柔性低頻交流輸電關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

趙國亮，陳維江，2，鄧占鋒，于弘洋，徐云飛，趙澤昕

（1. 先進輸電技術(shù)國家重點實驗室（國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司）,北京市 102209；2. 國家電網(wǎng)有限公司,北京市 100031；3. 中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京市 100192）

0 引言

交流輸電具有電磁感應(yīng)變壓和電流過零開斷等特點,易于變換電壓等級與大規(guī)模組網(wǎng)。自1891 年德國建成勞芬-法蘭克福13.8 kV 三相交流輸電系統(tǒng)至今,基于50 Hz 或60 Hz 的三相工頻交流輸電系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用,最高電壓等級已達1 000 kV［1］。但在遠距離輸電情況下,工頻交流輸電電壓偏差與損耗都較大,長電纜線路電容升壓效應(yīng)明顯。直流輸電不受線路電抗約束,適用于遠距離大容量電能傳輸［2］。自20 世紀50 年代瑞典建成哥特蘭島直流輸電工程至今,基于晶閘管的高壓直流輸電最高電壓等級已達±1 100 kV［3］,中國已建成25 回跨區(qū)高壓直流輸電線路?；陔妷涸葱蛽Q流器（voltage source converter,VSC）的柔性直流輸電具備動態(tài)電壓支撐、潮流快速靈活控制等功能,可提升電網(wǎng)的調(diào)控能力。目前,中國已建成舟山、廈門等柔性直流工程以及世界首個±500 kV 柔性直流電網(wǎng)［4］,但直流輸電存在故障電流開斷、直流變壓等難題［5］。在直流與工頻之間選擇合適的輸電頻率,既能降低線路阻抗對功率傳輸?shù)挠绊?又能保留交流輸電的電磁感應(yīng)變壓、電流過零開斷等優(yōu)點。在長電纜線路輸電、大規(guī)模新能源匯集等場景中,低頻交流輸電將成為工頻交流和直流輸電的有益補充。采用高壓大容量電壓源型換流器構(gòu)成柔性低頻交流輸電系統(tǒng),具有類似柔性直流輸電的電網(wǎng)靈活調(diào)控能力,是值得深入研究的新型輸電技術(shù)。

20世紀初,德國、瑞典等國家提出并采用50/3 Hz單相發(fā)電機組,構(gòu)建了單相低頻鐵路牽引供電系統(tǒng)并沿用至今,解決了牽引供電系統(tǒng)電刷壽命及電壓波動等問題。文獻［6］提出由低轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機與倍頻變壓器構(gòu)成50/3 Hz 的分頻輸電系統(tǒng),提升了水電外送線路的輸電能力；此后,進一步分析了分頻輸電系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢,開展了主要輸電設(shè)備低頻下的適用性分析等理論研究工作,并指出變頻裝置也可采用電力電子型換流器［7-8］,并進行了物理實驗驗證。文獻［9］構(gòu)建了基于半控型器件周波變換器（cycloconverter）的低頻輸電系統(tǒng),并進行了仿真驗證；文獻［10-11］也開展了基于半控型器件周波變換器的低頻輸電技術(shù)研究。文獻［12］提出了基于全控型器件的模塊化多電平矩陣換流器（modular multilevel matrix converter,M3C）拓撲,該換流器無須同步電源支撐,克服了周波變換器存在的換相失敗、諧波含量高以及吸收大量無功功率等問題。隨著M3C 控制及應(yīng)用技術(shù)的深入研究,中國、美國、丹麥、德國、愛爾蘭、日本、英國等多國學(xué)者開展了基于該換流器的低頻交流輸電技術(shù)研究,主要聚焦在50/3 Hz 低頻交流輸電在海上風(fēng)電送出場景,包含電纜線路阻抗及容升特性分析［13-14］、系統(tǒng)初步構(gòu)成［15-17］、經(jīng)濟性概算評估［18-20］等研究工作?；陔妷涸葱蛽Q流器的柔性低頻交流輸電系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景,值得進一步開展工程化應(yīng)用等技術(shù)研究。

本文論述了柔性低頻交流輸電系統(tǒng)拓撲與特性、典型應(yīng)用場景、低頻輸電設(shè)備關(guān)鍵性能分析以及需要深入開展的研究工作,為柔性低頻交流輸電的工程應(yīng)用提供了參考。

1 柔性低頻交流輸電系統(tǒng)拓撲與特點

1.1 電壓源型交交換流原理

M3C 結(jié)合傳統(tǒng)矩陣變換器與模塊化級聯(lián)方式實現(xiàn)交交換流,其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。M3C 采用全橋型子模塊構(gòu)成多組星形接法的級聯(lián)型多電平換流器,每組換流器通過星形中性點產(chǎn)生低頻電壓,實現(xiàn)三相-單相的交交換流。三相-三相交交換流拓撲如圖1（a）所示,等效的三組星形換流器的輸出電壓可獨立控制,通過120°相位差實現(xiàn)三相-三相交交換流［21］。除此之外,M3C 也可由兩組星形換流器構(gòu)成電壓相位差為180°的三相-兩相交交換流,用于兩相交流輸電,拓撲結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。相比于三相交流輸電,可以減少一相線路,系統(tǒng)組成更加經(jīng)濟、靈活。圖中:Ux、ix為M3C 工頻側(cè)的電壓、電流；Uy、iy為低頻側(cè)的電壓、電流；ixy為橋臂電流；x=a,b,c,y=u,v,w。

