CN111382525A - 低频输电闭环测试***及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供的低频输电闭环测试***及方法属于低频输电评估测试技术领域，其中低频输电闭环测试***，适用于低频输电***，包括根据典型场景分析的低频输电***分析模块、用于建立组网模型的组网建模模块、用于建立组装置模块的装置建模模块和用于采集装置模块运行数据的闭环测试模块；低频输电闭环测试方法，应用于低频输电闭环测试***，根据低频输电***分析模块输出结果在组网建模模块中建立组网模型，根据组网模型在装置建模模块中建立装置模型，根据装置模型在闭环测试模块中运行并获得装置模型在组网模型并获得闭环测试数据。本公开提供技术方案可用于对低频输电***在不同场景下的需求及适用性实施效果的技术评估。
Description
技术领域
本发明属于低频输电评估测试技术领域，尤其涉及低频输电***的闭环测试***及方法。
背景技术
低频输电***(Low Frequency AC Transmission System，简称LFAC)作为一种新型的输电方式，通过降低***工作频率f，一方面线路感抗XL随频率下降而减小，使得输电线路阻抗大大降低，等效缩短线路的电气距离；另一方面线路容抗XC随频率下降而增大，可减少电缆线路充电无功，大大提升线路的输送容量，是未来具有发展前景的并网输电方式之一。
在大容量、远距离海上风电并网场景下，若采用工频交流输电方式，海缆线路电容效应明显，导致电缆的有效负载能力下降，无法实现大规模海上风能的汇集与传输；若采用柔性直流输电方式，则需建设双端换流站及海上平台，投资大，检修维护费用高。为实现大规模、远距离海上风电汇集的电力输送，迫切需要此类场景下输电的新方法和新技术。
以海上风电并网为例，如采用工频交流220kV电压等级方式汇集，离岸距离大于50公里后，末端电压波动将超出10％，大于150公里后，充电功率将占用全部线路输送容量，无法实现海上风电的送出。如采用柔性直流输电方式汇集，按海上风电装机500MW，离岸距离100公里估算，与低频方式比较，需建设海上换流平台及双端柔性直流换流阀，综合造价增加约5.3亿元。可见低频输电方式与海上风电送出场景相结合，极大提高海底电缆的可用容量，且在一定的距离范围内，相比柔性直流送出方式经济优势突出。此外，在风机侧进行改造实现低频发电，可以减少齿轮箱的增速比，简化风力发电机结构，降低造价，改善风电机组的运行条件，提高效率。因此，低频输电技术为大规模、远距离海上风电并网提供了更经济、可靠的技术方式。
对低频输电***在不同场景下的需求及适用性实施效果的技术评估，目前缺乏相应的有效技术手段。
发明内容
本公开目的在于提供低频输电闭环测试***及方法，可用于明确低频输电技术在不同场景下的需求及适用性，提出低频输电技术在不同场景下的综合经济区间及适用范围，可为低频输电***的规划提供理论依据。结合典型场景，提出低频输电***组网及运行方式，掌握大容量交交变换器故障特性，提出整体保护配置方案，并用于搭建面向大容量交交变换器控制***的测试平台，为推动后续工程应用提供技术支撑。
在第一方面，本公开至少提供了一种低频输电闭环测试***的实施例，适用于低频输电***，包括根据典型场景分析的低频输电***分析模块、用于建立组网模型的组网建模模块、用于建立组装置模块的装置建模模块和用于采集所述装置模块运行数据的闭环测试模块。
优选的，所述低频输电***分析模块包括向所述组网建模模块提供分析结果数据的需求分析单元、经济性分析单元和技术经济评估单元。
优选的，所述组网建模模块包括用于配置所述组网模型的组网拓扑设计单元、运行方式设计单元和换流器设计单元。
优选的，所述装置建模模块包括用于配置所述装置模型的变换器设计单元、电磁暂态设计单元和保护配置单元。
优选的，所述闭环测试模块包括控制样机单元和用于获取所述控制样机单元和/或所述低频输电***运行数据的闭环数据采集单元。
优选的，所述低频输电***分析模块的典型场景至少包括海上风电并网和海上平台供电。每个典型场景的对照分析数据至少包括柔性直流输电***与低频输电***的经济性对比数据以及常规交流输电***与低频输电***的经济型对比数据。
优选的，所述装置建模模块用于输出M3C交交变换器的装置模型。所述装置模型包括设计参数、控制策略参数、暂态模型参数和保护配置参数。
