电场有限元分析

电场有限元分析（精选八篇）

电场有限元分析 篇1

有限元数值计算法, 将求解域看成是由许多称为有限元的小互联子域组成, 对每一单元假定一个合适的近似解, 然后推导求解这个域的满足条件, 从而得到问题的解。该方法已被广泛应用于电力设备的电场、热场和力场等数值计算和绝缘结构优化设计中[1]。

本文利用有限元分析软件建立了绝缘子串二维仿真模型, 计算得出了110 k V良好悬式绝缘子串内部及沿面电场电位分布规律, 并对零值绝缘子在不同位置时的空间电场特性进行分析比较, 研究了零值绝缘子对整体绝缘子串电场分布影响以及因素。

1 仿真模型及参数

1.1 模型建立

采用110 k V XP-10型瓷绝缘子, 结构尺寸见表1。按照110 k V线路配置标准, 选用7片绝缘子组成绝缘子串进行建模。由于本文重点研究零值绝缘子对整体绝缘子串的电场分布影响, 因此本文做以下模型简化:

1) 建立二维模型进行仿真计算, 根据绝缘子串的对称性, 建立1/2模型;

2) 假设绝缘子清洁干燥、沿面泄漏电流和空间电流忽略;

3) 不考虑金属材料与瓷之间水泥胶接面对电场的影响;

4) 忽略杆塔横担及导线;

5) 对边界的处理:绝缘子串外建立空气场, 尽量减少空间边界对于被计算对象电场分布的影响, 将空气场建立足够大, 空气场半径设为1.5 m。

1.2 模型加载

由于交流电压的波长远远大于绝缘子串长, 绝缘子串在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的, 因此用静电场进行仿真分析。模拟现场情况, 在最下一片绝缘子钢脚处加高压, 所加电压值为110 k V对应的相电压63.5 k V, 最上一片绝缘子钢帽接地, 空气场边界强制电位为0 k V, 悬浮金属导体进行电位自由度耦合[2]。绝缘子编号按从高压端到接地端分别定为1至7号。

2 仿真计算与结果

2.1 良好绝缘子串电场分布

(注:图中横坐标为y轴方向上的坐标;纵坐标为场强值) 。

绝缘子串每片绝缘子内部电场分布具有明显规律性, 由于金属部分为等电位体, 内部场强为零, 见图2, 每片绝缘子瓷件承受电压, 电场集中。整个空间场强最大值出现在1号绝缘子钢脚处, 最大值为45.3 k V/cm。计算绝缘子串中轴电场1号绝缘子场强最高为16.7 k V/cm, 之后场强迅速降低, 6号7号绝缘子场强最大值分别为2.305 k V/cm, 2.519 k V/cm, 绝缘子串低压侧绝缘子场强略有升高, 如图3。

分析绝缘子串伞裙及空气双重介质中电场分布情况, 选择路径为从1号绝缘子伞裙下表面空气开始, 到7号绝缘子伞裙上表面空气, 对该空气-伞裙-空气路径电场强度进行分析, 电场分布见图4。每片绝缘子周围的空气介质中, 电场强度都出现极大值, 瓷介质中电场值极小。进入到空气介质, 电场值明显升高, 在由瓷介质进入空气介质的交界处电场值急剧减小。因此, 该路径下的电场分布曲线呈现递减的波浪形, 每片绝缘子的电场最大值均出现在靠近伞裙表面附近的空气中。

2.2 存在零值绝缘子电场分布

对于存在零值绝缘子的绝缘子串, 采取将绝缘子中瓷介质属性设为金属属性模拟零值绝缘子。由文献[3]可知当存在零值绝缘子时, 其对空间电场轴向分量的影响最大。本文分析了模型绝缘子串中不同位置出现零值绝缘子时, 离绝缘子串0.1 m的空间路径上, 电场轴向分量的变化情况。

分别对良好绝缘子串及绝缘子串中任一片为零值时的电场分布情况进行分析。选取图5中测试线作为空间电场计算路径, 通过改变材料属性, 分别设1至7号为零值, 通过大量的计算得出了各种情况下, 路径上电场值并绘制曲线, 见图6。曲线横轴代表路径距离, 纵轴为电场值。将8条曲线进行比较。可发现曲线的总体趋势虽是一致的抛线形, 但由于零值绝缘子的存在, 各条曲线存在明显差异。

良好绝缘子串电场值曲线平滑, 而当2号~7号任一绝缘子为零值时, 在其对应位置的坐标处电场值下降, 曲线呈现一个波谷。这是由于零值绝缘子电位维持一固定值, 场强较小, 对空间电场产生影响。而当1号绝缘子为零值时, 上述特征并不明显, 但其造成了整串绝缘子电场值有较大改变, 绝缘子串空间电场值均远高于正常值。

由电场、电位分布图可知, 1号绝缘子相当于短路, 高电压直接加于2号绝缘子钢脚处, 所加高电压上移, 且绝缘子片数减少, 2号绝缘子自身及周围空间电场大幅度增加, 比较图3与图8可知与良好绝缘子串相比剩下六片绝缘子的内部电场强度也有较大升高。

由此, 判断是否存在零值绝缘子的方法可用:测试绝缘子串电场分布情况, 绘制电场值曲线, 当绝缘子串中部出现零值时, 电场分布曲线在相应位置出现波谷;当绝缘子串高压端存在零值时, 整串绝缘子的电场值明显高于正常值。

存在零值绝缘子的绝缘子串电场分布有较突出的特征, 在实际生产中, 线路运行部门可针对典型塔架和绝缘子串, 利用上述有限元分析方法进行建模计算, 建立良好绝缘子串空间电场分布曲线数据库, 以此为基础, 并结合上述规律, 将测试结果与计算结果比对分析, 迅速判断是否存在零值绝缘子以及零值绝缘子的位置, 有效开展和推广电场测试法带电检测零值绝缘子的工作[4]。

基于有限元分析的电场测试识别零值绝缘子的方法是可行有效的, 该方法为非接触测试法, 且具有不需登塔工作, 不需停电检测, 用计算代替部分测试工作, 工作量较小等优点[5]。

但由于绝缘子串空间电场还受环境条件、绝缘子表面污秽、线路塔形等多种因素的影响, 目前所做的理想状况下的电场分析是不够全面的, 还应做更深入的研究工作, 在进行仿真计算时考虑各种复杂因素的作用, 力求仿真与实际运行情况尽量接近, 使仿真结果更好的指导现场工作[6]。

3 结束语

良好绝缘子串场强分布规律明显, 绝缘子内部瓷件承受电压, 场强集中。而在空气-伞裙-空气路径下, 每片绝缘子的电场最大值均出现在靠近伞裙表面附近的空气中。

存在零值绝缘子的绝缘子串电场分布有较突出的特征:当绝缘子串中部出现零值绝缘子时, 电场分布曲线在相应位置出现波谷;当绝缘子串高压端存在零值时, 整串绝缘子的电场值都明显高于正常值。

基于有限元分析的电场测试法检测零值绝缘子是可行有效的:可利用有限元分析软件建立典型线路绝缘子的电场分布数据库, 现场测试电场分布并绘制电场曲线, 将测试结果与数据库数据进行分析比较, 根据绝缘子串不同位置存在零值绝缘子时电场分布规律, 可有效识别线路零值绝缘子。

参考文献

[1]沈鼎申, 张孝军, 万启发, 等.750 k V线路绝缘子串电压分布的有限元计算[J].电网技术, 2003, 27 (12) :54-57.

[2]王斌, 彭宗仁.500 k V线路绝缘子电压分布的有限元法计算[J].电瓷避雷器, 2003, (1) :13-15.

