Abstract:

电力系统故障引发的频率扰动以机电波形式传播，该过程直接影响频率稳定分析、低频减载等安全控制策略的决策。常规离线频率仿真法虽计算精度较高，但在面对复杂多变的新型电力系统时适应性较差、在线计算能力不足。针对此类问题，文中提出基于近似解析解和物理信息神经网络（physics-informed neural network, PINN）的频率传播在线计算方法。首先，建立机电扰动频率传播的偏微分方程模型，并通过工程简化推导频率扰动关于时间和位置的解析表达式，满足频率扰动快速计算要求，但简化后计算精度降低；随后，引入PINN以提高计算精度，将少量的仿真高精度数据与大量由解析生成的低精度数据作为样本，解决样本生成时间过长问题；进一步，在网络层中加入简化前的机电扰动频率传播模型作为物理约束，在满足计算速度的同时，提升计算精度和场景泛化性能；最后，利用RT-Lab和PyTorch搭建算例系统，仿真结果验证了所提方法的可行性与优越性。

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风力发电场出力存在不确定性，且在时间和空间上存在一定相关性，大规模风电接入电力系统后，如果未能充分考虑其时空相关性，可能会给暂态稳定约束最优潮流（transient stability constrained optimal power flow, TSCOPF）计算带来一定偏差，因此文中提出一种考虑风电出力时空相关性的TSCOPF计算方法。首先，为考虑风电场出力在时间和空间维度上的相互关系，构建包含时空相关性的风电出力模型；其次，基于联合机会约束（joint chance constraint, JCC）理论构建概率约束，并在此基础上建立基于JCC理论的TSCOPF模型；然后，采用混合样本平均近似（mix sample average approximation, MSAA）对JCC进行处理，将JCC问题转化为线性规划（linear programming, LP）问题，采用CPLEX求解器进行求解；最后，在改进的IEEE 39节点系统进行仿真分析，仿真结果表明，所提方法能够在系统安全稳定的前提下，得到最佳的运行方案。

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随着新能源大规模接入电网，潮流分布不均问题日益凸显，严重影响电网可靠性与灵活性，故急需能够提升电网潮流动态控制能力的手段。首先，文中针对线路潮流分布不均，需要频繁调控潮流的应用场景，提出一种基于三电平中点箝位（neutral point clamped, NPC）型逆变器的新型混合潮流控制器（hybrid power flow controller, HPFC），结合移相变压器（phase-shifting transformer, PST）大幅离散调节与三电平NPC小范围柔性调节的特点，实现对潮流大范围的精确控制。然后，理论分析PST与三电平NPC的工作原理，提出一种二者相协同的控制策略，并确定HPFC的整体运行方式与工作范围。最后，以220 kV双回线路为应用场景，在PSCAD/EMTDC平台仿真验证所提新型HPFC控制策略的有效性及其对潮流的控制能力。结果表明，所提新型HPFC能有效优化传统两电平电压源换流器（voltage source converter, VSC）输出谐波含量较高的缺陷，实现对潮流的大范围柔性控制，且针对目标潮流频繁变化的动态场景，HPFC也能快速精确地作出响应。

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多源自适应换相换流器（multi-source self-adaption STATCOM and line commutated converter, SLCC）技术能够改善常规高压直流（high-voltage direct current, HVDC）输电技术的固有缺陷，因此文中提出一种适用于“嵌入式”直流的对称单极型SLCC-HVDC拓扑及其控制策略，相较于常规直流方案具有一定的技术经济优势。文中从非换相阶段和换相阶段2个层面分析SLCC的工作原理，发现非换相期间，SLCC可通过静止同步补偿装置（static synchronous compensator, STATCOM）补偿电流直接控制馈入电网电流波形；换相期间，SLCC仍须从电网吸收换相电流，但可通过改变换相重叠角间接影响馈入电网电流波形。对比分析对称单极拓扑下常规换相换流器（line commutated converter, LCC）与SLCC的换相压降、直流电压、交流无功和谐波特性，可知SLCC-HVDC换相重叠角和换相压降均较常规LCC-HVDC更小，且交流侧无功功率可以平滑调节，暂态过程中SLCC换相重叠角波动更小，换相失败风险更低。SLCC-HVDC在不对称运行时谐波含量较常规LCC-HVDC更小，具备更为灵活的运行方式。

