《规模化电力电子变流设备稳定运行评价与兆瓦级试验平台研制及应用》

该项目属于电气工程学科。

随着能源结构转型与消费方式的变革,用于交直流电能变换的电力电子变流设备广泛应用于轨道交通、工业制造、节能环保、新能源发电等众多领域。近年来,国内外频繁出现电力电子变流设备故障引发的新能源大面积脱网、电力系统振荡、工业生产线停运、供电质量异常等事故,严重影响了电网安全运行与优质供电。

电力电子变流设备规模化接入电网具有多时间尺度控制耦合、多变量交互作用等强非线性特征,动态行为复杂。传统电力设备试验技术、检测手段和评价方法无法满足以半导体开关器件、多环控制为主要特征的变流设备稳定运行需求,已成为行业内亟待突破的技术难题。项目以提升电力电子变流设备稳定运行能力为目标,在试验体系创建、设备耐受特性评价、系统行为分析三个层面开展研究:

1、提出功率硬件在环混合仿真架构的复杂电网环境模拟试验方法,开发完成基于级联背靠背拓扑的兆瓦级试验系统,创建了电力电子变流设备电网适应性试验体系,实现了电力电子变流设备整机性能测试技术手段的突破。

2、创新了电力电子变流设备接入电网非线性动力学分析方法,揭示了变流设备动态行为特征和短时失效机理;明确了典型变流设备电压、电流和温度应力分布规律及关键参数的耐受能力边界,建立了变流设备接入电网稳定运行能力评价指标体系。

3、建立了基于相对增益矩阵的多变流设备间、设备与电网间交互作用分析模型;创建了基于哈密顿作用量的大规模变流设备接入电网同调等值判据,实现千台级电力电子变流设备的等值降阶,攻克了变流设备多场景接入电网稳定运行分析的技术难题。

4、牵头制定了三项国家和电力行业标准,提出了电力电子变流设备动态响应时间、超调量和有效输出容量等关键性能指标要求,创建了不同场景下变流设备入网性能检测和评价方法,填补了电力电子变流设备接入电网稳定运行能力测试的空白。

主要技术创新点:(1)研制了首套可再现复杂电网工况的兆瓦级真型试验平台;(2)创新了电力电子变流设备接入电网耐受特性分析理论;(3)提出了电力电子变流设备规模化接入电网交互作用分析方法。

主要技术经济指标:项目研制的35kV/12MVA试验平台在同等输出精度前提下,容量实现千瓦级到兆瓦级的突破;提出的同调等值降阶方法使变流设备分析的适用规模提升两个数量级。已开展80余家电力设备制造厂家、500多座新能源场站等上万台电力电子变流设备的入网性能检测,针对不达标产品,提出器件选型、参数优化等返厂整改建议2000余项。经检验合格的新能源变流设备有效并网时间提高5%,电能质量治理设备补偿率提升12%。

主要知识产权:项目第一完成单位牵头制定1项国家标准和2项电力行业标准;授权发明专利18项,实用新型专利4项,软件著作权2项;发表论文29篇,SCI收录16篇,其中中科院JCR 1区SCI 6篇(平均影响因子6.756)。

项目经潘垣院士和罗安院士为主任委员的专家组鉴定认为:研究成果创新性强、实用性高,整体达到国际领先水平。项目成果广泛应用于变流设备生产制造、新能源并网安全、电能质量治理效果提升、电网稳定运行等众多领域,已在河南、湖北、山东、广东等多地得到规模化应用,近3年共取得8.8亿元经济效益,有力推动了中国电力电子变流设备制造水平的提升,保障了电网安全稳定运行,社会经济效益显著。

成果说明

(1)设备性能提升:依托变流设备多特征量耐受特性综合评估方法,建立了设备关键参数耐受特性指标体系,为许继电源有限公司、思源清能电气电子有限公司等设备制造企业提供整改建议2000余项,并依据理论分析和测试数据完成设备结构、控制参数和生产工艺优化。 (2)设备入网检测:依托不同电网阻抗环境下动态响应时间、超调量和有效输出容量等动态指标的测试方法,完成上万台静止无功发生器、光伏并网逆变器等设备的电网适应性和补偿性能测试试验,实现经济效益10665万元,牵头制定设备入网检测相关国家标准1项,电力行业标准2项。

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