[3]蒋兴良, 夏强峰, 胡琴, 等.劣化绝缘子对悬垂串电场分布特性的影响[J].中国电机工程学报, 2010, 30 (16) :118-124.

[4]程养春, 李成榕, 马晓华, 等.电场法带电检测零值绝缘子的研究[J].高电压技术, 2002, 28 (11) :8-9.

[5]陈涛.基于非接触式的劣化绝缘子检测方法的研究[D].重庆:重庆大学, 2006.

怎样用电场分析直流电路? 篇2

一、电场的分析之一:是什么原因使灯泡变亮的?

图1是一个典型的照明电路图,当开关K合上时,灯泡会发光,这是众所周知的事实了,在开始学习这个电路时,是采用水泵从低处向高处抽水来类比的,现在学完电工的基本内容以后,重新用学过的理论对电路进行分析。为了达到好的教学效果,笔者以小组讨论的形式向学生提出两个问题:第一,为什么开关接通灯泡就会亮?第二,回答电路中电流的形成过程?学生讨论的结果:A.电路接通了,电荷就流动起来,所以灯泡会亮;B.电流形成需要有自由移动的电荷,电位差及闭合的电路,图中满足三个条件,所以灯泡会亮。还有很多种回答,但基本都是同一个思考思路。

于是笔者又要求学生用电场的观点回答。对电路分析如下:一是电路在未接通前,电源把电压加在开关的两端,在开关a、b两端形成电场。当开关在闭合的过程中相当于一个电容器,开关的闭合过程就相当与电容器两极板逐渐靠近的过程,由电容和极板间的距离成反比可知,当距离靠近时电容增大,而两极板间的电量不变,由公式U=Q/C可知电压要下降,原来的电场的平衡状态就要打破,电荷开始移动。二是当开关合上时,两极板之间的距离为零,电容C无限大,开关两端的电压降为零,整个开关变为一个等势体,这时的外加电压就由开关的两端转移到灯泡上,在电场的作用下,灯泡里的自由电子就发生定向的移动,由于电源的非电场力将电子从电源的正极不断地移到负极维持电动势的稳定,就使电灯中形成稳定的电场,电荷能够持续流动从而保持灯泡发光。

用上电场以后,灯泡为什么会发光就显得有理有据了。学生从根本上理解了电流形成的原因,同时对电压的形成,电场力和非电场力做功都有了更深入的理解。如果学生能根据电场的理论分析电路的现象,对于学习电学将会有很大的帮助。

二、电场的分析之二:电的传播为什么这么快?

由于电流是电荷的定向移动形成的,很多学生会形成一个概念,电的传播是电流的移动,所以电的传播速度等于电荷移动的速度。其实这是个错误的观点,电的传播速度是电场的传播速度,不是电子移动的速度,对此,我们以图1为例来作个解释。在图1中,只要有电源,在电源的周围就是电场存在的空间,和导线、电阻、开关联不联入电路没有关系。电源周围的电场是客观存在的,用两个点电荷表示电源的正负极,电场分布就如图2所示充满电源周围的空间。

这样电的流动就变得很清楚了,开关合上以前,导线电阻等元件已经处在电场中了,由于静电感应,其中的电荷发生了重新分布,但由于开关没有合上,电荷在经过了短暂的分布,到内外电场平衡时,E=0,电荷就停止了流动。当开关合上后,开关两端的正负电荷发生中和,电场的平衡被打破,电荷在电场力的作用下再次运动,整个电路中由于电荷的不断中和,就有源源不断的电流产生。灯泡之所以亮得快,是因为灯泡上的电荷和其他电荷一样处在电场中,受到电场力作用一起运动,而不是等到电荷从电源跑到灯泡灯才会亮,换句话说,电场传播有多快,电荷受到电场力的作用就有多快,电流的形成也就有多快。所以电的传播是电场传播的结果。通过实验总结出,电场的传播速度等于光的传播速度,所以,电荷放入空间和它形成的电场在空间的传播几乎是同步的。

三、电场的分析之三:为什么串联电容能带上等量异种电荷?

看图3,电源、开关和C1 、C2组成电容的串联电路,当开关K合上后,各电容上的电荷是如何分布的呢?

通用教材一般都是直接给出各电容上的电量和总的电量相等的结论,对中间的分析过程没有提及。现用电场的观念加以分析

当开关接通后,电源产生的电场使线路中的电荷发生移动,使C1 的上极板带上正电,C2的下极板带上负电,这样在C1 的上极板与C2的下极板之间就形成了一个电场E1,这个电场将使得中间两块极板(即C1的下极板和C2的上极板)上的电荷发生定向移动,直到它们产生的附加电场E2和E1相等为止,这样不仅电容器的上下极板带上电荷,中间的两个极板也会带上等量的异种电荷。这样就分清了个极板上电荷的来源。

如果不从电场出发,学生很可能会认为电荷数量无缘无故地增加了,或者认为中间的两块极板是不带电的,从而导致对电容性质的曲解。而对这个问题要是能够理解得较好的话,那电容器的“通交流、隔直流”,“通高频,阻低频”的性质就会得到很好的掌握。

四、电场的分析之四:导线的粗细会不会改变?

在教学中,要引导学生提问,要培养学生灵活应变的能力,同时,要对学生的提问作出妥善处理的方法,包括解答、反问、小组讨论、实验分析、合作学习等。 如有学生提问,“电子定向移动,那导体里的电子会流出导体吗?导体里的电子会越流越少吗?”有这样想法的学生很多,为此,本人在班里举行小组讨论,在讨论前一天,让学生上网收集相关资料先作分析。经过充分准备,在班级列举了学生提供的两种观点;一是导体中的电子确实是流出了导体的,如铜线和铝线串联,当有电流时,铜线上的电子会跑到铝线上去,长久下去,铝导线就会变为铜导线;二是电子是会减少的,如显象管的灯丝不断发射电子使显示屏发亮,发出去的电子要回到灯丝中去是不可能的。

对这样的问题,要搞清楚物质的结构和电场的传播过程才能分析清楚,我们看看其中电子和原子核的运动情况:金属材料中有大量的电子,在电场的作用下它们发生定向移动,电源在移动的过程中对外电路的电子进行及时补充,虽然导线中的电子发生了定向移动,但电源形成的电场对电子进行补充,补充进来的电子和金属中流失掉的电子性质是一模一样的,而组成金属的原子核只在平衡位置附近振动,也就是说,物质的质子没有发生定向的运动,而质子是决定物质质量及性质的成分,所以说物质在导电的过程中性质不会发生改变,也就解答了学生说的电荷会因流动而变少,导线会由粗变细,甚至铝线用久了会变为铜线的问题。第二个观点,也是类似的,显像管的灯丝是不断发射电子,但显像管通过公共接地等也构成闭合回路,电子很快从电源中得到补充,灯丝的性质并没有发生改变,从而解答了电子不断运动的原因。

在教学中,遇到的电场相关问题很多,当学生提出相应的质疑时,老师一定要灵活运用电场的概念,让学生在思考的过程中发挥自己的想象力,努力培养学生独立思考的能力,并在教与学的过程中和学生共同进行有效的探讨,从中找出更合乎逻辑的解释过程。

电场有限元分析 篇3

至今,多孔阳极氧化铝(PAA)模板的应用获得了很大的发展。PAA模板制备工艺简单,且纳米尺度的孔径和孔间距在一定范围可控,在纳米材料领域得到了广泛应用,且对其形成机理进行了大量研究,已取得了显著成果[1~3]。其中比较有影响力的有2种,一是1978年提出且之后有更详细阐述的“酸性场致溶解”理论[1,2];二是2008年根据具有污染层的Wood模型[4]及雪崩电子击穿理论[3,5]提出的“氧气气泡模具效应”理论[3]。这2种理论都阐述了孔洞初始点的形成及其发展,并强调电场在PAA模板形成过程中的作用。