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为限制柔性直流阀过电压并吸收盈余能量，在白鹤滩—江苏±800 kV特高压混合级联直流输电工程中采用基于金属氧化物限压器的直流可控消能装置。该装置控制开关由3类控制开关并联构成，瞬态电流在3个控制开关之间的转移和分配对装置的安全运行至关重要。首先，分析控制开关运行工况及控制开关间的电流转移特性，对正弦半波电流波形下的电流转移特性开展理论计算与电磁暂态仿真。计算和仿真结果表明，快速开关合闸后，晶闸管支路电流可迅速转移到快速开关支路，晶闸管可靠关断。然后，通过合成试验回路实测控制开关间的电流转移特性，验证理论计算和仿真结果的准确性。试验中晶闸管关断时刻较电磁暂态仿真延迟约5.7 ms，主要原因为仿真与实际饱和电抗器非线性特性存在一定差异，导致晶闸管开关支路电流转移速率降低。调整饱和电抗器仿真参数后，该延迟减小至约1.8 ms。最后，依托白鹤滩—江苏特高压混合级联直流输电系统电磁暂态模型校核控制开关间的电流转移特性，极端工况下快速开关支路电流约为总电流的30%。

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针对低可观测性配电系统的谐波源定位问题，文中提出一种基于物理网架信息的谐波源分层定位方法。首先，针对配电网的物理网架特征，梳理径向拓扑下的谐波电压/电流分布规律。然后，优化布置量测点位以分割重构网架拓扑，并通过谐波电流路径辨识谐波源的个数及所在区段。最后，在目标区段内开展精确估计，从而实现对谐波源的精准定位。文中基于混合整数二次规划（mixed integer quadratic programming, MIQP）开展建模与求解，在MATLAB搭建仿真平台，以IEEE 33节点系统为算例开展仿真计算，验证所提方法的有效性和准确性。结果表明，文中所提谐波源分层定位方法可以解决贴合实际场景的谐波源定位问题，即在低可观测性配电系统中，在谐波源数量和位置均未知的情况下实现谐波源定位。

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广义负荷是指一个变电站供电范围内所有电气设备的总和，包括传统负荷、新型负荷、分布式电源和分布式储能等，其柔性成分可以划分为纯负荷类、纯电源类和储能类3类。广义负荷正逐渐成为国内外研究热点，对其进行功率建模是研究新型电力系统必不可少的一环，而目前综述大多面向负荷的电气模型，故文中对典型广义负荷柔性成分功率模型的研究现状进行综述和展望。首先，归纳广义负荷柔性成分建模方法，从建模原理阐述白箱、黑箱、灰箱模型的异同。然后，按照纯负荷类、纯电源类、储能类的先后顺序，对各类中最典型、面广量大的柔性成分功率模型进行白、黑、灰分类与评述，并对各类模型之间的差异进行综合比较。最后，对新型电力系统中广义负荷柔性成分建模的未来研究方向进行展望。

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为实现双通道无线电能传输（wireless power transfer, WPT）系统功率均衡和抗偏移能力提升，文中在传统的双层正交双D线圈结构的基础上，提出一种具有全向抗偏移能力的双通道磁耦合器。该耦合器在由X轴和Y轴构成的平面内任意方向平移时均具有强抗偏移能力。其发射侧和接收侧分别由两组解耦线圈组成，在一定偏移范围内，两组线圈间的互感对称，可实现双通道WPT系统的功率均衡。文中首先分析采用谐振补偿、失谐补偿和混合拓扑的双通道WPT系统对该类磁耦合器的共性要求；然后提出磁耦合器的设计方法并完成案例设计；继而利用有限元法仿真分析设计案例对各项指标的满足情况；最后研制磁耦合器样机并开展实验验证。结果表明，除极端偏移位置外，在X轴和Y轴方向100 mm偏移范围内，该磁耦合器的传输效率均保持在91.12%以上，且两通道输出功率之比均大于0.87，具有良好的功率均衡效果。

