流器直流出口处串联一个大功率二极管阀的方案。结论：论述了柔性直流输电技术应用于远距离大容量输电的必要性和可行性，总结归纳了现有柔性直流技术拓展到远距离架空线场合的技术瓶颈和关键问题。结合我国电网结构特点和能量流动特点，分析两种基本的柔性直流系统结构，并指出了所面临的挑战和机遇。

来源出版物：中国电机工程学报, 2014, 34(29): 5051-5062

入选年份：2016

双馈异步风力发电机并网运行中的几个热点问题

贺益康，胡家兵

摘要：目的与方法：目前我国风电装机容量已跃居世界首位，但因缺乏长期运行经验，在追赶和跳跃式发展中未能预见并网运行中的诸多问题，已成为其发展瓶颈。为满足电网规范要求的电网故障下不脱网运行，必须深入研讨所需控制策略和保护方案。该文以双馈异步风力发电机为对象，综述、分析、讨论其并网运行中，特别是电网故障条件下有效控制中的一些热点问题，如低电压穿越、Crowbar技术、电网故障特别是不对称故障下的不脱网运行控制及与之相关的新型控制器设计等，以期增强弱电网条件下风电机组的并网运行能力。结果与结论：为满足电网规范中电网故障下不脱网运行要求，风电技术研究中需要关注以下几个热点问题。（1）注意电网规范的新要求，即低电压穿越中除须实现对风电变流器的过流、过压保护外，还须满足无功功率补偿要求；除实现三相对称跌落故障的穿越外，还要能实现两相短路及单相对地短路引起的不对称跌落故障穿越；此外DFIG的暂态保护还须考虑电网的高电压状态。（2）电网电压三相不平衡和低次谐波畸变会导致并网DFIG输出功率、电磁转矩产生2倍频脉动，输出电流不平衡且谐波畸变，严重时导致电网不稳定、风电机组脱网，因而电网电压不平衡条件下的DFIG运行控制显得十分重要。为在控制上消除或抑制电网电压不平衡造成的负面效应，可以形成实现DFIG不脱网运行的众多控制目标，从确保电网和风电机组运行安全考虑，选取DFIG输出功率平稳、电磁转矩恒定两目标最为实际。（3）故障突发电磁暂态过程中所建立的定子磁链直流分量会造成发电机输出功率、电磁转矩、定转子电流冲击和随后的电网基波频率震荡，故应同时采取对定子磁链直流及负序分量的有效抑制措施，包括采用及计及定子励磁电流动态的改进矢量控制策略。（4）一般认为电网电压不平衡时采取正、负序双d-q、PI电流控制方案相当有效，但进一步的分析表明在不对称故障发生和消失的动态中会有失控的危险。这是因为正、负序分离的电流闭环设计中嵌入的两阶陷波器，恶化了动态性能，复杂了应用实施，对此需要予以关注。（5）PI-R电流控制器是在传统PI控制器基础上嵌入一个100 Hz的R控制器而成，能在不引入任何相序分解的延时环节前提下分别对直流及2倍频电流分量进行精确调节，以此实现对正、负序电流统一控制。这种构成方式能适应在原有平衡控制系统基础上的简单修正，具有相当强的工程实用性。

来源出版物：中国电机工程学报, 2012, 32(27): 1-15

入选年份：2016

换电模式下电动汽车换电充裕度模型及仿真研究

张昌华，孟劲松，曹永兴，等

摘要：目的：电动汽车是能源互联网的一个重要环节，和传统以化石燃料为能量来源的汽车相比，电动汽车在减轻城市污染物排放、效率、运行噪声等方面具有明显的优势，成为我国新时期重点发展的战略性新兴产业。电池是电动汽车运行的能量来源。规模化电动汽车运行以后，必然带来电池充电的问题。电动汽车充电可以分为更换电池的换电模式和依靠充电桩慢充的整车充电模式。对于电动汽车换电模式下运行，则存在一个换电站内应该储备多少数量的充满了电的电池方能满足车主换电需求的问题。针对此问题，分析了影响换电需求的主要因素，建立了考虑车主用车习惯、电池参数、充电参数及充电管理策略的数学模型，计算得到换电需求发生时刻的条件，由此得到不同时段的换电需求，即对应的储备电池的数量。该数据还可以用于换电站电池有序充电管理及V2G运行管理等。方法：首先提出电动汽车换电充裕度的概念，即某一时刻换电站储备的电池数量满足换电需求的概率。然后分析了换电充裕度的影响因素，包括电池参数、充电参数、车主用车习惯和换电站充电控制策略，建立换电需求出现时刻的数学模型。最后，应用Monte Carlo方法进行了仿真计算，得到了该城市在不同时段换电需求的概率分布。根据中心极限定理，可以计算换电站内储备的电池数目满足换电需求的概率。结果：（1）通过设定车主用车习惯和电池参数，换电站采取即换即充的充电策略，对10000个样本点进行仿真，得到不同时段换电需求的概率分布。（2）该换电需求的概率分布，可以用于确定并评价换电站在某一时段所储备的电池数量服务车主换电需求的充裕度。结论：（1）换电需求与车主用车习惯、电池参数、充电参数、充电管理策略等因素密切相关。后四者确立之后，可以获得不同时段的换电需求概率分布，进而确定换电站内应该储备的电池数量。（2）对于换电站而言，应用该模型，通过采取适当的充电管理策略，在不增加电池数量的前提下，可以提高换电充裕度。换电站内的充电管理策略，不仅影响电动汽车对电网削峰填谷的效果，也将影响满足车主换电需求的能力。