圖1 基于M3C 的交交換流拓撲Fig.1 Topology of M3C based AC/AC converter

M3C 采用與模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）相同的多電平級聯(lián)技術(shù),易于高壓、大容量擴展；相較于背靠背MMC（back-to-back MMC,BTB-MMC）的交直交換流拓撲,M3C 采用無直流環(huán)節(jié)的直接型交交換流,其所需的橋臂、子模塊以及開關(guān)器件數(shù)量更少,子模塊的電容器容值更低［22］,低頻系統(tǒng)下?lián)Q流器運行性能更佳,成本更低；同時,M3C 適用于工頻、低頻輸出電壓等級相近的場景,可與變壓器配合應(yīng)用［23］,尤其適用于高電壓等級、大容量柔性低頻交流輸電系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)拓撲

柔性低頻交流輸電技術(shù)可通過M3C 構(gòu)成兩相、三相交流輸電系統(tǒng),構(gòu)建單端、雙端以及多端等典型系統(tǒng)拓撲,滿足不同場景需求。具體拓撲見圖2。

在購置實驗教學(xué)儀器設(shè)備之前，應(yīng)該有詳細的購置計劃，盡量避免購買重復(fù)的實驗器材，合理地利用實驗建設(shè)經(jīng)費，在列采購清單前一定進行以下幾項：首先，查看現(xiàn)有的實驗設(shè)備是否滿足實驗需求，其次，統(tǒng)計實驗室提出的設(shè)備購置申請，最后請專家按照教學(xué)大綱合理地對采購清單進行審核修改，交到財務(wù)部門進行審核，審核通過后給予采購。

圖2 柔性低頻交流輸電典型拓撲Fig.2 Typical topology of flexible low-frequency AC transmission

滅弧介質(zhì)的零前電導(dǎo)如圖4 所示,圖中G500和G200分別表示500 ms 和200 ms 的零前電弧電導(dǎo)。電導(dǎo)隨頻率降低而減小,利于介質(zhì)恢復(fù),降低了電弧重燃的可能性,便于斷路器開斷。

1.3 系統(tǒng)特點

1）系統(tǒng)靜態(tài)特性

柔性低頻交流輸電系統(tǒng)通過降低頻率,可降低線路感抗。對于采用架空線的輸電方式,其傳輸能力主要由靜穩(wěn)極限決定,頻率降低可大幅提升靜穩(wěn)極限,從而提高系統(tǒng)傳輸能力；對于采用電纜的輸電方式,傳輸能力主要由熱穩(wěn)極限決定,頻率降低可大幅降低電纜的充電無功,并提高電纜的載流量,提高傳輸能力。此外,頻率降低還可減少電壓跌落。

2）系統(tǒng)柔性調(diào)控特性

但由于環(huán)衛(wèi)設(shè)施及綠化景觀配套落后、缺乏建筑風(fēng)貌整體規(guī)劃等原因，村莊景觀風(fēng)貌較差，沿公路兩側(cè)部分住戶墻體有隨意亂貼的廣告、農(nóng)家雜物隨意堆放、部分建筑外立面及圍墻破敗不堪等現(xiàn)象嚴重影響村莊景觀風(fēng)貌。

頻率的變化也會引起電纜載流量的變化,如式（6）所示［35］。

此外,針對目前新型電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,系統(tǒng)的柔性調(diào)控特性可進一步挖掘。系統(tǒng)中的交交換流器可作為虛擬同步機運行,提升系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和慣量支撐,并可為電網(wǎng)提供電壓和頻率基準,使系統(tǒng)具備黑啟動能力及孤島供電能力。在故障下,柔性低頻交流輸電系統(tǒng)具備對工頻電網(wǎng)的動態(tài)無功補償和電壓支撐能力,無須額外增加無功補償設(shè)備。同時,柔性低頻交流輸電系統(tǒng)可通過對交交換流器的靈活控制,實現(xiàn)工、低頻端口的寬頻域阻抗重塑,抑制系統(tǒng)中的次/超同步振蕩問題。

2 應(yīng)用場景分析

2.1 海上風(fēng)電送出

海上風(fēng)電作為具有開發(fā)潛力的可再生能源之一,受到世界能源行業(yè)的高度重視［24］。近年來,中國沿海省份相繼確定了大規(guī)模海上風(fēng)電開發(fā)計劃,離岸距離由幾十公里向百公里以上的中遠海推進。綜合考慮中國相關(guān)政策及建設(shè)經(jīng)濟性,單風(fēng)電場的裝機容量多為300～500 MW。中國2020 年投運與在建的海上風(fēng)電場數(shù)量統(tǒng)計如表1 所示［25］。

表1 中國2020 年投運與在建的海上風(fēng)電場數(shù)量統(tǒng)計Table 1 Statistics on number of offshore wind farms in operation and under construction in China in 2020

目前,中國海上風(fēng)電主要采用工頻交流輸電送出方式。受海底電纜充電功率影響,輸電距離超過70 km 后,工頻交流輸電在上述典型容量下需配置多回海纜線路或增設(shè)海上無功補償平臺［26］,但海纜線路及海上平臺受海洋軍事、航線等規(guī)劃影響,資源緊張；若采用柔性直流輸電技術(shù),則無充電功率引發(fā)的無功補償問題,但需增設(shè)海上換流平臺,增加了系統(tǒng)投資與維護成本。因此,如何提升海纜線路的輸送能力、節(jié)約海域資源占用,同時降低送出系統(tǒng)造價及運維費用是海上風(fēng)電送出系統(tǒng)發(fā)展的迫切需求。