在第二方面，基于上述***提供的技术方案，本公开还提供了一种低频输电闭环测试方法的实施例，包括以下步骤，根据低频输电***分析模块输出结果在组网建模模块中建立组网模型，根据所述组网模型在装置建模模块中建立装置模型，根据所述装置模型在闭环测试模块中运行并获得所述装置模型在所述组网模型并获得闭环测试数据。
本公开的实施，其直接效益包括但不限于以下方面：
推动低频输电技术应用于海上风电接入。在输送距离和输送容量相同的情况下，相比于柔性直流输电技术，无需海上换流站，输电环节的建设成本大大减低。以某±200kV柔性直流海上风电并网工程为例，海上风电装机500MW，离岸距离约100公里，若采用220kV低频输电方式并网，据估算，海上平台造价约节省10亿元，电缆成本增加约2.9亿元，陆上换流站成本增加约1.8亿元，相比于柔性直流输电接入方案，综合造价节省约5.3亿元。
推动低频输电技术应用于海上钻井平台供电。以我国渤海海域的海上钻井平台群为例，其距离岸边几十公里至几百公里不等，低频输电技术为海上平台输电、组网提供了理想的解决方案，同时具有很大的经济效益，以产量800立方米/日的钻井平台来计算，如改为低频供电，平均每座平台每年新增售电量3200万度。
此外，还将推动低频输电技术可应用于在输电走廊受限情况下线路的增容改造，无需新建线路，仅在已有线路两端增设交交变换器，投资和施工费用大大降低，同时避免征地等问题。在相同电压等级下，由工频50Hz改为低频运行，架空线线路可增容150％。
综合分析，采用低频输电技术在海上风电并网、海上平台供电及线路增容改造等典型场景下经济效益显著。
本公开的实施，其间接效益包括但不限于以下方面：
(1)节能与环境效益
本公开技术成果的推广，能够促进低频输电技术作为一种新型的输电方式在电网中应用，有助于提高电网的输电能力，具有良好的节能效益，有利于进一步推动我国能源结构调整。对于海上钻井平台，采用低频输电供电，以日产量800立方米的钻井平台为例，平均每年可减少二氧化碳排放量约5000万吨，减少氮氧化物、硫氧化物排放量约1万吨，减少可吸入颗粒排放量2000吨，节省二氧化硫、氮氧化物、烟尘治理成本，每年可获得环境收益上千万元，对建立绿色港口城市，推动城市发展起到了积极促进作用。
(2)技术创新和人才培养
本公开成果是对灵活交流输电技术、可再生能源汇集与控制技术的一次扩充，拓展了电力电子装置的应用方向，有助于推动国内电工学科理论创新，进一步提升我国电力电子应用技术水平，带动国内相关电力装备制造业优化升级。本公开成果有助于积累新型电力电子装置的研究与开发经验，培养一批了解实际电网，具有***设计经验的技术人员，有助于相关领域研究、设计、开发、制造的人才培养。
附图说明
图1为本公开一个实施例中低频输电***结构示意图；
图2为本公开一个实施例中低频输电***的陆上变频站交交变换器的拓扑结构示意图；
图3为本公开一个***实施例中低频输电闭环测试***的结构示意图；
图4为本公开一个***实施例输出的装置模型中的主电路拓扑结构示意图；
图5为图4装置模型中开关单元的结构示意图；
图6为本公开一个***实施例输出的装置模型的等效电路示意图；
图7为本公开一个***实施例中电缆可传输有功功率与距离和频率的关系输出示意图；
图8为本公开一个***实施例中控制样机单元中包括的矩阵式M3C交交变换器的测试单元的结构示意图；
图9为本公开一个***实施例中控制样机单元中包括实现功率逆向传送的分频输电动模平台的结构示意图；
图10为本公开一个***实施例中闭环数据采集单元在一个具体测试中从分频输电动模平台获取的测试数据。
图11为本公开一个方法实施例中低频输电***分析模块的操作流程示意图；
图12为本公开一个方法实施例中组网建模模块的操作流程示意图；
图13为本公开一个方法实施例中装置建模模块的操作流程示意图。
具体实施方式
首先应当说明的是，本领域技术人员掌握以下相关技术的实施。
1994年，针对低转速的水轮机发电外送情况，中国科学院院士、西安交通大学王锡凡教授提出“分频输电***”的概念。由于技术限制，最早设想的低频输电***采用铁磁饱和特性构成的倍频变压器实现三倍变频。期间，王锡凡院士团队完成了采用三倍频变压器低频输电***的可行性、经济性分析，并进行了仿真分析与倍频变压器的动模试验。
