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风电场送出线路故障特性与适应性保护技术研究

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风电场送出线路故障特性与适应性保护技术研究

作者：武奕彤山东大学

学位级别：硕士

全国风电装机容量在近十年中飞速上升,在电网总容量中占据了不容忽视的比例。双馈风力发电系统和直驱式永磁同步风力发电系统是陆上风场两种最常见的风力发电系统。受控制策略影响,风场所表现出的故障暂态特征使得常规保护灵敏度下降甚... 详细信息

全国风电装机容量在近十年中飞速上升,在电网总容量中占据了不容忽视的比例。双馈风力发电系统和直驱式永磁同步风力发电系统是陆上风场两种最常见的风力发电系统。受控制策略影响,风场所表现出的故障暂态特征使得常规保护灵敏度下降甚至不再适用,进而使得传统保护难以适应高渗透率的新能源接入。针对此问题,本文对风场送出线路的故障特性进行了提取与探究,分析其故障特征并研究传统保护在风场送出线路的适应性,以此为基础提出一种适用于风场送出线路的新型保护原理。论文主要研究内容及贡献如下:(1)深入分析了双馈风机与直驱风机的控制策略,基于控制策略,构建了风机故障简化模型。在EMTP仿真平台中搭建满足并网标准和工程应用的风场模型,通过仿真验证了所搭模型的正确性。(2)基于风场送出线路系统模型,建立复合序网,推导了在送出线路发生故障时,风电场侧及系统侧的短路电流表达式和序阻抗关系,分析了两端电流幅值及相角的变化规律,归纳得到了风场送出线路的故障特性。并利用现场录波数据,对得到的故障特性结论进行了验证。(3)基于故障特性,分析了故障特性变化对风场送出线路传统距离保护及电流差动纵联保护动作性能的影响,并利用现场录波数据进行验证。理论分析和录波验证均表明,当送出线路发生单相接地故障时,两种保护均具有较好的适应性;当送出线路发生相间故障时,由于两侧故障电流的弱馈特性,两种保护的灵敏度均下降,因此需要对传统纵联保护原理进行改进或提出新的保护原理。(4)将特勒根定理应用到陆上风场送出系统,建立了满足定理应用要求的线路故障拓扑结构图。以此为基础,分析了能够区分内、外部故障的特征量,提出了一种基于故障前后线路两端电压电流的新型纵联保护动作判据。利用风场多个故障案例的录波数据和基于PSCAD的仿真数据对所提判据进行验证及对比分析,证明了所提纵联保护方法的优越性和可行性。

关键词：风电送出系统故障特性特勒根定理纵联保护故障录波数据

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齿轮传动系统耦合故障下的故障特性研究

振动与冲击 2017年第12期36卷 208-214页

作者：王鑫徐玉秀武宝林天津工业大学机械工程学院天津300387 现代机电装备技术重点实验室天津300387 宝鸡文理学院机械工程学院陕西宝鸡721016

为识别齿轮传动系统实测信号中的未知成分,建立含定轴裂纹故障及行星轮断齿故障的两级定轴齿轮+一级行星轮齿轮传动系统无量纲动力学方程。对比研究正常与耦合故障状态下的分岔特性,及不同激励频率下的Poincaré截面及频谱图,分析耦合... 详细信息

为识别齿轮传动系统实测信号中的未知成分,建立含定轴裂纹故障及行星轮断齿故障的两级定轴齿轮+一级行星轮齿轮传动系统无量纲动力学方程。对比研究正常与耦合故障状态下的分岔特性,及不同激励频率下的Poincaré截面及频谱图,分析耦合故障引起的故障频率特征;通过仿真分析发现:行星轮故障对高转速敏感,定轴故障对低转速敏感,而二者的耦合使定轴齿轮振动频域上出现相互关联的频率峰值;不同激励频率下两种故障的频率特征及贡献不同。仿真结果发现,实测信号中未知峰值及故障频率的成因。

关键词：行星齿轮传动非线性动力学耦合故障故障特性

基于综合能源系统的固态变压器中开关器件故障特性分析与诊断

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电工技术学报 2021年第S01期36卷 231-240页

作者：桑子夏郑旭方仍存杨东俊杜治国网湖北省电力有限公司经济技术研究院武汉430077 国家电网公司水火电资源优化配置与仿真技术实验室武汉430077

综合能源系统是主动配电网实现能量综合管理的重要手段与工具,其可靠性与该系统中大量应用的固态变压器的可靠性直接相关。该文针对配电网固态变压器的输入级、中间级和输出级中开关器件开路故障和短路故障开展研究,并对其故障后电压和... 详细信息