柔性低頻交流輸電應(yīng)用于海上風(fēng)電送出場景的系統(tǒng)架構(gòu)如附錄A 圖A2 所示。海上風(fēng)機變流器直接輸出低頻電能,經(jīng)低頻交流匯集升壓后,由海纜線路送至岸上,通過岸上換流器頻率變換后,并入工頻電網(wǎng),無須在海上增設(shè)無功補償平臺或換流平臺。

柔性低頻交流輸電通過降低系統(tǒng)頻率,可大幅減小海纜線路充電功率；同時,頻率降低可明顯減少海纜損耗（尤其是護套環(huán)流引起的損耗）；此外,并網(wǎng)電壓柔性調(diào)控功能可進一步提升系統(tǒng)輸送能力。本文分別以220 kV、330 kV 單回3×1 200 mm2海纜送出系統(tǒng)為對象,建立其在不同頻率下的送出系統(tǒng)模型。以海纜沿線電壓及載流量為約束條件并結(jié)合海纜的傳輸線方程,如式（1）所示。計算得出不同頻率下的系統(tǒng)輸電能力,如附錄A 圖A3 所示。

工頻交流送出方式下,隨著輸電距離增加,輸送功率快速下降；海纜充電功率與輸電電壓的平方成正比,電壓等級越高則功率輸送的極限距離越短。電壓等級為220 kV、輸送距離為70 km 時,輸送功率為300 MW；輸送距離變?yōu)?00 km 時,輸送功率降至200 MW；輸送距離變?yōu)?60 km 時,輸送功率降低為接近零。電壓等級為330 kV、輸送距離為70 km 時,輸送功率為460 MW；輸送距離變?yōu)?00 km 時,功率降低為接近零。在系統(tǒng)頻率為20、16.67、12.5 Hz 情況下,電壓等級為220 kV,輸送距離為200 km 的柔性低頻交流輸電系統(tǒng)輸送功率可分別達400、420、450 MW；電壓等級為330 kV 時,輸送功率分別達560、600、650 MW。可見,采用20 Hz 及以下的柔性低頻交流輸電,顯著提升了單回海纜輸送能力,可實現(xiàn)中遠距離海上單風(fēng)電場的單回海纜送出。

以國內(nèi)某海上風(fēng)電項目為例,設(shè)計柔性低頻送出系統(tǒng)方案,并與現(xiàn)有柔性直流送出方案進行經(jīng)濟性對比。該項目風(fēng)電場裝機總?cè)萘繛? 100 MW,海纜線路長度約為100 km。設(shè)計柔性低頻送出系統(tǒng)電壓等級為330 kV、頻率為20 Hz,采用2 回3×1 200 mm2交流海纜,接入陸上換流站。柔性直流送出系統(tǒng)電壓等級為±400 kV,經(jīng)海上換流站整流后,通過2 根1×1 600 mm2直流海纜,接入陸上換流站。為了將2 種方案進行對比分析,主要考慮一次投資費用與運維費用。一次投資包括換流站、升壓站和海纜,采用文獻［20］的計算方法結(jié)合實際工程數(shù)據(jù)進行擬合估算,如表2 所示。該項目若采用柔性低頻送出方案,可較柔性直流送出方案節(jié)省約4.4 億元的投資費用。運維費用主要考慮海上換流站的運維,由于柔性低頻送出系統(tǒng)無海上換流站,因此,每年可省去近億元的海上運維費用［18］。總體來看,海上風(fēng)電經(jīng)柔性低頻系統(tǒng)送出經(jīng)濟性可觀。此外,在該工程條件下,柔性低頻輸電與柔性直流相比的等價經(jīng)濟距離為257 km,在該距離范圍內(nèi),柔性低頻方案更具經(jīng)濟優(yōu)勢。

表2 柔性低頻與柔性直流送出方案投資對比Table 2 Investment comparison between flexible lowfrequency and flexible DC transmission schemes

在海上風(fēng)電送出場景中,柔性低頻系統(tǒng)相較于交流輸電,其輸送能力更強,輸送的極限距離更遠,并且具備柔性調(diào)控能力；相較于柔性直流輸電,在一定輸送容量和距離的范圍內(nèi),其經(jīng)濟性更好。因此,結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟等綜合因素考慮,柔性低頻系統(tǒng)可以滿足中遠距離海上風(fēng)電高效匯集送出的需求。

2.2 海島互聯(lián)供電

離岸距離較遠的海島群通過交流海纜實現(xiàn)島嶼互聯(lián),構(gòu)成島群互聯(lián)電網(wǎng),并通過海纜線路與陸上主網(wǎng)相連,海纜用量較大。受海纜線路充電功率與護套損耗等因素影響,海纜線路有效載流量受限［27］,同時線路末端供電電壓偏差受相關(guān)標(biāo)準約束,海島互聯(lián)海纜線路輸送能力受限［28］。此外,海島新能源的并網(wǎng)對海島互聯(lián)電網(wǎng)的柔性調(diào)節(jié)功能也提出了新的要求。

柔性低頻交流輸電可應(yīng)用于海島互聯(lián)供電場景中。一方面,系統(tǒng)頻率降低,可減少海纜線路充電功率和護套損耗,提升海纜線路有效載流量,還可以通過靈活控制低頻側(cè)電壓解決線路兩端電壓越限問題,從而大幅提升現(xiàn)有電壓等級線路的輸電能力。同時,僅需在現(xiàn)有的變電站內(nèi)加裝交交換流器。由于電壓等級和容量都相對較低,換流器可借鑒常規(guī)大功率風(fēng)電變流器的交交變頻技術(shù),其成熟度和經(jīng)濟性較好,相對于采用更大截面的海纜線路和整體提高系統(tǒng)電壓等級更能節(jié)省工程投資。另一方面,基于柔性低頻交流輸電技術(shù)組成的海島互聯(lián)電網(wǎng),具有靈活調(diào)控等柔性控制功能,便于島上新能源接入,也可實現(xiàn)與陸上主網(wǎng)的柔性互動,進一步提升系統(tǒng)供電能力。