在1998年的国际大电网(CIGRE)会议上，美国、德国、南非等国学者提出了向边远地区送电的7种小型经济输电方式，其中包含低频输电方式。随着电力电子技术发展，高压大容量变流技术日益成熟，一些技术方案中采用了基于半控器件晶闸管的交交变频器(周波变换器)作为低频输电***的关键变频设备，实现低频电能向工频交流电网输送。
自2012年开始，随着以风力发电为代表的可再生能源发电***快速发展，海上风电场出现大容量、深远海化的趋势之后，海上风电经低频输电并网成为研究热点。同时，随全控型器件的广泛应用与高压大容量换流技术发展，基于全控型器件的交交变频技术被应用于低频输电***，该技术方案为现有技术中较为主要的发展方向。
其次，作为现有技术中的一些技术观点，本公开提供技术方案涉及以下现有技术观点的局限。
随着海上风电研究热度的提升，学界逐渐意识到低频输电***在中远距离(离岸距离50-200km)海上风电场的巨大应用价值。工频方案受限于海底电缆中的充电电流问题，输送距离受到限制；直流方案所需的海上换流站投资昂贵，维护量大，经济性较差。而低频输电***恰恰可以覆盖这一工频和直流方案之间的薄弱地带，一方面拥有直流方案相仿的并网性能，另一方面又显著降低了输电环节的经济成本。
早期的研究提出了多种分频海上风电***的拓扑结构。Fischer W,Braun R,Erlich I.Low Frequency High Voltage Offshore Grid for Transmission ofRenewable Power[C]提出了无海上换流站的***结构，即风电机组直接输出低频交流电能，经低频集电和输电***输送至陆地变频站。Cho Y,Cokkinides G J,Meliopoulos AP.LFAC-transmission systems for remote wind farms using a three-phase,six-pulse cycloconverter[C]和Chen H,Johnson M,Aliprantis D.Low-Frequency ACTransmission for Offshore Wind Power[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(4):2236-2244.提出DFIG或PMSG的使用AC/DC机端变流器，并将变流器的直流侧串联以得到电压较高的直流电压，然后再经一台大容量的DC/AC变流器将电能逆变为低频交流，通过低频输电线路和交交变频器送入工频电网，并对该逆变器的工作和交交变频器的控制进行了研究。Ou Z,Wang G,Zhe C.A single-phase low frequency AC transmissionmethod[C]//IES IECON 2017,October 29-November 1,Beijing,China:715-719.提出了基于全桥模块的MMC换流器的单相低频交流输电***，通过向电压和电流中注入谐波以缓解单相线路有功功率的二倍频波动。尽管上述文献的方案中海上集电和输电环节的性能有所提升，但均必须在海上建设高电压大功率换流站。然而，也有观点认为无换流站方案能够最大限度地发挥分频输电***成本低廉、结构简单、可靠性高的优势，是未来分频海上风电***的主流拓扑。
就分频海上风电***的拓扑结构，目前本领域就该***的一次设备、安全稳定控制和经济性等方面开存在以下观点：
在***安全稳定控制方面，一些低频输电***的测试***关注基于交交变频器的多端分频海上电网潮流控制方法和虚拟同步机控制策略。一些低频输电***的测试***关注长距离海底电缆输电场合下分频海上风电***的网侧控制策略，在换流站低频侧为海上电网提供电压平衡点，抑制低频振荡。一些低频输电***的测试***关注DFIG，认为机头换流器的冗余容量还可用于吸收电缆中的充电电流。一些低频输电***特别是分频海上风电***的测试***关注距离保护，这些***认为距离保护在低频环境下表现更好，临界故障清除时间也更短。一些低频输电***的测试***关注分频海上风电***的小干扰和频率稳定性或者电压稳定性。
在经济性方面，一些低频输电***的测试***关注分频海上风电***与直流方案的的投资和施工费用对比，分别认为分频方案的经济区间为30-150km[21]，140-210km[22]，和50-200km[23]，计算结果的差异来源于它们海上平台、施工费用、一次设备(风机、电缆、换流器等)等项目的成本数据的变化，但均认为存在一个分频海上风电***经济区间，在该区间内分频方案的经济成本要优于工频和直流方案。