综合能源系统是主动配电网实现能量综合管理的重要手段与工具,其可靠性与该系统中大量应用的固态变压器的可靠性直接相关。该文针对配电网固态变压器的输入级、中间级和输出级中开关器件开路故障和短路故障开展研究,并对其故障后电压和电流畸变进行分析。以配电网固态变压器中由级联多电平变换器组成的输入级、中间级和输出级的基本工作原理及运行方式为基础,研究了其开关器件在各个故障下电压和电流的畸变,并总结其故障机理和故障特性,通过建立特定波形畸变和故障点位置与类型之间的关系,辨识开关器件故障的位置与种类。最后通过仿真对故障特性进行了验证,并提出了基于故障机理和故障特性的开关器件故障诊断方法。

关键词：综合能源系统固态变压器级联多电平变换器开路故障短路故障故障特性

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直流配电网故障特性与保护技术研究

直流配电网故障特性与保护技术研究

作者：卢峰宇西安工业大学

学位级别：硕士

随着可再生清洁能源(如风能、光伏)的迅速发展和直流负荷(如电动汽车、家用电气)的广泛应用,直流配电网更适合未来智能电网的发展。为确保其安全稳定的运行,高性能的直流配电网保护技术就十分重要。鉴于直流配电网故障与保护的复杂性,... 详细信息

随着可再生清洁能源(如风能、光伏)的迅速发展和直流负荷(如电动汽车、家用电气)的广泛应用,直流配电网更适合未来智能电网的发展。为确保其安全稳定的运行,高性能的直流配电网保护技术就十分重要。鉴于直流配电网故障与保护的复杂性,本文将采用理论推导和仿真验证相结合的方式,研究直流配电网的故障特性及保护技术。首先,从直流配电网的系统设计角度出发,分析直流配电网的不同拓扑结构和接线与接地方式的优缺点,研究电压源型换流器(Vltage Source Converter,VSC)基本结构和控制方式,在此基础上构建中压两端供电型直流配电网模型,为故障特性分析提供基础。其次,对直流配电网直流侧故障进行研究,重点分析直流侧发生双极短路故障和单极接地故障的响应机理,分析不同过渡电阻对故障的影响,并利用模型进行仿真验证。针对其故障特点,提取出保护原理可用的故障特性,为后文的线路保护技术和故障测距保护技术的研究奠定基础。再次,改进纵联保护技术,分析故障时区内、外的线路电流的方向特征,解决纵联保护在区内远端高阻故障或弱馈侧故障时保护可能不动作问题,提出基于电流突变方向特征的纵联保护。给出故障判据和保护逻辑,并分析各因素对保护的影响。经仿真结果表明该方法耐过渡电阻和噪声能力强、不受分布电容电流的影响、对数据同步无严格要求、保护动作时间可以稳定在1ms以内,满足直流配电网对保护速动性与选择性的需求。最后,为了实现保护动作后精确定位故障点,与上述线路保护技术形成功能互补,本文在现有故障测距技术的基础上,分析故障各个阶段的时域信息,利用限流电抗器的电压特性,解决传统R-L模型算法应用到直流配电网后存在微分变量获取方法误差较大和数值稳定性不足的问题,提出一种基于限流电抗器的R-L模型故障测距保护技术。经仿真结果表明该方法具有较好耐过渡电阻和噪声能力,无需通信,对采样频率无严格要求、故障测距误差在1%以内,满足直流配电网对测距精度的要求。

关键词：直流配电网电压源型换流器故障特性纵联保护故障测距

虚拟同步发电机低电压穿越控制策略及故障特性研究

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虚拟同步发电机低电压穿越控制策略及故障特性研究

作者：王子鸣华北电力大学(北京)

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随着国家“双碳”目标的提出,以光伏、风电为代表的新能源发电技术近年来得到了迅速发展,换流器等电力电子并网设备也随之不断扩大应用规模,导致以发电机为主要惯量支撑与阻尼来源的传统电力系统结构与性质发生了巨大变化,使之逐渐呈现... 详细信息