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干式变压器包封绝缘层热致缺陷的问题较为突出，为了及时检测干式变压器绕组绝缘材料的异常发热，文中提出一种用于干式变压器绕组包封绝缘层的无机示温涂层测温方法，并对其性能进行研究分析。文中采用液相法制备无机示温材料，通过傅里叶、热重差热等测试手段对示温材料进行结构和微观形貌表征，揭示示温材料变色原理。考虑变色温度范围与变色灵敏度，优选出示温材料最佳组分（草酸、草酸钾、碳酸钴）的质量配比。使用两种不同基漆制备示温涂层，并基于其变色、黏附、疏水及电气性能等要素优选涂层组分配比。结果表明，以RTV-Ⅱ为基漆的涂层变色温度为103~120 ℃，黏附性能为1级，各配比涂层静态接触角变色前后均大于100°，沿面闪络电压均大于9 kV/cm。当基漆：示温材料配比为10∶3时，涂层的综合性能最优。最佳配比涂层经60~80 ℃热老化168 h后，涂层的变色和耐电性能并未发生明显变化，研究成果可以为干式变压器组包封绝缘层热致缺陷温度检测与过热温度预警提供技术指导。

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为拓展超低频介损检测技术在电缆绝缘状态评估中的应用，提高超低频介电谱的测试效率，文中基于改进频域介电谱（improved frequency domain spectroscopy, iFDS）快速超低频介损测试仪，对热老化前后的交联聚乙烯（cross-linked polyethylene, XLPE）电缆绝缘介电性能进行测试研究，提出电缆绝缘热老化状态表征的新方法。首先，通过热老化实验制备不同老化程度的XLPE电缆绝缘试样。然后，对不同老化程度的XLPE试样进行超低频范围（10^-3~10³ Hz）的介电测试，发现超低频介电谱对XLPE绝缘状态变化敏感，介损值随着测试频率下降逐渐上升，试样老化越严重，超低频介损上升幅度越大，该方法抗干扰性强，能有效检测出绝缘老化的性能变化。通过介电理论分析，认为在超低频区域介损值急剧增大的主要原因为直流电导和界面极化的共同作用。最后，基于超低频介电谱与伏安特性的关联，提出采用包含激励电压、响应电流幅值和相位信息的伏安特性滞回曲线，对电缆绝缘老化状态进行评估，并提取偏转角变化率与曲线形变率作为特征量，表征电缆绝缘的老化状态。

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为更有效地引导综合能源系统内部可调资源的协调响应，文中提出一种基于机会约束的工业园区综合需求响应（integrated demand response, IDR）双层优化方法。首先，基于工业园区综合能源系统框架，设计一种激励型综合需求响应策略，并构建涵盖工业园区运营商、负荷聚合商和上级电网的响应互动框架；然后，为解决负荷响应不确定性问题，引入机会约束方法，提出空调-电解铝负荷协调响应策略，以提高系统响应可靠性；最后，以工业园区运营商为上层，负荷聚合商为下层，建立工业园区综合需求响应的双层优化模型，并采用粒子群算法嵌套Gurobi求解器进行求解。仿真结果表明，所提双层优化方法能够实现工业园区综合能源系统中能源转换设备与多元负荷的协同响应，减少工业园区响应成本，并提升系统综合需求响应可靠性与经济性。