中国最早提出低频输电***的概念且命名为分频输电***，并分别从***构成形式、基础理论分析、动模试验以及经济效益分析等方面进行了深入研究。
从***构成形式方面，一些低频输电***的测试***关注低频电源，经过低频变压器升压，而后经过低频线路输送至变频器-倍频变压器并入工频电网的基本拓扑结构。随着电力电子技术发展，一些低频输电***的测试***关注将晶闸管周波变换器、矩阵变流器作为变频器的低频输电***，并通过仿真验证其***构成形式的可行性。随着模块化多电平MMC技术在大容量电力电子设备中得到广泛应用，一些低频输电***的测试***提出使用新型模块化多电平矩阵式变流器M3C作为低频输电***中关键变频设备。
从基础理论分析方面，一些低频输电***的测试***对使用倍频变压器的低频输电***进行了详细数学分析，对倍频变压器进行数学建模并进行计算机仿真，得出单回550kV、1200km长的低频输电线路输送功率可达1700MW。一些低频输电***的测试***对其进行了稳态特性分析及稳定控制分析。一些低频输电***的测试***需要考虑采集分析采用周波变换器、矩阵变流器等变频器实现的柔性低频输电***。一些低频输电***的测试***提出使用周波变换器，在提高输送能力的同时，无功需求较高，且输出电流、电压中含有低次谐波分量。一些低频输电***采用矩阵变流器，输出电流、电压中谐波分量较少，电能质量高，但矩阵变流器对器件耐压要求较高。在引入周波变换器作为低频输电***变频器后，低频输电***的测试***需要考虑周波变换器触发脉冲实时生成、桥臂短路故障。一些低频输电***应用于风电并网，并认为风电采用低频输电并网，单台发电机发电功率将提升9.87％。一些低频输电***针对采用M3C变频器的低频输电***提出了M3C控制策略，实现M3C工频、低频两侧的独立有功、无功控制。这些低频输电***仍然缺少有效的测试***对其进行评估和数据分析。
动模实验及经济性分析方面，在提出基于铁磁型倍频变压器的低频输电***后，一些低频输电***的测试***通过进行动模实验，分析低频输电***的可行性。一些低频输电***的测试***建立了基于周波变换器的低频输电动模***，结论表明在采用周波变换器后，单回500kV、1200km长的低频输电线路输送功率可达2000MW。随着风力发电在电力***中得到广泛应用，一些风电经低频输电***的测试***包括动模实验，并认为低频风电***效率高达99.2％。
基于上述说明的，本公开的具体实施还基于以下在先公开技术：
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下面结合附图和实施例进一步说明本公开提供技术方案。
在本公开的一个低频输电闭环测试***的实施例中，对一类低频输电***进行测试评估，该低频输电***具体用于海上风电的经低频输电***并网，具体其拓扑结构如图1所示。风电机组经过机头交直交变换器，直接发出低频电能，经过集电***至海上升压站集电升压，海上升压站通过海底电缆的高压低频交流线路输送至陆上变频站，随后通过变压器升至工频并网。可以看出，相比于海上风电经HVDC并网方案，该低频并网方案不需要海上换流站，显著降低了输电环节的投资和维护成本；低频线路无需直流断路器，组网性能优秀。
该低频输电***通过降低输电频率，减小线路电抗值从而缩短电气距离。忽略线路电阻，可以得到以下方程：
其中，X＝2πfL为交流输电线路的电抗，它与频率f成正比，可以看出，当输送频率降低时，如降为50/3Hz时，理论上输送容量将增大为工频时的3倍，电压波动将减小为工频时的三分之一。由此可以看出，低频输电***相比工频交流***具有优势。
该低频输电***陆上变频站包括的关键设备变频器使用基于全控型器件IGBT的模块化多电平矩阵式变流器M3C，其拓扑结构如图2所示。可以看出，该M3C基于H桥级联技术，输出电压、电流谐波特性优秀。由于其不具有直流环节，因此能量转换效率较背靠背MMC高。另外，考虑到两端三相***直接经过九个桥臂连接，因此当发生单一桥臂故障时，如果能通过控制算法进行合理控制，M3C不会故障停机，从这一方面来看，M3C可靠性比背靠背MMC可靠性高。