电场是PAA模板形成的动力源。在电场的作用下,孔洞生成和发展,最终形成PAA模板。铝阳极氧化过程中的自组织现象表明,PAA元胞在电场作用下趋向更有序的方向发展,当元胞壁厚不等时电场分布不均,从而影响各离子在元胞底部的分布,进而促进孔洞趋向壁厚方向发展[6],但这种唯象方式描述缺乏细致的数值分析,不能得到准确的电场分布情况,未能更清晰地说明孔洞的发展。对粘性流在阳极氧化铝自组织生长过程中的作用进行研究,通过对钨进行追踪证实,氧化铝形成过程中存在的流动现象对元胞的自有序生长有很重要的作用,采用有限元对元胞电势和应力进行计算,分析得出元胞的电势和应力对氧化铝的流动性有很大影响,进而影响到元胞的自有序生长[7]。在研究锯齿形纳米通道形成过程时,采用有限元方法计算了PAA元胞的电场分布情况,并通过分析得出电场在锯齿形孔洞形成中起了很重要的作用[8]。试验和有限元方法相结合对PAA模板形成过程中几个阶段的电场分布对孔洞发展的影响做了很好的诠释[9]。

本工作主要针对孔洞出现初始阶段和孔洞发展阶段,采用有限元方法计算PAA膜中孔洞底部的电场分布,分析了不同阶段PAA孔洞的发展情况,为以后研究PAA中的电场分布提供理论参考。

1 计算模型的建立

建立4个二维模型:孔洞形成初始阶段的孔洞间距不等模型和孔洞深度不等模型;孔洞发展阶段的孔洞间距不等模型和孔洞稳定发展模型[10]。采用ANSYS有限元软件分析多孔阳极氧化膜中电场分布。

(1)建模定义工作名和标题,分析参考框设置为Electric,保证电场分析单元能显示。使用前处理器建模:初始阶段孔洞间距不等模型,以4个半径为1 nm的半圆作为孔洞,孔洞间距分别为1,2,6 nm,总长19nm;初始阶段孔洞深度不等模型,以半径为10 nm的2个圆弧作为孔洞,深度分别为5,8 nm,孔洞间距为20nm,总长度80 nm,高50 nm(氧化膜的厚度);发展阶段孔洞间距不等模型,孔洞直径36 nm,深度48 nm,间距分别为64,40 nm,总长276 nm,高150 nm;孔洞稳定发展模型,孔洞直径为36 nm,深度为50 nm,间距为50nm,总长258 nm,高150 nm。

(2)定义单元类型选择“Electrostatic”,确保进行的为电场计算。选择静电场“2D Quad 121”,确定为二维模型,单元类型为8节点四边形,8节点元素具有位移协调形状,适用于模拟弯曲边界,每节点有2个自由度,利用这一非对称单元可降低非线性计算带来的误差。

(3)定义材料属性在定义材料窗口中介电常数(PERX)的Constant中输入相应数值,其中氧化铝的相对介电常数为10[9]。在电解试验过程中,由于铝材和电解液是导体,压降基本产生在氧化铝两端,所以电场主要分布在氧化铝膜上,建有电解液、氧化铝和铝片的3层模型对电场在氧化铝上的分布基本没有影响,为简化模型,便于观察,所建模型均为1层氧化铝模型。

(4)划分网格针对不规则的平面模型一般采用三角形网格划分,以提供更精确的求解结果,并能承受不规则形状且不会产生任何精度上的损失。

(5)加载求解并画出结果图将电压以线载荷形式加在代表上表面和下表面的线上,4个模型所加载电压值均为40 V。

2 计算结果与讨论

2.1 初始阶段

在氧化反应的初始阶段,铝基表面迅速氧化形成1层氧化铝膜,当膜厚增加到一定程度时,孔洞初始点产生;随着阳极氧化反应的进行,这些初始点慢慢发展成小孔,小孔间存在发展竞争,孔密度随之减小;在电场的作用下,孔洞发展过程中慢者更慢,快者在氧化层中继续向下延伸,孔径也随之增大,最终形成稳定生长且有序的元胞(包含孔洞及孔壁)。

在孔洞形成后的反应过程中,电解液/氧化层界面不仅有氧化铝生成,同时还伴随着氧化铝的水解:

阳极氧化初始阶段的孔洞初始点杂乱无章且密度很大。采用有限元法对间距不等的孔洞初始点的电场分布计算结果显示(见图1):4个孔洞底部的电场强度大小从左到右依次为7.06,7.10,7.45,7.62 V/nm,这表明孔洞初始点间距会影响孔洞底部的电场分布,初始点间距越小,底部的电场强度越小,导致初始点向下发展的速度减慢;间距大的孔洞底部电场强度大,较易继续往下发展;相邻初始点间的孔壁上的电场强度从左到右依次为1.02,2.12,3.50 V/nm,这表明相邻初始点间的间距越小,初始点间的孔壁处的电场强度也越小,并不会因间距小而合并,初始点间距大处也不会生成新的初始点。

孔洞初始点的杂乱无章不仅表现出间距不等,还深浅不一。图2为不同深度孔洞初始点的电场分布计算结果:孔底部的电场强度分别为1.311,1.493 V/nm,孔洞深度越深,电场强度越大,氧化铝的溶解速度也越大,纵向发展速度越快,最终凹坑深度越深;孔洞浅的,电场强度小,纵向发展速度也小,最终随着电解液/氧化层界面被溶解掉的氧化铝一起溶解,在氧化膜内仅留下大孔向纵深发展。这种结果与文献[11]相吻合,其在6%磷酸(质量分数)中制备PAA膜的SEM形貌见图3:阳极氧化铝表面有很多已经停止发展的孔洞,一是与相邻孔洞间的间距太小,二是相比其他孔洞深度太浅,这两点都会使凹坑底部电场强度减小,进而减慢其发展速度,最终会停止生长并随着上层氧化铝被溶解。这个结果与文献[9]的相一致,即多孔型铝阳极氧化膜孔洞形成过程中,孔洞底部电场强度越大,溶解越快,导致孔洞加速发展。

2.2 发展阶段

发展快的孔洞在向下发展的同时会横向发展,孔径增大,随着反应的进行最终孔洞停止横向发展,仅沿纵向发展。图4为发展阶段孔洞间距不等电场分布计算结果。图4显示:3个孔洞底部电场强度基本相同,从左到右依次为1.24,1.20,1.20 V/nm,壁厚处的电场强度为1.30 V/nm,不仅大于孔洞底部的电场强度,同时也大于壁薄处的1.05 V/nm。由此可见,孔洞在电场作用下会趋向于壁厚处发展。在高电场强度下,厚侧壁处溶解加快,厚侧壁变薄,而孔径不变,则薄侧壁变厚,使得孔洞排列更加有序,最终变为间距相等的元胞。

图5为稳定发展阶段氧化膜内的电场分布计算结果。由图5可知:孔洞底部和侧壁电场强度均为1.20V/nm,孔洞继续往下发展,根据电场平衡理论,此时铝/氧化铝界面的氧化铝形成和氧化铝/电解液界面的水解反应达到动态平衡,孔洞继续往下发展,而元胞壁厚不变。