2.3 陸上大規(guī)模新能源發(fā)電匯集送出

中國北部和西部等地區(qū)的風(fēng)能、太陽能資源十分豐富,已建成一批大型新能源電站。目前,主要采用工頻匯集與送出方式,但其控制靈活性不足,受并網(wǎng)點電壓波動影響,存在新能源機組大面積脫網(wǎng)的風(fēng)險。同時,未來新能源開發(fā)將向著戈壁、沙漠等無人區(qū)發(fā)展,距離主網(wǎng)更遠,其送出并網(wǎng)穩(wěn)定問題將更加突出［29-30］。

發(fā)展健身休閑產(chǎn)業(yè)，是滿足人民群眾日益多元化休閑需求的重要途徑，是促進全民健身的重要探索。從供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革出發(fā)，結(jié)合廣西各地市產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際情況，研究如何減少無效和低端供給，實現(xiàn)供給擴容、供給主體壯大、供給方式創(chuàng)新、供給環(huán)境優(yōu)化，有利于廣西健身休閑產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。休閑健身產(chǎn)業(yè)涵蓋健身服務(wù)、設(shè)施建設(shè)、器材裝備制造等業(yè)態(tài)，目前在器材裝備制造方面的研究較少，可作為今后深入研究的方向，為廣西健身休閑產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

例如,中國西藏地區(qū)清潔能源豐富,但本地電源開發(fā)不足,區(qū)外聯(lián)網(wǎng)通道送電占比高,任一通道故障都會產(chǎn)生較大的有功功率缺額。同時,西藏地區(qū)地域遼闊、負荷分散,長鏈式弱互聯(lián)輸電通道送電能力低,電壓、頻率、功角穩(wěn)定問題突出；電力電子化特征明顯,本地慣量支撐能力嚴重不足,外聯(lián)通道弱互聯(lián),藏中負荷中心空心化嚴重。采用柔性低頻交流輸電技術(shù),可以提高西藏地區(qū)和相同類型地區(qū)電網(wǎng)的新能源基地以及水光互補基地電源的大范圍匯集與送電能力。通過低頻化降低線路阻抗可以提高交流電網(wǎng)強度,從而提高新能源消納能力、并網(wǎng)穩(wěn)定水平以及本地電源電力供應(yīng)水平,同時減少區(qū)外聯(lián)網(wǎng)通道供電壓力,彌補工頻匯集/輸電能力受限以及柔性直流/直流組網(wǎng)困難、經(jīng)濟性和可靠性不足的問題。此外,柔性低頻輸電采用電壓源型換流器,可為該地區(qū)提供功率控制、無功補償、動態(tài)電壓支撐等柔性調(diào)節(jié)功能,提高電網(wǎng)尤其是負荷中心的安全穩(wěn)定運行水平,有利于支撐大規(guī)模新能源跨區(qū)遠距離送出,并且可實現(xiàn)工頻電網(wǎng)間的交流異步互聯(lián)。

2.4 城市電網(wǎng)分區(qū)柔性互聯(lián)

綜上所述,高壓大容量M3C 的研發(fā)可借鑒靈活交流輸電用換流技術(shù),換流閥模塊的制造工藝較為成熟,但仍需通過控制策略優(yōu)化和溫度場優(yōu)化設(shè)計等措施,來解決低頻分量引入帶來的模塊間能量均衡和IGBT 結(jié)溫波動問題。

將柔性低頻交流輸電技術(shù)應(yīng)用于城市電網(wǎng),一方面,可實現(xiàn)分區(qū)電網(wǎng)的柔性互聯(lián),增加供電可靠性；另一方面,將局部電網(wǎng)改造為柔性低頻電網(wǎng),可降低電纜線路充電功率,抑制電網(wǎng)電壓波動及無功倒送,提升電網(wǎng)供電能力。城市柔性低頻局域電網(wǎng)如附錄A 圖A4 所示。

3 主要設(shè)備性能分析

3.1 M3C

M3C 是目前較適用于高壓大容量柔性低頻輸電技術(shù)的交交換流器,其采用H 橋模塊級聯(lián)技術(shù),該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于靈活交流輸電等領(lǐng)域。其中,靜止同步補償器（static synchronous compensator,STATCOM）單機容量已超百兆乏,為大容量M3C的研制提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

然而,流過M3C 的電流包含工頻、低頻2 種不同頻率的交流分量,換流器中子模塊電容器的電壓波動及絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）的運行結(jié)溫波動等問題復(fù)雜。設(shè)兩側(cè)系統(tǒng)的頻率分別為ω1和ω2,換流器子模塊電容電壓中會出現(xiàn)2ω1、2ω2、ω1+ω2及ω1―ω2頻率波動分量［32］,使其模塊間的能量均衡難度進一步增大,且各橋臂間存在復(fù)雜的環(huán)流分量,橋臂電流控制困難。此外,IGBT 的結(jié)溫波動幅值與系統(tǒng)頻率呈負相關(guān),因此,換流器中IGBT 結(jié)溫的波動幅值將高于常規(guī)換流器,降低了IGBT 運行的可靠裕度。