如图3所示，本实施例的低频输电闭环测试***的***结构，适用于低频输电***，包括根据典型场景分析的低频输电***分析模块、用于建立组网模型的组网建模模块、用于建立组装置模块的装置建模模块和用于采集装置模块运行数据的闭环测试模块。其中，低频输电***分析模块包括需求分析单元、经济性分析单元和技术经济评估单元；组网建模模块包括组网拓扑设计单元、运行方式设计单元和换流器设计单元；装置建模模块包括变换器设计单元、电磁暂态设计单元和保护配置单元；闭环测试模块包括控制样机单元和闭环数据采集单元。
在本实施例的一个低频输电***分析模块的示范性应用中，需求分析单元配置为用于分析低频输电技术特点，对低频输电***技术在电网中的应用场景提取典型场景，划定低频输电技术应用范围，为经济性分析单元和技术经济评估单元提供典型场景数据。
在本实施例的一个示范性应用中，低频输电***分析模块的典型场景至少包括海上风电并网和海上平台供电。每个典型场景的对照分析数据至少包括柔性直流输电***与低频输电***的经济性对比数据以及常规交流输电***与低频输电***的经济型对比数据。其中，经济性分析单元对柔性直流输电***与低频输电***的经济性对比数据的处理流程为：获取现有采用柔性直流输电技术的经济数据，以及柔性直流输电技术的经济数据，针对典型场景建立柔性直流输电***的***拓扑结构，根据上述收集到的经济数据，采用等年值法，比较海上风电并网、海上平台场景下，柔性直流输电技术及低频输电技术的经济性。经济性分析单元对常规交流输电***与低频输电***的经济型对比数据的处理流程为：针对典型场景建立柔性直流输电***的***拓扑结构，收集典型场景下常规交流输电技术的经济数据，根据调研收集到的经济数据，采用等年值法，比较偏远地区输电场景下，常规交流输电技术及低频输电技术的经济性。
在本实施例的一个示范性应用中，组网建模模块的组网拓扑设计单元用于基于典型场景，根据设置的输送容量、输电距离、经济性等参数要求，构建海岛互联、新能源汇聚等需求下的低频网络拓扑，建立低频网络拓扑电压等级匹配及频率优选方法，配置一个典型场景下的低频输电***组网结构。运行方式设计单元用于基于一个典型场景，配置上述低频输电***组网结构的大规模海上风电通过低频输电接入工频电网的***的电源侧、电网侧运行方式，配置工频、低频混合输电网络暂态交互模型，配置低频输电***和工频输电***转换策略，上述配置合并作为一个典型场景下的一个低频输电组网结构的运行方式。换流器设计单元用于基于一个典型场景的具体低频输电组网结构与具体运行方式，配置低频输电***换流器的功能需求，配置交交变换器的低频电网侧控制目标及其组合方式，配置涉及交交变换器的***级控制策略。上述组网建模模块各个单元的整体输出作为一个典型场景的组网模型为装置建模模块提供处理依据。
在本实施例的一个示范性应用中，装置建模模块用于输出M3C交交变换器的装置模型。装置模型包括设计参数、控制策略参数、暂态模型参数和保护配置参数。
本公开所述矩阵式具体为基于全控器件的交-交变频电路，图4为主电路拓扑结构，图5为主电路拓扑中开关单元的结构示意，三相交交原理类似于单相变频，传统的三相交交变频多采用间接方式，即：采用交直交方式完成频率变换。采用全控器件斩控方式实现交交直接变频的装置中，a、b、c为输入电路，u、v、w为输出电路，以u为例，通过改变开关S11、S12、S13在一个周期内的导通占空比σ即可构造出所需要的输出电压。
在高压、大容量电力输送领域。从基本电路看，当矩阵式变频电路用于海上风电分频输电并网时，具有以下技术效果：1)仅需一次变流即可实现变频，效率较高，可以达到90％以上效率；2)可以控制输出电压为正弦波，以及频率自由变换，理论上分频输电可不再局限于50/3Hz；3)具备四象限运行能力，可实现能量双向流动，***控制方式灵活，无需配套额外的无功补偿设备。上述技术构思在现有文献中未有公开。
作为优选的示范，本公开的装置模型为交交变换器模型，包括交交变频器和换流变压器，图6示出该装置模型的等效电路。为说明特点，模型中忽略工频电网中的电流谐波。由此得到变频器单元的初步准稳态模型如图6所示。
图中，nL与nI分别是低频***和工频***中直接与变频器单元相连的节点编号。因此忽略换流变压器有功损耗、变频器换相重叠角，***谐波时，交交变频器单元的特性可以由以下3式进行描述。
PLt＝PtI (5)
QtI＝f(PLt,QLt,kv,Ccom) (6)
其中：
kv为变频器电压调制系数，
VnI、VnL分别为节点nI和nL的电压，