3 结论

(1)在孔洞形成初始阶段,PAA膜中孔洞间距影响孔洞及周边电场的分布,相邻孔洞的间距越小,孔洞底部的电场强度越小,其氧化铝溶解速度越慢,进而导致孔洞生长缓慢,最终停止生长。孔洞的深浅也会影响其电场分布,从而影响孔洞的发展。孔洞越深,底部的电场强度越大,浅孔底部的电场强度较小。在高电场强度下,深孔孔洞底部氧化铝的溶解速度会加快,孔洞向下的生长速度加快,继续向下发展。

风电场输出功率预测分析 篇4

对短期功率预测可分为两种, 一种是预测风速, 然后依据风电机组或者风电场功率曲线获得风电场的功率输出;另一种是直接预测风电场的输出功率。

短期风电功率预测算法分析:

短期预测中考虑到粗糙度、地形等因素, 进行预测时采用物理方程的方法称为物理方法, 依据历史数据统计, 进行预测时, 分析找出其内在规律的方法称为统计方法。若同时采用两种方法称为综合方法。

(1) 物理方法。它以天气预报系统的预测数值结果为根据, 获得风向、风速、气温、气压等数据。采用计算流体力学法或者微观气象学理论, 计算出风电机组轮毂高度的风向、风速、气温、气压等数据, 然后以风电场的功率曲线为依据计算风电场的输出功率。

(2) 统计方法。不将风速变化的物理过程考虑在内, 统计方法以历史统计数据为依据找出天气状况和风电场出力的关系, 进而以实测数据和天气预报数值数据为依据预测风电场输出功率。

(3) 综合方法。组合模型基本原理采用以计算流体力学方法或者微观气象学理论为基础建立风电场的物理模型, 预测风电场的输出功率。建立风电功率预测系统的统计模型, 以天气预报数值数据以及物理模型的输出作为输入, 预测风电场输出功率。组合模型的应用可使预测精度和模型的适用性得到有效提高。

2 风电场输出功率统计模型影响因素分析

2.1 输出功率和风速的关系

风影响风电场的输出功率, 即随风波动。而风力机得出风功率计算式如下式:

式中:P-风轮输出功率 (k W) ;pC-风轮的功率系数;A-风轮扫掠面积 (m2) ;ρ-空气密度 (kg/m3) ;V-风速 (m/s) 。

某变速型风电机组的功率曲线在标准空气密度下如图1所示。

见图1, 处于功率曲线较陡的区域间, 风速变化虽然很小, 但却能引起很大的功率变化, 另外, 风速变化为2.5 m/s, 功率变化约为200 k W。影响风电机组/风电场输出功率的最主要因素是风速。

2.2 输出功率与风向的关系

风向对功率的影响可分为两个方面。一方面, 在风轮扇面上风向并不总是一致的, 风电机组的偏航装置是通过轮毂高度的风向标与风速计导致风机对准来风方向, 但风电机组的出力会受扇面上其它高度的风向的影响。另外, 因风电机组的偏航装置有一定滞后, 风机并不能总是正对来风方向。另一方面是风向对风电场输出功率的影响。一般风电场的组成部分是许多的风电机组, 由于风电机组叶轮能将风吸收, 从而降低风轮后面的风速, 即是尾流。因风电机组尾流减少了下风向风电机组获得的风能, 进而降低相应风电机组的出力。

2.3 空气密度对输出功率的影响

式 (2-1) 中, 参量空气密度的大小直接影响获得风能的多少, 如不将风电场内各风电机组间的影响考虑在内, 风电场输出功率和空气密度之间的关系就与风电机组与空气密度的关系基本一致。事实上, 在不同空气密度下输出功率的偏差或许更大。所以在风电功率预测中一定要将空气密度的影响充分考虑其中。

空气密度是气压、气温与湿度的函数, 该计算公式为

式中:p表示气压 (h Pa) ;t表示气温 (℃) ;wp表示水气压 (h Pa) 。

由上式可知, 温度的变化影响空气密度的变化, 又由于能量是随着空气密度的变化而变化的, 从而引起风电机组输出功率的变化。

3 结语

实现对风电场和光伏电站输出功率的准确预报, 一方面可以有效地减轻风电和光伏接入对电网平衡的影响, 另一方面可以使风电场和光伏电站的运行水平得到提高, 充分利用风力和太阳能, 获得更大的经济和社会效益。

摘要：风电及光伏发电具有很大的随机性和间歇性。当系统中接入的风电和光伏发电容量逐渐变大时, 相应地, 风电场及光伏电站对系统产生的影响也越来越明显, 系统状态稳定性与频率稳定性在容量达到一定程度后将接受挑战。为了应对大规模风电及光伏发电接入对电网平衡的影响, 可以预测风电场及光伏电站输出功率, 把其纳入电网的调度计划。

关键词：风电,光伏发电,输出功率

参考文献

[1]卢为平, 张翠霞, 丁宏林.风力发电基础[M].北京:化学工业出版社, 2011.

[2]吴财福.太阳能光伏并网发电及照明系统[J].科学出版社, 2009 (11) .

[3]范高峰.风电功率预测的发展现状与展望[J].中国电力, 2011 (6) .

风电场有功控制策略分析 篇5

近年来随着风力发电的迅猛发展,截止2012年底,规划建设风电装机总容量达55万kW,超过直调总装机容量的2%[1]。风电规模化接入地区电网,将对地区电网的网架结构设计、运行调度方式、无功补偿措施以及电能质量造成极大的影响。

此外,风能的随机性和间歇性决定了风电机组的输出特性也是波动的和间歇的。随着风电场容量在系统中所占比例的增加,其对系统影响就会越来越明显[2]。另外,风电场穿透功率极限限制了风电并网容量,当风电场接入电力系统容量达到一定数值,而其输出功率改变时,电力系统内部调节作用就满足不了系统稳定运行的要求[3,4]。为此,制定既可与风电场有功控制能力相匹配,又能减轻风电场给电网带来有功调整压力的控制策略,是风电场有功控制研究首先要解决的问题。

2 风电场有功功率控制原理

风电场有功功率控制是风电场在弃风量最小的前提下,通过协调控制风电场内的各台风力发电机组,使整个风电场的有功功率输出能够迅速、准确地跟踪电网调度机构下发的调度指令。风电场有功功率控制系统一般主要由风电场功率控制层、机组群控制层、机组控制层组成[5],各层功能及控制周期见表1。

风电场有功控制系统的目的是为了使风电场能够根据调度指令调整其有功功率的输出,在一定程度上表现出与常规电源相似的特性,从而参与系统的有功控制。然而,风电场有功控制能力不等同于风力发电机组控制能力的简单叠加。为此,利用风力发电机群的统计特性[6],可以采用两种方式实现此目的:一是将风电场有功控制系统分为风电场控制层、各类机群控制层和机组控制层,依次下达调度指令,完成风电场有功功率控制的任务;二是电网调度中心将指令直接下达给风电机组,各机组调节有功出力,实现有功功率的控制。

3 风电场有功控制策略

3.1 控制要求

由于大型风电场的风力发电机数目较多,且风电场出力不可避免地包含随机分量,无法持续精确地跟随系统下达的参考曲线,因此风电场有功参考曲线跟踪控制成为风电场有功控制的主要要求[7]。

3.2 运行技术要求

3.2.1 风电场出力允许波动范围

风电场在严格执行调度下达的出力曲线时,允许实际出力在表2规定的范围内[8]。

对于实际出力超出允许偏差部分,将按照曲线违约考核。风电场可以根据风力变化情况,提前向上层申请修改计划曲线,但每次修改范围必须大于计划值的±20%及以上。

3.2.2 风电场升降速率

在机组并网、正常停机以及风速增加过程中,风电场有功升降速率应满足表3要求[8]。

3.3 运行约束条件

风电场进行有功功率控制时必须遵循相应的约束条件[8],可分为运行硬约束和运行软约束。硬约束是风电机组的约束条件,具体如下。

(1)风电机组最小运行功率:当风电机组的实发功率小于一定值时,机组的运行经济性会较差,为此设置了最小运行功率限制,低于该值时不能再对机组进行进一步的限功率操作,而应直接停机。