中國省級電網(wǎng)以500 kV 電壓等級為主,通過降壓至220 kV 為大型城市供電,由于普遍采用分區(qū)解環(huán)方式運行,影響了電網(wǎng)供電可靠性［31］。城市電網(wǎng)線路以電纜為主,充電功率大,存在電壓越限及無功倒送問題。

3.2 變壓器

低頻變壓器的體積、重量與損耗是影響柔性低頻交流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟性的重要因素。變壓器的重量和體積主要由鐵芯截面和繞組匝數(shù)決定［33］。根據(jù)工頻變壓器設(shè)計經(jīng)驗,變壓器鐵芯直徑D與容量關(guān)系如式（2）所示。

關(guān)于汽車輕量化的定義，不能僅以減輕質(zhì)量多少來衡量，同時需要考慮設(shè)計車身的尺寸以及功能.主要可以從以下3個方面進行論述：①滿足使用功能的汽車通過減輕質(zhì)量實現(xiàn)輕量化設(shè)計；②功能不能完全滿足使用要求的汽車通過完善功能實現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計，比如改進動力學(xué)性能、NVH(Noise、Vibration、Harshness)性能等；③提高和改進性能的同時也使汽車減輕質(zhì)量從而實現(xiàn)汽車輕量化.除去減輕質(zhì)量外，汽車的輕量化設(shè)計還包含優(yōu)化結(jié)構(gòu)和價格合理化.

由式（2）可知,在其他參數(shù)都不變的條件下,變壓器的鐵芯直徑與頻率的4 次開方成反比,即D∝1/4f。

變壓器損耗包括鐵芯損耗和繞組損耗,其中鐵芯損耗密度Pv隨頻率的變化關(guān)系為:

式中:ρr為導(dǎo)線的電阻率；m為導(dǎo)線根數(shù)；b為繞組沿軸向的段數(shù)；α為導(dǎo)線厚度；A為單根導(dǎo)線凈截面。

根據(jù)上述理論分析,以300 MW 風(fēng)電場典型配置2×220 kV/180 MV?A 變壓器（短路阻抗14%）為例,變壓器重量、體積與頻率的關(guān)系如圖3 所示。變壓器的重量、體積隨頻率降低而增加,頻率下降至20 Hz 后,變壓器重量、體積快速增加。以20 Hz 為例,低頻變壓器空載損耗較工頻降低57%,負載損耗增加約61%。

圖3 變壓器重量、體積與頻率的關(guān)系Fig.3 Relationship between transformer weight,volume and frequency

由經(jīng)典型設(shè)計結(jié)果可知,低頻下變壓器空載損耗有所降低,變壓器負載損耗有所提升,但對變壓器整體的生產(chǎn)制造影響不大,其優(yōu)化設(shè)計仍需綜合考慮負載損耗約束、變壓器阻抗選擇、重量與體積限制等多方面因素。

3.3 斷路器

與工頻斷路器相比,低頻斷路器的燃弧能量和介質(zhì)恢復(fù)2 個方面的性能指標(biāo)受影響顯著［34］。

斷路器開斷過程中,燃弧能量Ea與頻率f的關(guān)系如式（5）所示。燃弧能量隨頻率降低而增加,對滅弧室提出較高要求,不利于斷路器開斷,面臨著較長時間的燃弧開斷問題。

任何事情的學(xué)習(xí)都來自于興趣，因為興趣是促進學(xué)生學(xué)習(xí)的最強動力，能夠有效地開發(fā)學(xué)生的思維能力和學(xué)習(xí)欲望，以此達到高效的學(xué)習(xí)質(zhì)量。因此，在教學(xué)過程中，教師要學(xué)會用語言去贊美和鼓勵學(xué)生，以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是教師和學(xué)生之間也是存在一定差異的，因為他們的審美和思維方式有著極大的不同，所以，這時就需要教師認真傾聽學(xué)生的想法，并且要鼓勵學(xué)生表達出自己內(nèi)心的想法。

式中:uarc為電弧電壓；isc為斷路器開斷電流；T為燃弧時間。

1）嚴格執(zhí)行入河排污口設(shè)置申批程序。取締非法入河排污口，對不達標(biāo)或未經(jīng)處理的廢污水嚴禁入河，控制各水域的排污總量不得超過其水功能區(qū)的限制排污總量。

其中,圖2（a）所示的單端系統(tǒng)拓撲可用于風(fēng)電、光伏等低頻電源并網(wǎng)與送出,電源側(cè)并網(wǎng)逆變器可直接輸出低頻交流電能。因此,只需在工頻并網(wǎng)點建設(shè)一座交交換流站,即可實現(xiàn)電能大容量、遠距離的傳輸。圖2（b）所示的雙端系統(tǒng)拓撲可實現(xiàn)異步工頻電網(wǎng)互聯(lián),滿足潮流跨區(qū)域互濟需求。圖2(c)所示的多端系統(tǒng)拓撲可實現(xiàn)不同形式的源、荷、儲互聯(lián)互補。

圖4 不同頻率下的斷路器零前電弧電導(dǎo)Fig.4 Arc conductance of circuit breaker before current zero with different frequencies

綜上所述,在一定的低頻范圍內(nèi)電纜絕緣性能變化不明顯,但降低頻率可提升海纜線路的載流能力,在海上風(fēng)電匯集外送、城市電網(wǎng)、海島互聯(lián)等長電纜線路場景中應(yīng)用柔性低頻交流輸電,可大幅提升線路熱穩(wěn)極限。