来源出版物：电网技术, 2012, 36(9): 15-19

入选年份：2016

基于高斯过程回归的短期风速预测

孙斌，姚海涛，刘婷

摘要：目的：风电作为一种间歇性能源，具有很大的随机性和不可控制性，其输出功率的波动范围通常较大，速度较快，导致电网调峰、无功及电压控制十分困难。风速是影响风电场输出功率的主要因素，准确预测风速能有效减轻风电场对整个电网的不利影响，提高风电场在电力市场中的竞争能力。高斯过程（Gaussian processes，GP）是一种新的机器学习方法，具有易实现、超参数自适应获取及预测输出具有概率意义等优点，可用于风电场风速预测，有效解决神经网络模型结构难以确定和支持向量机模型核函数参数选择依赖经验值的不足，提高预测方法的适用性。方法：风速时间序列具有混沌特性，是根据系统本身某种确定性规则决定的运动过程，并具有随机性的运动状态。根据相空间重构理论，从风速时间序列中能够提取和恢复系统本身演化轨迹和风速内蕴藏的完整信息，不需计及外在因素与风速之间的关系，避免传统方法事先建立风速预测模型的人为主观性，从而提高风速预测结果的可信度。为了提高风速预测精度，增强方法的工程实用性，针对风速时间序列的非线性特点，结合相空间重构理论和高斯过程回归模型，建立风电场风速的预测模型，分析核函数对预测精度的影响，确定最佳的组合核函数，从而提高模型的预测精度。结果：对风电场短期风速预测方法进行研究，提出了一种新的风速预测方法，并根据某风电场实测数据验证了该方法的预测能力。具体包括，（1）基于风速时间序列的混沌特性，利用假近邻法和自相关法分别求取风速时间序列的嵌入维数和延迟时间，建立相空间重构建模型。（2）对影响高斯过程回归模型的核函数进行了分析，并给出了核函数的组合方法。（3）提出了基于组合核函数高斯过程的风速预测方法，并根据测风塔实测数据对风速预测方法的有效性进行了验证。结论：提出了适用于工程应用的风电场短期风速预测方法，并将该方法应用于某实际风电场。所得结论如下，（1）将高斯过程回归应用于风电场风速时间序列预测中，其预测值具有概率意义，且平均绝对误差较小，能够满足工程需要。（2）基于组合核函数的GP模型预测性能比单一核函数的效果更好，与SVM、LS-SVM和BP网络模型相比，其预测平均绝对误差和均方根误差都较小，预测值与实际值之间的离散程度更小。（3）GP预测模型在保持贝叶斯建模优点的前提下，其学习过程根据测试数据，具有从先验分布到后验分布转化并能自适应确定“超参数”的优点。因此，基于贝叶斯方法的GP风速预测模型具有很好的稳定性，能够满足预测精度的要求，具有很大的工程实际应用价值。