(2)最小停机时间:风电机组从停机到再次起机的最小时间间隔。

(3)最小运行时间:风电机组从起机到停机的最小时间间隔。

(4)有功功率调节响应时间:风电机组从接收到有功功率指令到完成调节所需时间。

软约束是风电机组与其它子系统配合所产生的约束条件,具体如下。

(1)风电机组是否参与功率调节:为了与风功率预测系统配合,需要设置指定风电机组处于满发状态,以便为风功率预测系统提供校核数据。

(2)风电机组的健康系数:风机振动分析系统会依据振动情况给出风电机组的健康系数,可将风电机组分为健康型、亚健康型和不健康型。其中,不健康型应处于停机检修状态;健康型承担主要的有功功率;亚健康型在必要的条件下承担少量的有功功率。

(3)每次开机数量限制:为了防止多台风电机组同时起机时导致的冲击电流较大和集电线路过热问题,需要限制每个周期的起机数量。

4 具体控制策略分析

4.1 风电场有功分配策略

风电场有功功率分配策略将电网调度机构下发的调度指令按照策略进行分配,并将分配得到的每台机组的期望发电功率发送给机组功率控制器。由于风电场有功功率控制的重要性,目前各国学者对风力发电有功功率控制进行了一定的研究工作。文献[9]在分析变速恒频风力发电机组与大型风电场控制系统关系的基础上,提出风电场的集中功率控制策略,机组通过电力电子双向变换器实现电能的变换、控制和并网,显著地提高了对机组的控制能力。文献[10]对双馈风力发电机组进行了有功解耦控制,并分别设计了控制回路,仿真结果证明了控制方法的良好性能。文献[11]的有功功率控制策略以馈线为基本控制单元,针对不同自动化水平的配电馈线分别采用了风电机组容量比例的分配方法和按馈线潮流分布的分配方法,降低了有功功率的分配误差,提高了电网的稳定性。文献[12]提出了电网故障时双馈风力发电机组的紧急控制策略,机组在运行中遇到故障时功率分配取得很好的控制效果。文献[13]采用非风电机组参与发电计划再更正的风电系统有功调度的二层结构调控策略。文献[14]以风电场内部损耗最少为目标,将其所得到的功率值输入风力发电机的控制系统,达到控制风电场出力满足控制要求的目的。文献[7]提出了基于储能设备的风电场有功功率分层控制策略,使风电场有功出力尽可能满足电网调度指令。此外,在工程应用中,新疆电网在能量管理系统的自动发电控制基础上开发了风电场有功功率控制策略[15],甘肃电网提出了大型集群智能控制系统[16]。以上文献提出的功率分配策略没有综合考虑机组所有的运行状态及机组的发电能力,在实际功率控制中虽然在理论分配上能使风电场分配功率达到期望发电功率,但实际的控制效果却会因机组的实际最高发电能力和机组的运行状态而产生较大的误差,在不考虑机组状态的情况下,有功功率控制也会对电网安全带来冲击,增加机组损耗[17]。

4.2 风电场有功功率分配算法

在风力发电场有功功率分配算法方面,国内外的分配策略还不够完善。现有的风电场有功功率控制算法在降低功率过程和升高功率过程中的控制算法方面都有待改进。文献[7]提出一种分层式的风力发电场有功功率控制算法,然而在降低功率过程中并未考虑到风力发电机组降低功率的能力。文献[18,19,20]的风电场有功功率控制方法在其降低功率的过程中,只是将期望降低的功率平均分配给每台风力发电机组,在某些限制情况下,该方法会因机组自身的发电能力问题而使有功功率控制产生较大误差。文献[13,21]的有功功率控制算法将风电场期望降低的功率根据每台风力发电机组的有功功率占整个风电场中的比例进行分配,该方法对有功功率控制系统控制误差的减小具有明显的效果,但却忽略了风速变化的随机性,使得系统在风速干扰的情况下风电场有功功率控制的效果不理想。以上风电场有功功率控制算法都没有考虑以保证尽量多的风力发电机组处于运行状态为前提,导致在降功率过程中忽略了各机组本身在放电过程中间歇性、发电能力和运行状态的差异,使风力发电机组出现频繁起停的问题。

在风电场有功功率控制的升高功率分配算法方面,通过平均控制算法虽然能使风电场实际功率低于风电场限制功率,但在限制功率以下波动却很大,且不能在风电场有能力提升输出功率的情况下保证实际输出功率的有效提升。文献[17]采用基于分组的平均控制策略;文献[22,23]采用馈线潮流分配控制策略;文献[10,20]采用了有功负荷分配策略;文献[24]从兼顾系统调频的角度给出了风电系统有功率控制策略。由以上有功功率控制策略的特点可知,现有的风电场有功功率控制算法是基于功率平均分配的算法或按当前实际功率所占比例分配的算法。这两种分配方法的缺点在于没有考虑风力发电机组的实际情况、工作状态、风速状况以及风力发电机组具备的发电能力,在风速变化较大或风力发电机组输出功率差异较大时,风电场输出功率的稳定性也会减弱。

5 总结和展望

随着风电场大规模地接入电网,电网对风电场的有功输出要求也越来越迫切,而我国的风电场有功功率控制目前尚处于起步阶段。此外,解决风电场有功功率控制问题,对保证风电接入电网后系统的稳定性具有决定性作用。因此,风电场有功功率控制算法的研究,风电场有功功率控制在风电机组中的实现策略,风电机组在有功功率控制中的控制策略以及稳定性的分析方法成为目前亟待解决的热点问题。为解决风电场的有功功率控制问题,提高风电接入电网后有功功率输出的稳定性,本文在风电场有功功率控制与电网稳定性的关系、风电场有功功率控制原理、风电场运行技术要求和风力发电机组运行约束条件,尤其是风电场有功功率控制策略方面展开深入研究,但很多方面仍有待完善。

(1)风电场有功功率控制系统是通过限电的方式来保证风电场有功功率输出的曲线平滑,但此方法并不是最优的解决手段。最优的解决手段应该是考虑利用风电和太阳能光伏的互补特性,实现风光互补。即利用风能、太阳能资源的互补特性,保证互补系统输出功率的稳定性,进一步平滑功率输出,弥补风能随机性、间歇性造成风力发电的不足,体现风光互补系统的“削峰填谷”作用。这对高效利用风能甚至实现能量的可储可控具有重要的意义。

(2)在风电场有功功率控制中如何结合机组的运行成本来控制成本,考虑机组的可靠性指标及可利用率指标也是保证风电经济性的重要方面,对风电接入电网的发展规模具有不可忽略的影响。

综上,风电场有功功率控制是目前保证风电场接入电网的一种有效手段,但其局限性在于只关注了电网目前的需要,而没有进一步考虑如何高效地利用风电,以及如何保证机组的可利用率和经济运行。相信这类研究将会是今后研究的主流方向。

摘要：大规模风电机组的快速接入会严重影响电网的安全稳定,在电网结构未改善前,风电场只有依靠科学的调度模式才能保障风电的稳定多发。分析风电受限原因,结合现有风电场运行技术要求和机组运行约束条件,着重阐述风电场的有功功率控制策略研究现状,并对风电场有功功率控制研究进行总结和展望,为电网实现对风力发电的自动控制和更大规模接入提供参考。