随着国家“双碳”目标的提出,以光伏、风电为代表的新能源发电技术近年来得到了迅速发展,换流器等电力电子并网设备也随之不断扩大应用规模,导致以发电机为主要惯量支撑与阻尼来源的传统电力系统结构与性质发生了巨大变化,使之逐渐呈现出“低惯量”、“弱阻尼”等特征,电网的稳定性与安全性正在受到严重威胁。针对这一问题,国内外学者提出虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator,VSG)控制技术,并将该技术应用于逆变器的控制中,使得逆变器表现出与同步发电机相似的外特性,相较于传统跟网型控制,VSG可显著提高“双高”电网的运行稳定性。而现有研究表明,VSG没有传统同步机的强耐过流能力,且故障的基本特性及故障影响因素也并不明确,因此亟需针对VSG在电网发生短路故障时的相关问题展开进一步研究。首先,论文介绍了虚拟同步发电机的基本并网结构,包括控制系统结构及并网物理系统;在VSG模型基础的基础上,针对电网发生短路故障时,VSG并网点电压幅值与相位跳变导致逆变器过流等问题,本文通过对VSG电压幅值基准值的切换和参考相位角的补偿,实现过流抑制及功率快速输出,并分析了在故障恢复期间所提低电压穿控制方案的适用性。进一步,本文提出了低电压穿越控制的快投慢退策略,使得低电压穿越控制在故障恢复后可以顺利退出,VSG恢复正常控制模式。其次,论文提出了电网发生对称短路时VSG故障电流的计算步骤,并得到故障电流的解析表达。即先根据VSG的电路方程和各环节的控制方程,构建虚拟内电势与故障电流的基本关系方程;再通过联立无功电压电路方程和无功电压控制方程得到虚拟内电势的表达式;最后,将虚拟内电势表达式带入其与故障电流的关系方程中,进而得到故障电流的解析表达式。最后,通过仿真验证了故障电流解析表达的正确性。最后,论文在故障电流解析表达的基础上,通过两相旋转坐标系与三相静止坐标系的转换关系,对VSG三相故障电流的基本分量进行了详细阐述;同时,在故障电流解析表达进行合理简化的基础之上,对于故障参数及控制参数对故障特性的影响进行了详细分析。

关键词：虚拟同步发电机低电压穿越控制短路电流解析故障特性影响因素分析

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结合虚拟样机技术的刮板链故障受力特性分析

机械设计与制造 2023年第1期383卷 247-251页

作者：张行江帆贾晨曦张鑫江苏建筑职业技术学院智能制造学院江苏徐州221116 中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116

针对刮板链运行工况复杂、故障频发的问题,基于虚拟样机技术研究了刮板链故障工况下的受力变化特性。研究通过设置几何参数关系和构建骨架模型实现了链传动系统的参数化建模,并基于ADAMS仿真平台构建了综合考虑各组成部件之间复杂相互... 详细信息

针对刮板链运行工况复杂、故障频发的问题,基于虚拟样机技术研究了刮板链故障工况下的受力变化特性。研究通过设置几何参数关系和构建骨架模型实现了链传动系统的参数化建模,并基于ADAMS仿真平台构建了综合考虑各组成部件之间复杂相互作用关系的双链牵引链传动系统虚拟样机模型,模拟了链传动系统的卡链故障和断链故障工况,分析了刮板链故障失效时的受力特性,并设计刮板链故障测试实验进行了验证分析,为刮板输送机的运行状态评估以及故障诊断提供有效依据。

关键词：刮板链虚拟样机模型接触力故障特性

基于DAB直流变压器的多电压等级交直流混合配电网故障特性分析

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中国电机工程学报 2019年第6期39卷 1582-1591页

作者：祁晓敏裴玮李鲁阳孔力中国科学院大学北京市石景山区100049 中国科学院电工研究所北京市海淀区100190

双主动全桥(dual active bridge,DAB)直流变压器能够通过直流线路互联多个电压等级的交流配电网形成交直流混合配电网,该系统的故障类型多样,故障特性复杂,该文对其故障特性进行详细研究。分析该系统发生交流网侧单相接地故障、交流阀... 详细信息