3.評估效力。為了促進和解合意的達成，該制度盡量鼓勵當(dāng)事人展示各自的觀點和信息，但當(dāng)事人又會擔(dān)心展示的信息會暴露給對方或被法官知悉后形成先入為主的判斷。因此，該制度特別強調(diào)，若當(dāng)事人堅持選擇用訴訟解決此糾紛，在早期中立評估程序中所獲知的信息將不具有證據(jù)效力。根據(jù)聯(lián)邦或州法院規(guī)則，評估人唯一可以做出的是發(fā)表“不服從原計程序”(noncompliance with program procedures)的報告，說明當(dāng)事人起初選定了早期中立評估，但沒能達到解決糾紛的目的，所以提起訴訟?！?2〕

3.4 電纜

柔性低頻交流輸電下,電纜材料的絕緣性能與損耗特性是其最主要的性能指標(biāo)。

盡管證明公式不是好的問題，但還是花時間讓學(xué)生證明，這是回避不了的，其中①②求角的正弦和余弦的證明方法，是為后面的探究做準備，這種準備的功效在思路6上得以體現(xiàn)，可以說，沒有這個準備，學(xué)生不可能想到思路6，而沒有思路6，前面的準備也失去意義．教學(xué)中首先要順應(yīng)學(xué)生的思維習(xí)慣，幫助學(xué)生學(xué)會思考，同時還要不斷發(fā)展學(xué)生的思維，用新的方法、新的思想豐富學(xué)生的思維，促進學(xué)生不斷更新、完善自己的認知結(jié)構(gòu)．思路6就是基于這種考慮的產(chǎn)物．

電纜絕緣性能主要取決于絕緣材料的擊穿特性。交聯(lián)聚乙烯絕緣材料在20～80 Hz 的變頻擊穿試驗電壓分布如圖5 所示。結(jié)果表明,在20～80 Hz范圍內(nèi),交聯(lián)聚乙烯絕緣材料擊穿場強變化較小,工頻電纜絕緣性能可適用于低頻環(huán)境。

目前的圖形密碼，組成圖形均為3*3的正方形(下文稱“3*3式”)，在密碼的規(guī)則上，也均為在3*3圖形中九個點之間相互連線。此種圖形密碼所包含的元素點僅9個，規(guī)則也較單一，轉(zhuǎn)換成的密文過于簡易，被密鑰解析法破解時所用時間也較短。另外，圖形密碼目前為止只有3*3式應(yīng)用較廣，其余的圖形幾乎沒有被嘗試。除數(shù)字密碼和3*3式圖形密碼安全性的比較以外，將3*3式與其他圖案在安全性上相比較也是必要的?；谏鲜隹紤]，研究以下問題：

圖5 交聯(lián)聚乙烯材料擊穿強度隨頻率的變化Fig.5 Variation of breakdown strength of XLPE with frequency

柔性低頻交流輸電系統(tǒng)具備四象限運行能力,在進行系統(tǒng)頻率變換的同時,還可通過對輸出電壓幅值與相位的靈活控制,實現(xiàn)工頻和低頻系統(tǒng)的潮流控制、動態(tài)無功補償、電壓支撐等柔性調(diào)控功能,如附錄A 圖A1 所示。同時,其特殊的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法可對工頻、低頻兩側(cè)進行解耦控制,實現(xiàn)異頻系統(tǒng)或區(qū)域電網(wǎng)的柔性互聯(lián)。

式中:Ic為電纜的載流量；Δθ為導(dǎo)體溫度與環(huán)境溫度的差值；T1～T4為導(dǎo)體與護套之間、護套與鎧裝之間、防腐蝕層以及電纜表面與周圍空氣之間的熱阻；n為導(dǎo)體數(shù)量；λ2為鎧裝損耗率。此外,材料介電損耗Wd、導(dǎo)體交流電阻R、護套損耗λ1等參數(shù),隨電纜輸電頻率降低而減小,可顯著提升電纜載流量。

以海纜線路為例,由于其無法采用分割導(dǎo)體,降低頻率可減弱肌膚效應(yīng)影響,降低導(dǎo)體交流電阻,并提升海纜線路電流密度；其次,海纜線路無法采用交叉互聯(lián)的方式,降低頻率可大幅降低海纜護套環(huán)流,從而降低護套損耗；同時,降低頻率可降低海纜鎧裝損耗。通過降低交流電阻、護套損耗、鎧裝損耗,可有效提升海纜線路的載流能力。

低頻斷路器的設(shè)計需結(jié)合其在電網(wǎng)中的實際運行工況,分析獲得低頻斷路器的開斷約束。當(dāng)M3C作為低頻電壓源時,對斷路器開斷電流幅值或時間的要求較低,燃弧能量和零前電導(dǎo)較工頻顯著降低,低頻斷路器較工頻斷路器無須提高滅弧能力；當(dāng)系統(tǒng)中存在低頻同步電源時,可采用選相與快速開斷技術(shù)相結(jié)合的方式,大幅降低燃弧能力要求,提升現(xiàn)有工頻滅弧室在低頻系統(tǒng)中的應(yīng)用性能；也可利用磁流體動力學(xué)電弧模型,開展開斷能力的仿真分析,并對斷路器滅弧室與吹弧機構(gòu)進行改造。綜上所述,低頻下斷路器的開斷問題在技術(shù)上是可以攻克的。

式中:K為鐵芯直徑經(jīng)驗系數(shù)；P′為變壓器的每柱容量；?k為等效漏磁通；ρ為羅氏系數(shù)；k為橫向漏磁通引起的附加電抗系數(shù)；f為工作頻率；Hk為繞組平均電抗高度；Ux為繞組電抗壓降百分數(shù)；Bm為最大磁感應(yīng)強度。