电场中轨迹问题的定性分析 篇6

一、基本理论

1.轨迹与力的关系

如图1所示, 在粒子运动轨迹上的两点的速度分别为v1、v2, 由矢量运算法则可知速度改变Δv方向如图2所示, 也就是粒子受到的合外力指向轨迹弯曲的方向。

记住一个结论:做曲线运动的物体受力指向轨迹弯曲的方向。只受电场力时, 与电场线的方向相切。

2.力与功的关系

当粒子顺着电场力的方向运动, 电场力做正功;当粒子逆着电场力的方向运动, 电场力做负功。

3.电场力做功与粒子动能、电势能的关系

当只有电场力对粒子做功时, 电场力做正功, 动能增大, 电势能减小;当电场力做负功, 动能减小, 电势能增大 (动能定理) 。电势能和动能的总和不变。

二、实例分析

例1:如图所示, 虚线a、b、c代表电场中的三个等势面, 相邻等势面之间的电势差相等, 即Uab=Ubc, 实线为一带正电的质点仅在电场力作用下通过该区域时的运动轨迹, P、Q是这条轨迹上的两点, 据此可知 ()

A.三个等势面中, a的电势最高

B.带电质点通过P点时的电势能较Q点大

C.带电质点通过P点时的动能较Q点大

D.带电质点通过P点时的加速度较Q点大

解析:由粒子运动轨迹的弯曲方向知, 电场力的方向为右偏下;而粒子带正电荷, 粒子受到的电场力方向与场强方向相同, 所以电场的方向也为右偏下, 由此可画出电场线的大致方向。由顺着电场线方向电势降低知, a的电势最低, 所以A答案错误;在粒子由Q运动到P的过程中, 由粒子的速度方向为轨迹的切线方向知, 速度方向与电场力方向之间的夹角大于90°, 所以电场力对粒子做负功, 粒子的动能减小, 粒子的电势能增加, B答案正确, C答案错误;由等势线与电场线的关系知, 等势线密的地方电场线密, 电场强度大, 所以有EP>EQ, 而加速度a=qE/m, 所以有ap>aQ, D答案正确。所以正确答案为B、D。

例2:一带电粒子射入一固定在O点的点电荷电场中, 粒子运动轨迹如图中虚线abc所示, 图中实线是同心圆弧, 表示电场的等势面, 不计重力, 可以判断的是 ()

A.粒子受到静电斥力的作用

B.粒子在b点的电势能一定大于在a点的电势能

C.粒子在b点的速度大于在a点的速度

D.粒子在a点和c点的速度大小一定相等

解析:与上题思路相同, 由轨迹的弯曲方向知, 粒子受到的电场力方向向左, 所以两个电荷间存在的是斥力, A答案正确;在粒子由a点运动到b点的过程中, 电场力对粒子做负功, 粒子的动能减少, 粒子的电势能增大, 所以B答案正确, C答案错误;因为a、b在同一等势面上, 所以粒子由a点运动到c点的过程中, 电场力对粒子做功为零, 由动能定理知, 粒子的动能改变量为零, 即a、c两点动能相等, a、c两点速度大小相等, D答案正确。所以正确答案为A、D。

例3:如图所示, 虚线为某电场的等势面, 今有两个带电粒子 (不计重力) , 以不同的速率, 沿不同的方向从A点飞入电场后, 沿不同的径迹1和2运动, 由轨迹可以断定 ()

A.两粒子带电多少一定不同

B.两粒子的电性一定不同

C.粒子1的动能和粒子2的电势能都是先减少后增大

D.经过B、C两点, 两粒子的速率可能不等

解析: 只由粒子运动轨迹不能判定电量的大小, 所以A答案错误;与上题思路相同, 由粒子的运动轨迹知, 粒子1和2受到的电场力方向都向左, 所以1受到的是斥力, 2受到的是引力, 1和2一定是异种电荷的运动轨迹, 所以B答案正确; 粒子1受到的电场力对1粒子先做负功后做正功, 粒子1的动能一定是先减小后增大, 电势能一定是先增大后减小;粒子2受到的电场力对粒子2先做正功后做负功, 所以粒子2的动能一定是先增大后减小, 电势能一定是先减小后增大, C答案正确;由于B、C两点在同一等势面上, 所以在AB、AC过程中电场力做功相同, 动能的改量相同, 但粒子在A点的初动能不一定相等, 所以B、C两点的动能不一定相同, 速率也不一定相同。故正确答案为B、C、D。

例4: 如图所示, a、b带等量异种电荷, MN为ab连线的中垂线, 现有一个带电粒子从M点以一定初速度v0射出, 开始时一段轨迹如图中的实线, 不考虑粒子的重力, 则在飞跃该电场的过程中 ()

A.该粒子带负电

B.该粒子的动能先减小后增大

C.该粒子的电势能先减小后增大

D.该粒子运动到无穷远处后, 速率一定仍为v0的大小

电场作用下扩散小火焰实验分析 篇7

随着微电子机械系统(Micro Electronic Mechanical System,MEMS)技术的逐渐发展,机械结构的微型化已成为科技潮流的新趋势,各种微型飞行器和电子设备以及高技术现代化战争中微小武器的研制成功使人们认识到了微能源系统的重要性。而实现微尺度条件下燃料持续稳定充分燃烧的研究就成为研发高效、安全、稳定的微尺度燃烧器的基础[1]。

作为微能源系统的核心,对微型燃烧器的研究引起了国内外极大关注[1,2,3,4,5],对微尺度小火焰的基础研究也有一定的进展。Ban提出在无限大的空间中Pe<5时,微尺度扩散火焰的数学模型[6];佐治亚技术学院的L.M.Matta等利用丙烷作燃料,研究了小尺度扩散火焰的高度、淬熄极限和吹熄极限等特性[7]。上述研究均采用甲烷、丙烷、氢气等气体燃料,而液体燃料系统结构紧凑,体积小,效率高,且液体燃料的运输和贮存都比高压气体安全方便,是未来微能源系统发展的趋势。

但是,液体燃料的燃烧是扩散燃烧,扩散燃烧没有预混燃烧易于控制,且温度不高[8]。本文用直流电源提供电压,对负针—板电极和负板—板电极作用下的乙醇小火焰的特性进行研究。

1 实验装置

实验系统如图1所示,乙醇的输送和计量由TS2-60型注射泵和一般的医用注射器(内径为21mm)来完成,其原理是注射泵内的步进电动机推动注射器运动,通过控制屏可以很方便地调节得到所需要的高精度、无脉动的乙醇流量。直流电场由DW-P103-1AC型高压直流电源和两块平板加一根注射器的针头组成,电场强度的调整可通过改变电源输出电压的大小或改变电极距来实现。喷管采用内径为1.0mm、外径为2mm的陶瓷管。火焰的结构特性通过体式显微镜放大后由数字摄像头拍摄图像再传输到计算机上进行观察和分析。

1-注射泵;2-注射器;3-阀门;4-陶瓷管;5-体式显微镜;6-数字摄像头;7-计算机;8-正平板电极;9-负(针头或者平板)电极。

2 实验方法

(1)1.0mm管径燃烧器的固定。

用铜管套住陶瓷管,固定在一陶瓷杯内,然后再调整陶瓷管露出长度1cm,固定好陶瓷管的位置。

(2)流量的设置。

用医用注射泵设定一个稳定燃烧的固定流量1.3ml/h,目的在于对比实验结果。

(3)电场的施加。

对燃烧器添加上下方向的电场(与燃烧器轴线方向平行),负极接在火焰上方,由负针—板电极所形成的电场为负针极电场,同理负板—板电极所形成的电场负板极电场。首先调整电极距为固定值,然后改变电场强度来研究电场对小火焰的影响,再改变电极距,作对比实验。