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随着通信基站建设规模的增长和配电网供电可靠性的提高，基站备用储能资源普遍存在浮充闲置现象。分散低容的基站备用储能资源可以通过虚拟电厂（virtual power plant, VPP）的形式实现聚合利用。根据可用度指标计算通信基站动态最小备用时间，对单个基站备用储能的可调度容量进行准确评估。采用VPP技术有效聚合分布式基站备用储能可调度容量，以基站备用储能VPP为合格主体参与电力市场。构建基站备用储能VPP协同参与价格套利及调频辅助服务经济调度模型，以运营收益最大为目标制定经济调度策略。算例分析表明：相较于固定最小备用时间，采用动态最小备用时间评估可以提高基站备用储能可调度容量评估的准确性；基站备用储能VPP协同参与价格套利及调频辅助服务可以提高储能利用率和运营收益。

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基于虚拟同步发电机（virtual synchronous generator, VSG）控制的微电网在并离网模式切换过程中，易产生冲击电流和电压偏移，进而导致有功功率和频率的波动，影响系统的安全稳定运行。为了解决上述问题并实现微电网并离网的无缝切换，文中深入研究VSG的基本控制原理和线性自抗扰控制（linear active disturbance rejection control, LADRC）算法，对LADRC的二阶模型进行简化，将其引入VSG的有功-频率控制环节，替换传统相位预同步单元中的比例-积分（proportional-integral, PI）控制器，以VSG的输出频率作为LADRC的输出、额定频率作为LADRC的输入，同时调节频率和相位，既实现了电网电压相位和频率的同步，又降低了并网时冲击电流和电压偏移的影响，避免因合闸冲击过大导致并网过程不稳定，最终实现微电网并离网模式的无缝切换。最后，通过搭建MATLAB/Simulink仿真模型，将所提策略与无预同步直接并网、传统预同步控制策略进行对比验证，结果表明该控制策略对冲击电流和电压波动的抑制效果更显著，功率跟踪精度更高，且并离网切换的平稳性更佳。

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随着新型电力系统的建设，源-荷不确定性及相互耦合问题更加凸显，电力系统分析需要充分考虑不确定性因素对概率潮流的影响。针对目前传统随机响应面法（stochastic response surface method, SRSM）在概率潮流计算中存在模型精度高度依赖样本数量的问题，文中提出在总样本中使用随机降阶法（stochastic reduced order method, SROM）提取重要样本用于构建计算模型，保证概率潮流计算较好的准确度。为充分考虑源-荷不确定性变量在空间上的相关特征与非线性关系，利用Kriging法对SRSM进一步改进，建立更准确的概率潮流计算模型。此外，采用全局灵敏度分析方法，建立灵敏度指标，计算概率潮流的输出变量对输入随机变量的灵敏度，以量化源-荷不确定性对配电网运行状态变量的影响。最后通过算例仿真，验证了结合SROM与Kriging法优化SRSM，在构建概率潮流计算模型方面的可行性和有效性。

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功率等级提升是电动汽车无线充电系统（wireless charging system, WCS）的重要发展方向。为在提升功率等级的同时兼顾抗偏移性能，文中基于可提升系统抗偏移能力的综合最优负载研制大功率S-S拓扑WCS样机。首先，通过对补偿拓扑的折算，将S-S和LCC-LCC拓扑WCS纳入同一等效电路以对比其功效特性，并考虑成本、功率密度和可靠性等，评估S-S拓扑用于大功率WCS的优势；然后，提出一种考虑泊车位置统计特性的综合最优负载配置方法，采用有限元法仿真对比不同负载下的效率特性，从而验证综合最优负载下效率期望最高且能一定程度提升效率均值，减缓因线圈偏移引起的效率下降；最后，研制22 kW的S-S拓扑WCS样机并开展实验验证。结果表明，综合最优负载下磁耦合器效率期望最高，在不同偏移情况下均稳定于95%左右，其中横向偏移200 mm时为94.688%，仅比正对时低0.464%，验证了综合最优负载提升抗偏移能力的有效性。文中研究成果可为提升大功率无线充电系统抗偏移能力提供理论支撑。