来源出版物：中国电机工程学报, 2012, 32(29): 104-109

入选年份：2016

电动汽车充电负荷与调度控制策略综述

王锡凡，邵成成，王秀丽，等

摘要：目的：不断普及的电动汽车将对电力系统运行产生深刻影响，在引入额外用电负荷的同时，也为系统提供了丰富的可控资源，可带来优化系统运行、促进可再生能源电力吸纳等多方面的效益。有必要深入研究电动汽车充电负荷特性，探讨充电负荷调度的效益与价值，分析充电调度控制策略的研究进展，指明关键问题和研究方向，从而更好地指导充电调度实践、落实相关效益，提升电力系统运行水平。方法：分析了影响充电需求和充电负荷的因素，介绍了系统级和充电站级充电负荷模拟方法，为分析充电负荷的时空分布特定奠定基础。探讨了充电负荷调度在负荷曲线削峰填谷、跟踪消纳可再生能源出力、为系统提供辅助服务和丰富电网调节控制手段等多个方面效益和潜力，通过国内外的实例分析与理论探索进行了论证。对已有的充电调度控制策略研究进行了归纳、总结，系统地分析了单一车辆、电动汽车群、区域电力系统等不同层面的充放电调度控制主体和目标上的差异，给出了不同的调度控制模型，介绍了相关的研究进展。结果：通过广泛调研和深入分析发现，已有从促进可再生能源消纳等多个角度论述了充电负荷调度的效益，并在单一车辆、电动汽车群、配电网、区域电力系统等多个层次分别探讨充放电控制模型与方法，但仍存在以下问题，（1）以电动汽车完全接受调度为假设，忽视了响应行为的随机性；（2）未考虑V2G过程和频繁的充放电切换对电池寿命的影响；（3）在区域系统、电动汽车群层面的研究中，未深入探究多辆电动汽车间的协调配合问题；（4）集中于有功平衡研究，忽视了充电调度支撑系统运行控制方面的效益。结论：对电动汽车充放电负荷和调度控制策略的相关研究进行了分析、总结，认为进一步的研究工作应围绕以下几个方面展开，（1）分析充放电负荷的时空分布特性，为充放电设施规划和充放电控制奠定基础；（2）在充放电控制中考虑用户充电需求的随机性，避免用户行为不确定性对系统运行的不利影响；（3）开展分布式的充放电控制研究，确保充放电控制策略的可实现性；（4）充分挖掘、权衡考虑充放电控制在多方面的效益，实现整体上的最优调度。

来源出版物：中国电机工程学报, 2013, 33(1): 1-10

入选年份：2016

关于风电不确定性对电力系统影响的评述

薛禹胜，雷兴，薛峰，等

摘要：目的：风电的波动和间歇行为都具有强烈的不确定性，其对电力可靠性、电能质量、经济性及社会福利的影响随着渗透率的增加而越发突出。为更深刻地理解风电不确定因素对电力系统可靠性的影响，在归纳研究现状的基础上，分别讨论发电侧、需求侧、电网环节及整个电力系统的不确定性分析及控制。方法：通过讨论风电波动性、间歇性与随机性的关系，论述了风电的不确定性特质；通过归纳风电不确定性因素的构成、描述，及其对电力系统功角稳定性、频率与电压可接受性、充裕性、电能质量、电力市场及减排等方面的影响，完整论述了风电不确定性对系统的影响；并将其纳入广义阻塞的框架。通过讨论发电侧、电网、需求侧及其综合的不确定性分析及协调控制，阐述了电力系统应对风电不确定性的方法及途径。结果：风速往往表现出较强的波动性和间歇性，在时域上可分解为大时间尺度的平均风速及小时间尺度的脉动风速，在频域上则对应于低频分量和高频分量。风电的不确定性因素来自风速的不确定性、风电转换中的不确定性和风电系统外部的不确定性。风电不确定性的描述方法有：基于点预测的解析法、基于区间预测的拟合法及基于场景预测的仿真法。风电不确定性对系统的影响体现在：频率、电压、暂态稳定性、动态特性、充裕性、电能质量、电力市场及减排等多个方面。发电侧应对风电不确定性包括风电场和常规电源两个方面，其中风电场应对措施有：风电功率预测、风电场综合控制、故障穿越技术及大容量储能技术。在需求侧可以利用需求侧管理（DSM）、分布式发电（DG）及电动汽车（EV）来削峰填谷，并将虚拟发电厂（VPP）技术应用于DG及EV管理。电网环节应对风电不确定性包括保护及控制、输电阻塞管理等。在讨论风电不确定性的综合应对时，提出了计及风电不确定性的电网 3道防线，并强调了量化和风险观点在上述研究中的重要性。结论：为应对风电的不确定性，需要完善风电功率的概率预报，基于风险的观点分析包含技术、经济、环境等多目标、多时间尺度的优化问题。风电不确定性不是某一层面或某一措施可以单独解决的，需要从发输用3方面对风电不确定性带来的运行风险进行预警与综合防御。

来源出版物：中国电机工程学报, 2014, 34(29): 5029-5040

入选年份：2016