(4)用Origin软件辅助测量拍摄的火焰图像的尺寸,再按比例计算出火焰实际的高度和宽度。

数字摄像仪通过计算机实时捕捉图像,通过Origin处理软件测量火焰化学反应区边界。首先确定可见光火焰边缘位置的相对值。再通过已知的陶瓷管外径按比例换算出可见光火焰高度和宽度值,由于加电场后火焰不稳定,本文只粗略求出火焰的高度和宽度,通过多次测量求平均值的方法尽量减小测量误差。

3 实验结果及分析

实验中发现在两种电极作用下,随着电压的升高,火焰先被拉伸,后被压缩;火焰形状由半椭圆形变为半圆形,针极电场下火焰又由圆形变为帽子形,像帽子一样扣在烧嘴上;在电压增大到一定值时,会出现离子风;与负板—板电极所不同的是,负针—板电极作用下当电压增大到一定值时,离子风非常强烈,火焰脉动厉害。

3.1 负板极电场作用下的小火焰特性(见图2)

由图2知,在负平板电场下,随着电压的升高,火焰有增大的趋势(实验时发现火焰变得发散);当电压增高到2000～3000V,火焰又开始变小,再增大电压,火焰越来越小,最后熄灭。另外,电极距越小,火焰受电场的作用影响越大。

实验中还发现,三种电极距下在火焰被压熄前,火焰都没有出现剧烈的脉动现象,即没有出现强的离子风。随着电压的增加,火焰形状由原来的半椭圆形慢慢变为饱满的半圆形。在同一电压下,火焰随极距的增加摆动变弱,随后又压缩变小。在极距为3cm、4cm、5cm时,火焰被压熄的电压分别是在4000V、5000V、6000V左右。

3.2 负针极电场作用下的小火焰特性(见图3)

由图3知,三种极距下火焰的高度和宽度都是随电压的增加先变大后减小,电压越小变化越明显。

实验中还发现,离子风都是在火焰被压缩时,即开始变小时才出现轻微的风吹动现象,随后再增大电压,离子风越来越大,火焰扰动加强,脉动频率加快;火焰形状已由开始时的半椭圆形到半圆形,最后变为帽子形。当极距为2.2cm、3cm、5cm时,电压分别在2000V、3000V、4000V左右,火焰像沸腾的水一样搅动,像个蘑菇扣在陶瓷管上。

3.3 现象的分析讨论

本文为了验证火焰的电极性,用乙醇作大火焰燃烧,用接正负极的注射器针头靠近火焰时,火焰远离正针极而靠近负针极,从而验证了火焰燃烧时呈正电性,这与文献[9]的结论相同。同时验证了当火焰上方接正极时,火焰被压缩,这与文献[10]结论一致,而接负极时火焰先伸长,后压缩,为了找出出现这种现象的一般性,做了平板电极和针行电极,以找出规律,并对这种现象做出解释。

离子风是电晕放电过程中特有的现象,一般也称为电晕风,指的是放电过程中电子雪崩引起的高速离子射流流动,这种离子射流对周围流体流动产生强烈的扰动,形成附加的流体运动,即所谓的电诱导二次流,它将导致对流传热效果的加强[11]。

对于板极电场和针极电场,由于火焰上方是负极而在电压相对比较低时,火焰因带正电荷,受上方的负电极处电荷的吸引而向上飘散,使得火焰的高宽都有变大的趋势,此时电场力起主要作用;随着电压的增大,离子风起主要作用,火焰受离子风的作用,变得越来越小。由于电场力和电风都随极距的增大而减小,所以火焰形状随极距的增大而变化得较慢。

针极电场中火焰在变得很小时出现强烈的搅动,而板极电场中没有出现这种现象的原因是由于在针极处针头的曲率半径小,电荷密度大,在电压很大时电晕放电强烈,离子风较板极电场大。在针头和极板之间离子风的形状是一个锥形[12],随着电极距的增大,离子风越来越小,从而使火焰中的离子向负针极方向的运动越来越弱。

4 结论

(1)在两种负电极作用下,随着电压的升高,火焰先被拉伸,后被压缩;火焰形状由半椭圆形变为半圆形,针极电场下火焰又有圆形变为帽子形。

(2)相对于板极电场,针极电场作用下离子风强烈,火焰在电压比较高时会出现强烈的扰动。

(3)针极电场中火焰在变得很小时出现强烈的扰动,而板极电场中没有出现这种现象。

(4)负极电场下火焰形状先随电压的增大而发散,后又被压缩,是电场力和离子风共同作用的结果。

(5)由于电场力和电风都随极距的增大而减小,所以火焰形状随极距的增大变化越来越不明显。

摘要：用无水乙醇作燃料,采用内径为1.0mm的陶瓷管作燃烧器,采取拍摄图像的方法,对自由空间中直流电压下的负针—板电极和负板—板电极(负极接在火焰上方)作用下的小火焰的特性进行了实验研究。实验中发现:在两种电极作用下,随着电压的升高,火焰先被拉伸,后被压缩;火焰形状由半椭圆形变为半圆形,针极电场下火焰又由圆形变为帽子形;在电压增大到一定值时,会出现离子风;与负板—板电极所不同的是,负针—板电极作用下当电压增大到一定值时,离子风非常强烈,火焰脉动厉害。

关键词：无水乙醇,自由空间,电极作用,火焰特性,离子风

参考文献

[1]Femandez-pello A C.Micro power generation using com-bustion:Issues and approaches[J].Proceeding of the Com-bustion Institute,2002,29:883-899.

[2]Grasmeyer J M,Keennon M T.Development of the black widow micro air vehicle[J].AIAA,2001.

[3]Yang W M,Chou S K,Shu C,et al.Combustion in micro-cylindrical combustors with and without a backward facing step[J].Applied Thermal Engineering,2002,22:1777-1787.

[4]Yang W M,Chou S K,Shu C,et al.Microscale combustion research for application to micro thermophotovoltaic systems[J].Energy Conversion and Management,2003,44:2625-2634.

[5]Xue H,Yang W M,Chou S K,et al.Microthennophotovolta-ics power system for portable MEMS devices[J].Mi-croscale thermophysical engineering,2005,9:85-97.

[6]Ban H,Venkatesh S,Saito K.Convection-diffusion con-trolled laminar micro flames[J].J of Heat Transfer,1994,116:542-959.

[7]Matta L M,Neumeier Y,Lemon B,et al.Characteristics of microscale diffusion flames[J].Proceedings of the Com-bustion Insitute,2002,29:933-939.

[8]严传俊,范玮.燃烧学[M].西安:西北工业大学出版社,2006.

[9]惠萍.“电风”的风向和烛焰形状的分析[J].实验教学与仪器,1995,(4):18-19.

[10]龙丽红.烛焰在电场中偏斜的原因的探讨[J].钢仁师专学报,2001,(2):51-53.

[11]王丰华,朱子述.EHD强化传热中的电晕放电与离子风[J].高压电器,2003,39(6):43-45.