kT1为换流变压器变比，
PLt为低频***nL节点向变频器注入的有功功率，
PtI为变频器向工频***nI节点注入的有功功率，
QLt为低频***nL节点向变频器注入的无功功率，
Ccom为变频器向工频***nI节点注入的无功功率，
式4、5、6反映了变频器两端的电压、有功、无功之间的关系。当不存在补偿电容时，QtI可写为下式：
本实施例在低频输电***分析模块或者组网建模模块中的一个中输电电缆载流量计算通过以下方法实现。鉴于本公开载流量主要针对海底电缆运行中参数，即在满足线芯工作温度不超过绝缘***耐热寿命允许值和导体连接可靠性符合要求的前提下，电缆线路运行时线芯导体中通过的电流量。当线芯电流过大、产生的热量过高时，将导致线芯工作温度超过允许限值，绝缘材料老化速度加快，电缆的寿命相比期望值将会大幅缩短；当线芯电流过小时，虽然产生的热量减少，但是将造成电缆的传输能力得不到充分的利用，从而降低线路运行的经济性。
交直流电缆的允许连续载流量可根据等效热阻法，即IEC 60287标准中给定的载流量计算公式得到：
其中：
I为导体电流，A；θc为导体允许的最高温度，℃；θa为电缆环境温度，℃；Wd为导体绝缘单位长度的介电损耗，W.m-1；T1为导体与护套间的热阻，K.m.W-1；T2为护套和铠装间的热阻，K.m.W-1；T3为电缆外护层的热阻，K.m.W-1；T4为电缆表面与周围介质间的热阻，K.m.W-1；R为运行温度下导体交流电阻，Ω.m-1；n为电缆芯数；λ1为金属套的损耗与导体损耗之比；λ2为铠装层损耗与导体损耗之比。
Wd的计算公式为：
其中：
f为频率，Hz；U0为相电压，V；tanδ为介质损耗角正切。
导体交流电阻：
R＝R′(1+ys+yp) (10)
其中：
R为导体的交流电阻，Ω.m-1；R’为导体的直流电阻，Ω.m-1。
直流电阻R’为：
其中：
R0为导线材料在20℃下的电阻；ρ为导线材料在20℃下的电阻率；A为导线横截面积；α为电阻温度系数；θ为电缆导线的最高使用温度。
ys为集肤效应系数：
yp为领近效应系数：
其中：
Dc为导体外径，为
S为截面积mm；s为导体中心轴之间的距离，mm，s＝Dc+2t；t为绝缘层厚度。
从集肤效应和领近效应系数的表达式中可以发现：随着频率的降低，集肤效应和领近效应系数都会随之降低。特别地，当频率为0时，集肤效应和领近效应系数均为0。
金属屏蔽层损耗λ1主要包括两部分，环流损耗与涡流损耗。其中，涡流损耗与具体敷设方式相关，对于单芯电缆等边三角形敷设时可忽略不计。则有：
其中：
Rc为导体交流电阻；rs为屏蔽层电阻；Ds金属护套平均直径；s为电缆中心到线芯中心的距离。
铠装层损耗λ2为：
其中：
Rs1为最高温度下铠装的交流电阻；dA为铠装平均直径；c为导体轴心与电缆中心距离。
海底电缆各部分热阻Ti(i＝1,2,3,4)分为本体热阻和外部热阻两部分。两部分的计算方法相同，不同的时各层材料的热阻系数和结构参数，因此需根据每层材料特性单独计算。热阻计算式为：
其中：
Ti为第i层材料热阻，ρT,i为第i种材料热阻系数；ti为第i种材料厚度；dc,i为该层材料对应直径。在电缆手册中查取相关参数，即可进行计算。
在本实施例的一个低频输电***分析模块的示范性应用中，低频输电***分析模块的经济技术分析方法为：鉴于低频输电***通过上述M3C交交变换器接入工频交流***后，改变了常规交流***的物理拓扑与运行特性，构成了一个多频率强耦合的工频/低频混合交流交流电力***，与常规工频输电相比，采用低频输送电能，可在不改变线路选型的条件下成倍提高其静稳极限，也可在同等输送容量的前提下降低输电线路的电压等级。经过计算，采用海底电缆进行交流电力传输时，电缆可传输有功功率与距离和频率的关系如图7所示电缆可传输有功功率与距离和频率的关系；在相同的传输容量下，随传输频率的降低，交流电缆的输送距离越远，采用低频方式进行等容量等距离传输时，可降低海底电缆的电压等级，将极大节省线路的一次投资；因此，本公开实施例将低频输电***的运行频率作为规划指标，纳入多频率交流输电***的分析范畴。
作为示范的，在本实施例的一个控制样机单元中包括矩阵式M3C交交变换器的测试单元，其结构和连接方式如图8所示，额定交流电压380V，额定容量6.5kVA，额定电容电压220V，连接电感10mH，桥臂级联数2，电容容值4400μF。