双主动全桥(dual active bridge,DAB)直流变压器能够通过直流线路互联多个电压等级的交流配电网形成交直流混合配电网,该系统的故障类型多样,故障特性复杂,该文对其故障特性进行详细研究。分析该系统发生交流网侧单相接地故障、交流阀侧单相接地故障以及直流母线单极接地故障后的故障特性,研究换流站直流侧电容中点采用直接接地和高阻接地两种接地方式的系统中,DAB对系统故障特性的影响。探究发生上述故障后,系统交流侧和直流侧的相互影响,并进行详细对比分析,提出含DAB系统的故障分析方法。最后,通过Matlab仿真平台对上述分析进行仿真验证,指出DAB对直流侧电容中点直接接地系统故障特性的影响更突出,且DAB能够隔离交直流侧故障的相互影响,为交直流混合配电网接地方式的选择、保护系统的设计等提供理论依据。

关键词：双主动全桥直流变压器交直流混合配电网故障特性接地方式交直流相互影响

拖拉机行星齿轮箱故障响应特性动力学仿真及验证

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农业工程学报 2018年第7期34卷 66-74页

作者：史丽晨李坤王海涛刘洋西安建筑科技大学机电工程学院西安710055

针对目前农业机械设备少有从振动机理方面研究行星减速轮系的故障特性,且缺乏对不同故障程度下系统故障特性的研究等问题,该文以拖拉机传动系统中的行星齿轮减速箱为研究对象,建立了行星轮系动力学模型,考虑了其在运行时振动传递路径时... 详细信息

针对目前农业机械设备少有从振动机理方面研究行星减速轮系的故障特性,且缺乏对不同故障程度下系统故障特性的研究等问题,该文以拖拉机传动系统中的行星齿轮减速箱为研究对象,建立了行星轮系动力学模型,考虑了其在运行时振动传递路径时变效应对振动信号的影响;推导了行星轮故障下的啮合刚度变化表达式,并引入故障因子,得到了不同故障程度下的啮合刚度;采用变步长的Runge-Kutta方法求解行星轮系动力学模型,分析得到了行星轮分别出现裂纹及断齿故障时系统响应的频谱特性。模型分析结果表明,由于振动传递路径时变效应对响应信号的调制作用,行星轮系频谱中的啮合频率及其倍频附近出现了以行星架转频为调制频率的边频带;当行星轮出现裂纹或断齿故障时,啮合频率及其倍频附近不仅出现了以行星架转频为调制频率的边频带,同时还会出现以行星轮故障频率为调制频率的边频,且断齿故障状态下的边带幅值较裂纹故障下更加明显。最后将试验信号与模型信号进行对比分析,分析发现,试验与模型响应信号对应频率的最大相对误差分别为4.65%和2.32%,决定系数R2分别为0.999 6和0.999 8,所得试验结果与模型结果基本一致,验证了所建立模型的准确性。该文可为农机设备中行星轮系的故障机理及系统健康监测研究提供参考。

关键词：拖拉机齿轮振动故障特性动力学模型啮合刚度

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锂离子电池气体故障特性分析及诊断方法

高电压技术 2021年第9期47卷 3315-3324页

作者：杨启帆马宏忠刘宝稳段大卫彭晓晗河海大学能源与电气学院南京211100

为应对锂离子电池的漏液、过充、短路和高温故障,提出了一种基于气体的锂离子电池故障诊断新方法。首先,通过全面梳理现有成果,明确了锂离子电池故障下析出气体的种类;其次,为不同种类的气体配置传感器,使各气体得到准确监测;然后,搭建... 详细信息

为应对锂离子电池的漏液、过充、短路和高温故障,提出了一种基于气体的锂离子电池故障诊断新方法。首先,通过全面梳理现有成果,明确了锂离子电池故障下析出气体的种类;其次,为不同种类的气体配置传感器,使各气体得到准确监测;然后,搭建实验平台开展锂离子电池的漏液、过充、短路以及高温故障实验,并对实验过程中气体的析出情况进行实时监测;最后,根据实验结果,设计了基于挥发性有机物(Volatile organic compounds,VOC)气体的锂离子电池故障诊断新方法,并通过故障实验进一步对所提方法的性能进行了验证。实验结果表明:相比于CO_(2)、CO、H_(2)、CH4和C_(2)H_(5)F气体,VOC气体表现出更为明显的故障特征,体现在VOC气体在所有故障下均有析出,且析出时间在所有气体中均为最早;此外,VOC气体在漏液故障下的体积分数最大,在其余故障下的体积分数仅次于CO_(2)。对比结果表明,所提方法在可靠性和快速性上明显优于传统方法。论文研究可为锂离子电池故障诊断提供参考。

关键词：锂离子电池气体故障特性诊断方法漏液过充短路高温