4 需要深入開展的研究工作

柔性低頻交流輸電技術(shù)的研發(fā)是一項系統(tǒng)性工程,涉及不同頻率下的系統(tǒng)分析、設(shè)備研制與工程驗證。為進一步推動柔性低頻交流輸電技術(shù)的工程化應(yīng)用,還需突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 計及頻率優(yōu)選的系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

輸電頻率是柔性低頻交流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù),頻率改變對設(shè)備特性和造價影響巨大。系統(tǒng)構(gòu)建和經(jīng)濟評估需考慮設(shè)備、系統(tǒng)特性影響,且不同應(yīng)用場景下系統(tǒng)構(gòu)建的拓撲形式、電源結(jié)構(gòu)等均具有特殊性。以海上風(fēng)電送出場景為例,不同的海上風(fēng)電資源、陸上并網(wǎng)點及負荷分布使得風(fēng)電匯集系統(tǒng)及送出系統(tǒng)的構(gòu)建更加復(fù)雜；考慮不同匯集送出網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的運維成本,系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃的難度將進一步提升。因此,需要結(jié)合具體典型場景,對海上風(fēng)電資源特性、陸上并網(wǎng)點及負荷分布進行區(qū)域分析聚類,建立以頻率為決策變量、系統(tǒng)建設(shè)與運行費用最小為目標(biāo)的全頻段投資運行成本數(shù)學(xué)模型,計及設(shè)備制造等關(guān)鍵約束,研究柔性低頻交流輸電的經(jīng)濟適用范圍,分析柔性低頻交流輸電系統(tǒng)技術(shù)與經(jīng)濟適用性,提出具有普適性的輸電頻率優(yōu)選規(guī)范。進而,考慮交交換流站、海上升壓站定期檢修和元件冗余配置策略,研究柔性低頻海上匯集送出系統(tǒng)的可靠性評估模型及指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上,可構(gòu)建綜合考慮可靠性、穩(wěn)定性等多維度約束的多端柔性低頻海上風(fēng)電送出系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行控制

柔性低頻交流輸電系統(tǒng)應(yīng)用于海上風(fēng)電或新能源外送場景下時是典型的“雙高”電力系統(tǒng)［36］,各級換流器的協(xié)調(diào)配合與故障穿越控制難度較大。同時,工頻、低頻兩側(cè)發(fā)生故障后,工作在電壓源模式下的高壓大容量交交換流器可能會采取措施快速抑制故障電流,造成系統(tǒng)故障暫態(tài)響應(yīng)速度快,故障特征不明顯,導(dǎo)致保護的可靠性和靈敏性不足,甚至保護無法動作的問題。因此,需要結(jié)合傳統(tǒng)交流電網(wǎng)、新能源孤島電網(wǎng)的運行方式與控制架構(gòu),研究計及系統(tǒng)功率、電壓支撐的系統(tǒng)控制構(gòu)架；基于虛擬同步控制方法與分布式控制理論,研究計及各級換流器控制的系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制策略；通過增加耗能/儲能裝置,增強風(fēng)機換流器群與換流站故障穿越能力,并結(jié)合儲能裝置開展柔性低頻交流系統(tǒng)頻率綜合慣量控制。同時,可基于虛擬阻抗、主動阻尼和參數(shù)動態(tài)調(diào)整等技術(shù),研究系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制策略；基于暫態(tài)量快速提取等先進保護算法,研究低頻線路保護新原理。

在本文中，對地理信息系統(tǒng)在測繪中的運用與技術(shù)進行研究和分析，主要是從地理信息系統(tǒng)概述展開，隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟和建筑行業(yè)不斷發(fā)展，測繪工作有效開展也直接影響到后期工程項目順利實施和最終工程質(zhì)量，地理信息系統(tǒng)因其自身優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用到測繪工作當(dāng)中，為確保測繪數(shù)據(jù)可以更好滿足實際工程建設(shè)需求，就需要充分借助地理信息系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢和功能，使之為測繪測量工程提供有力技術(shù)支撐，保障和提高測繪工作效率和精準性。

數(shù)學(xué)課程與我們的生活實際息息相關(guān)，學(xué)好數(shù)學(xué)能夠解決很多的問題，雖然在素質(zhì)教育和國家對農(nóng)村教育的影響下，農(nóng)村的學(xué)校對數(shù)學(xué)課程的學(xué)習(xí)給予了一定的重視。但是還是存在一些問題，尤其是農(nóng)村留守兒童在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)方面，由于從小父母長期不在身邊，缺乏相應(yīng)的監(jiān)督和關(guān)愛加上處在較小的年齡階段，自控能力較差，使得在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)時注意力不集中、不善于表達自身的想法等。因此，應(yīng)該加強對農(nóng)村留守兒童的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)習(xí)慣的培養(yǎng)，解決存在的問題。

4.3 系統(tǒng)過電壓分析與絕緣配合

柔性低頻交流輸電系統(tǒng)電力電子化程度高,各級換流器的暫態(tài)行為使得系統(tǒng)電磁能量振蕩過程復(fù)雜,過電壓問題突出,影響設(shè)備絕緣耐受能力；大量新能源接入導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)低慣性、弱阻尼特性,電網(wǎng)故障發(fā)展非常迅速,單一抑制措施難以實現(xiàn)過電壓有效抑制。因此,需要建立考慮傳統(tǒng)電氣設(shè)備頻變特性和放電非線性影響,以及各級換流器控制特性的系統(tǒng)寬頻模型；研究頻率改變及換流器控制對系統(tǒng)電磁暫態(tài)特性影響規(guī)律。考慮場景特殊性,明確多時間尺度下的過電壓限制目標(biāo),開展耗能限壓裝置、避雷器以及多級換流器協(xié)調(diào)控制等多手段配合的系統(tǒng)過電壓深度抑制技術(shù)研究,研究系統(tǒng)絕緣配合優(yōu)化設(shè)計方案。