作为示范的，在本实施例的一个控制样机单元中包括实现功率逆向传送的分频输电动模平台，即将低频发电机发出的电能送入工频电力***，其结构及连接方式如图9所示。在一个具体的测试中，分频输电动模平台的优选模拟比例为：电压比1000:1，相当阻抗比10:1，功率比100MW：1kW，在上述模拟比例下，分频输电动模平台用于实现对2000MW的低频电能通过1200km输电线路送至远端场景的物理模拟，以便验证分频输电***的物理可实现性。图10为闭环数据采集单元在一各具体测试中从分频输电动模平台获取的测试数据。
作为示范的，在本实施例的一个控制样机单元中包括基于H桥拓扑的级联型高压大容量换流设备，在该类实施例中低频输电***的核心设备M3C交交变换器采用矩阵式H桥链式结构，其换流链及基本换流单元的拓扑结构、设计方法、试验技术可以参照链式STATCOM技术，在装置建模模块中的低频输电***的换流装置模型所包括的控制保护***、装置级控制策略、换流模块调制策略、换流链控制保护方法等可参照予以实施。
基于上述***实施例提供的技术方案，本公开至少还提供了一种低频输电闭环测试方法的多个实施例，包括以下步骤，根据低频输电***分析模块输出结果在组网建模模块中建立组网模型，根据组网模型在装置建模模块中建立装置模型，根据装置模型在闭环测试模块中运行并获得装置模型在组网模型并获得闭环测试数据。
在低频输电***分析模块中为分析选择典型场景，可以采用如图11的配置策略和步骤。对于内容1，结合文献调研，明确低频输电技术特点，针对在电网中不同应用场景，初步建立低频输电***拓扑结构，对其在各个场景的应用进行分析，重点开展海上风电并网、海上平台供电等场景下的技术适用性分析研究，划定低频输电技术应用范围，得到低频输电技术典型场景与需求性分析结果。对于内容2，在文献调研基础上收集柔性直流输电各部分经济数据，同时建立针对海上风电并网、海上平台场景下的柔性直流输电***拓扑结构，并对上述场景下的柔性直流输电***、低频输电***进行经济性分析，得出经济性分析结果。对于内容3，在文献调研基础上收集常规交流输电各部分经济数据，同时建立针对典型场景下的常规交流输电***拓扑结构，并对偏远地区输电场景下的常规交流输电***、低频输电***进行经济性分析，得出经济性分析结果。
在低频输电***分析模块中为输出组网模型，可以采用如图12的配置策略和步骤。首先结合输送容量、输电距离、经济性等要求，构建海岛互联、新能源汇聚等需求下的低频网络拓扑，根据低频网络拓扑电压等级匹配及频率优选方法，提出典型场景下的低频输电组网方式。其次，基于典型场景，配置大规模海上风电通过低频输电接入工频电网的***的电源侧、电网侧运行方式，分析工频、低频混合输电网络暂态交互模型，进一步配置低频输电***和工频输电***转换策略。最后，基于典型场景的低频输电***组网与运行方式，分析低频输电***换流器的功能需求，并设置配置方案；实施基于M3C交交变换器的低频电网侧控制目标及其组合方式测试，配置***级控制策略。
在低频输电***分析模块中为输出装置模型，可以采用如图13的配置策略和步骤。首先，获取交交变换器的参数设计和控制策略，并基于典型场景下交交变换器的功能需求、典型交交变换器拓扑结构特点及双频功率混合特性，配置装置的模块电容、连接电抗、模块数等主设备参数在非工频下的设计参数，以满足输出精度、直流电压波动等要求；同时，配置装置的直流稳压、模块均衡等控制策略，以满足变频变压功能需求，达到高性能高可靠性标准。在内容1的基础上，实施内容2，基于RTDS/RT-LAB实时仿真平台，面向典型应用场景，配置低频侧电网等值方法、低频环境下设备的模型以及低频下面向装置的小步长模型，最终构建出典型场景下交交变换器的电磁暂态模型。在内容1和2的基础上，实施内容3，在***最大运行方式下，考虑工、低频交互影响特性及作用特征，配置***级和装置级的故障特性指标，以便保证最大电气应力在设备承受能力范围内，并基于故障特性结果，结合主、后备保护配合及故障期间渡越方式，获取低频环境对常规工频保护的影响参数，以便配置多层级保护配置方案。整个配置方式的结构由上到下，层层递进，基于“网络结构-运行方式-换流器功能及控制”的方式实施。
根据上述***实施例和方法实施例，本公开至少可以实现以下闭环测试分析。
(1)适应典型场景特点的低频输电网络拓扑形态分析测试：基于典型场景，结合输送容量、输电距离、经济性等要求，构建海岛互联、新能源汇聚等需求下的低频网络拓扑，研究低频网络拓扑电压等级匹配及频率优选方法，提出典型场景下的低频输电组网方式。