4.4 高壓大容量交交換流技術(shù)

交交換流器是工、低頻電網(wǎng)的能量交互載體,受電力電子器件容量水平限制,高壓大容量交交換流器需大量子模塊級聯(lián)或并聯(lián),造價高、損耗大。換流器實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換,同時異頻分量不可互相滲透,且在電網(wǎng)各種工況下能量交互的暫態(tài)過程復(fù)雜,控制難度大。M3C 是當(dāng)前研究階段下較為理想的交交換流器,但其橋臂與模塊的異頻能量交互過程,以及環(huán)流、共模電壓的產(chǎn)生機理較為復(fù)雜,大量模塊級聯(lián)使得M3C 的運行狀態(tài)隨機性強,電壓電流平衡的協(xié)同控制難度超過常規(guī)MMC。同時,M3C 無直流母線,工頻、低頻能量交互完全分散在各個子模塊中,模塊的電路參數(shù)、控制及采樣的分散性對M3C 整體的運行性能均會造成較大影響。因此,一方面,突破M3C 的高壓大容量集成與性能提升是現(xiàn)階段實現(xiàn)柔性低頻交流輸電技術(shù)的關(guān)鍵；另一方面,研究新型高壓大容量交交換流器的拓撲結(jié)構(gòu)是優(yōu)化柔性低頻交流輸電系統(tǒng)的研究重點。

4.5 核心裝備研制與試驗檢測技術(shù)

系統(tǒng)頻率降低對傳統(tǒng)電氣設(shè)備的材料特性產(chǎn)生影響。例如,柔性低頻交流輸電系統(tǒng)電流過零點間隔長,增大了斷路器燃弧時間；電壓周期長,增大了繞組類設(shè)備的鐵芯截面積；設(shè)備絕緣材料的介電特性和老化特性發(fā)生變化等。因此,還需針對低頻變壓器、開關(guān)、互感器等系列設(shè)備進行技術(shù)攻關(guān),包括:基于快速操動與燃弧時間調(diào)控相結(jié)合的低頻短路電流的長燃弧開斷、多物理場迭代優(yōu)化的變壓器緊湊型結(jié)構(gòu)和互感器準確度設(shè)計等技術(shù)。

此外,低頻頻率介于直流和工頻之間,工頻、直流下的設(shè)備絕緣、空載/負載、溫升、電動力等試驗方法的適用性尚不明確；柔性低頻交流輸電技術(shù)涉及不同場景的組網(wǎng)構(gòu)架以及各類電源和不同應(yīng)用環(huán)境,難以通過特定工程場景進行全面驗證。因此,還需研究低頻設(shè)備絕緣、熱、機械及老化等試驗的頻率等價性,構(gòu)建全面技術(shù)驗證的工程方案。

5 結(jié)語

基于電壓源型交交換流器的柔性低頻交流輸電技術(shù),易于大規(guī)模組網(wǎng),具備潮流調(diào)節(jié)等柔性調(diào)控功能,可提升線路輸電能力。通過本文分析,主要得到以下結(jié)論。

1）采用M3C 可構(gòu)建三相、兩相拓撲結(jié)構(gòu)的柔性低頻交流輸電系統(tǒng),進而可構(gòu)建單端、多端柔性低頻交流輸電網(wǎng),提升電網(wǎng)的靈活調(diào)控能力,匹配未來新型電力系統(tǒng)的發(fā)展需求。

2）柔性低頻交流輸電可顯著提升交流海纜的輸電能力,應(yīng)用于中遠距離海上風(fēng)電送出具有明顯優(yōu)勢。此外,還可應(yīng)用于海島互聯(lián)供電、陸上大規(guī)模新能源發(fā)電匯集、城市電網(wǎng)分區(qū)互聯(lián)等場景,以提升區(qū)域供電與新能源匯集能力,增強電網(wǎng)運行靈活性。

3）頻率降低對輸電設(shè)備性能產(chǎn)生影響,交交換流器IGBT 結(jié)溫波動更為明顯,模塊電容器電壓的波動特征更為復(fù)雜；變壓器的體積與重量隨頻率降低而增加,負載損耗有所增加；斷路器燃弧能量隨頻率降低而增加；電纜損耗隨頻率降低而減小,可提升載流量。

實驗方法主要參照已發(fā)表文獻［27］。藥物作用足夠時間后收集細胞，隨后用流式細胞儀進行檢測。細胞周期實驗用PBS-PI液染色。凋亡實驗用PE和7AAD進行染色（按Annexin V/PE凋亡試劑盒說明書進行）。自噬實驗用Cyto-ID?進行孵育（按Cyto-ID?自噬檢測試劑盒說明書進行）。

河北省國家水土保持重點建設(shè)工程回顧與展望…………………………………………… 位鐵強，田衛(wèi)堂(18.20）

4）為實現(xiàn)柔性低頻交流輸電技術(shù)的工程應(yīng)用,還需深入開展系統(tǒng)構(gòu)建、安全穩(wěn)定控制、系統(tǒng)過電壓分析與絕緣配合、高壓大容量交交換流、低頻設(shè)備研制與試驗檢測等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。