(2)典型场景下低频输电***运行方式分析测试：基于典型场景，开展大规模海上风电通过低频输电接入工频电网的***的电源侧、电网侧运行方式研究，分析工频、低频混合输电网络暂态交互机理，提出低频输电***和工频输电***转换策略。
(3)低频输电***换流器功能与控制方式分析测试；基于典型场景的低频输电组网与运行方式，分析低频输电***换流器的功能需求，并提出配置方案；开展基于M3C交交变换器的低频电网侧控制目标及其组合方式研究，提出***级控制策略。
(4)基于典型拓扑的交交变换器电磁暂态建模及故障特性分析测试，包括：)大容量M3C交交变换器参数设计及控制策略分析测试，即结合典型场景，开展双频交流分量对大容量M3C交交变换器主设备的影响分析，提出主设备关键参数计算方法；开展双频交流分量耦合条件下的交交变换器的稳压、均衡等控制策略研究；典型场景下，M3C交交变换器电磁暂态建模分析测试，即面向M3C交交变换器接入低频交流电网，开展涵盖工频交流电网、交交变换器、低频交流电网的大小步长混合仿真的电磁暂态建模技术研究；M3C交交变换器故障特性分析及内部保护配置分析测试，即采集***级、装置级故障态分析数据，提取故障特征，研究工频电网、低频电网故障对装置本体的影响及作用机理，开展故障期间装置渡越方式研究，分析低频环境下M3C交交变换器的保护需求，以便提出多层级保护配置方案。
(5)大容量交交变换器控制***研制及闭环测试，包括：适用于大容量交交变换器控制***构架设计研究，研制控制***样机。即根据低频输电典型场景，综合交交变换器拓扑结构、控制算法，分析并提出大容量交交变换器控制***需求，开展控制保护***的软硬件构架及其方案设计，研制交交变换器控制***样机；典型场景下的交交变换器控制***闭环试验，即针对低频输电***典型场景，分析交交变换器控制***接入低频电网的实时仿真建模需求，搭建包含低频风机、M3C交交变换器等设备的低频输电***模型。研究面向RTDS的半实物仿真接口技术，构建数字-物理控制***实时闭环仿真平台，开展包含交交变换器控制***的低频输电***闭环试验。
Claims (10)
1.一种低频输电闭环测试***，适用于低频输电***，其特征在于：包括根据典型场景分析的低频输电***分析模块、用于建立组网模型的组网建模模块、用于建立组装置模块的装置建模模块和用于采集所述装置模块运行数据的闭环测试模块。
2.根据权利要求1所述的低频输电闭环测试***，其特征在于：所述低频输电***分析模块包括向所述组网建模模块提供分析结果数据的需求分析单元、经济性分析单元和技术经济评估单元。
3.根据权利要求1所述的低频输电闭环测试***，其特征在于：所述组网建模模块包括用于配置所述组网模型的组网拓扑设计单元、运行方式设计单元和换流器设计单元。
4.根据权利要求1所述的低频输电闭环测试***，其特征在于：所述装置建模模块包括用于配置所述装置模型的变换器设计单元、电磁暂态设计单元和保护配置单元。
5.根据权利要求1所述的低频输电闭环测试***，其特征在于：所述闭环测试模块包括控制样机单元和获取所述控制样机单元和/或所述低频输电***运行数据的闭环数据采集单元。
6.根据权利要求1所述的低频输电闭环测试***，其特征在于：所述低频输电***分析模块的典型场景至少包括海上风电并网和海上平台供电。
7.根据权利要求6所述的低频输电闭环测试***，其特征在于：每个典型场景的对照分析数据至少包括柔性直流输电***与低频输电***的经济性对比数据以及常规交流输电***与低频输电***的经济型对比数据。
8.根据权利要求1所述的低频输电闭环测试***，其特征在于：所述装置建模模块用于输出M3C交交变换器的装置模型。
9.根据权利要求1所述的低频输电闭环测试***，其特征在于：所述装置模型包括设计参数、控制策略参数、暂态模型参数和保护配置参数。
10.一种低频输电闭环测试方法，应用于权利要求1至9任一项所述低频输电闭环测试***，其特征在于：根据低频输电***分析模块输出结果在组网建模模块中建立组网模型，根据所述组网模型在装置建模模块中建立装置模型，根据所述装置模型在闭环测试模块中运行并获得所述装置模型在所述组网模型并获得闭环测试数据。
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