风电场谐波谐振测试与分析 篇8

近年来,国内大量风电项目并网发电,出现了多起由于谐波及谐振引起的风电机组脱网事故。例如,2008年2月内蒙古某风电场由于谐波导致风电场内运行风电机组大面积脱网[1];2008 年年底,河南某风电场由于电气化铁路影响导致系统不平衡、谐波增加,出现多台风电机组故障脱网[2];2013 年4月广东某风电场由于14次谐波谐振,导致某些工况下场内风电机组无法正常运行[3]。谐波谐振理论分析复杂,同时谐振受参数及系统运行工况的影响较大,且通常表现为局部问题,因此难以分析和精确定位;另一方面,由于谐振过电压、过电流会导致设备绝缘或热稳定破坏,严重危害设备的正常运行,如果不妥善处理谐波谐振问题,谐振点附近的供用电设备将无法正常稳定运行。

本文基于风电场风电机组脱网现象,分析得出谐波是造成风电机组脱网的主要原因。为分析谐波来源及特征,提出了风电场系统化的谐波测试方案[4]。根据谐波测试结果,提出了改善风电谐波谐振的措施,并通过仿真分析和测试数据证明了改善措施的有效性。

1 风电脱网初步分析

风电场一期装机容量为50 MW,安装25 台2 MW双馈型风电机组,通过0.69kV/35kV箱式变压器将风电机组接入风电场35kV线路,升压至220kV后接入供电网络。故障过程中,风电机组变流器报“直流母线过压、滤波电容过流”故障,部分风电机组变桨系统供电模块烧毁、保护装置动作,导致多台风电机组脱网。部分处于风速较小区域的风电机组未进入并网发电状态(处于待风状态),这部分风电机组主控报错,错误类型为“电网相角偏差大”。风电场典型故障时场内风电机组故障状况如表1所示。

依据故障现象及报警信息,初步分析风电脱网原因可能由谐波导致。由于风电场故障录波器不具备谐波启动功能,故障脱网期间故障录波器没有启动录波;同时,风电机组的录波信息为秒级的动态数据,无法定量分析谐波特性;因此,通过制定完整的测试方案,分析掌握风电场谐波特点及谐波来源。

2 测试方案及测试结果

2.1 测试方案

测试地点选择在风电场主变压器高压侧220kV母线、风电场35kV母线和风电机组箱式变压器低压侧。风电场接线方式如图1所示,图中标明了测试点的位置,根据测点布局,可以获得风电场内不同电压等级的运行谐波数据,为全面分析故障原因,掌握故障前后风电场、风电机组运行状态,提出合理的治理方案提供依据。

2.2 测试结果

背景谐波含量的大小会对风电场的正常运行产生直接影响,成为诱发谐振的主要因素之一。被测风电场的背景谐波主要来自邻近高耗能负载设备———电解铝整流机组,表2列出了被测风电场和其他两个可正常运行风电场的11次、23次背景谐波电压含量UH11和UH23及背景电压谐波总畸变率Tu,其中被测风电场11次、23次背景谐波电压含量均明显大于正常运行风电场。

表3列出了测试风电场在不同出力工况下各测点的电压总谐波畸变率,可以看出风电场在不同出力工况下运行时,系统谐波含量变化较小。

正常运行工况下,对风电场中不同电压等级的特征谐波进行了测试,测试结果如下。

1)风电场主变压器高压侧220kV母线2~50次谐波电压和谐波电流含量如附录A图A1 所示。11,19,23 和25 次谐波电压含量较大,其中23次谐波电压最大达到1.6%,23次谐波电流最大达到了5.1A,超出国标规定限值。

2)风电场主变压器低压侧35kV母线侧2~50次谐波电压和谐波电流含量如附录A图A2 所示。11,13,19和23次谐波含量较大,其中23次谐波电压最大达到2.7%,23次谐波电流最大达到了33A,25次谐波电流最大值达6.2A,均超出国标规定限值。

3)测试风电机组箱式变压器低压侧2~50次谐波电压和谐波电流含量如附录A图A3所示。19,23和25次谐波含量较大,其中23次谐波电压最大值为8.1%,23 次谐波电流最大值为70 A,25 次谐波电流最大值为18A,均超出国标规定限值。

3 风电谐振脱网分析

3.1 风电脱网故障前后谐波变化

故障过程中,风电机组侧谐波含量最大,停机前后波动也最大。风电机组箱式变压器低压侧电压从400V升至488V,部分风电机组变桨系统供电模块烧毁,同时电流从16A骤升至436A,风电机组报“变流器滤波电容过流”故障脱网,过电压及电流骤升过程持续约5s。故障脱网前风电机组箱式变压器低压侧23次谐波电压最大达到9%,19次谐波电压和25次谐波电压分别达到1.3%和2.0%,其主要原因是临近高耗能电解铝整流机组运行方式变化导致供电系统内谐波增加,风电机组低压侧产生谐振。故障前、后风电机组箱式变压器低压侧电压、电流波形如图2所示。

风电机组故障停机前后各测试点电压总谐波畸变率和23次谐波电压变化情况如图3和图4所示。故障脱网前,风电机组箱式变压器低压侧23 次和25次谐波电流分别达到了70A和18A,超过国家标准《GB/T 14549—93 电能质量公用电网谐波》规定的限值。风电场主变压器高、低压侧电压总谐波畸变率则呈缓慢上升趋势。风电机组故障后变流器被切除,使得谐振点附近供电系统容抗发生改变,谐振消失,导致风电机组箱式变压器低压侧电压总谐波畸变率迅速下降至4%以下。随着多台风电机组陆续脱网,风电场主变压器高、低压侧电压总谐波畸变率呈逐步下降趋势。

风电机组出现故障停机前,其箱式变压器低压侧电压总谐波畸变率突然上升,而此时风电场主变压器高、低压侧电压总谐波畸变率未出现明显上升;从谐波频谱看,风电场内220kV,35kV和0.69kV侧23次谐波电压分别达到了1.6%,2.6%,8.1%;23次谐波电流分别达到了5.1A,33A,70A。从上述三个不同电压等级测试点谐波电压和谐波电流含量来看,距离谐振点(即风电机组箱式变压器低压侧)越近,谐波含量越大。在谐振发生时刻风电机组低压侧出现了图2 所示的电压突升和过电流。如图3和图4所示,故障停机前后风电机组低压侧电压总谐波畸变率和23次谐波电压均出现了明显变化,据此判断风电机组箱式变压器低压侧发生了谐波谐振,谐振频率为1 150Hz。

3.2 风电机组谐振分析

变流器工作原理决定了其运行时会产生高次谐波[5,6,7],根据相关设计标准,风电机组变流器需设计网侧滤波器分流高频谐波,最大程度减少高频谐波流入电网。风电机组变流器滤波电容中流过的电流可根据式(1)计算得到。

式中:I为电流;U为线电压;ω 为角频率;C为风电机组变流器滤波电容值;n为谐波次数;f0为电网基波频率。

由式(1)可知,交流电容的容抗与频率有反比关系,因此电网上的n次谐波电压在变流器滤波电容上产生的谐波电流会放大数十倍,造成风电机组变流器滤波电容过流保护,严重时烧毁电容。当电网中存在11次谐波电压时,在同样的电压幅值下产生11次谐波电流,此谐波电流在滤波电容上产生的电流量为基波电流的11倍,因此9% 的11次谐波电压即可产生63A的谐波电流。

根据风电机组LC滤波器的设计参数,电感为0.4mH,电容为55.8μF,角形接法共三组,可计算出该风电机组LC滤波器的谐振峰值为600 Hz左右,穿越频率为200 Hz左右,该滤波器起到将高频谐波分流的作用,如图5中蓝色实线框所示。

从电网向风机侧看,风电机组箱式变压器漏感Lg与变流器网侧滤波电容Cg存在一个谐振频率,现场实际箱式变压器短路阻抗为6.45%,漏感为41.5μH,如图5中红色虚线框所示。

式中:fc为谐振点谐振频率;L为风电机组箱式变压器漏感。

根据式(2)计算出谐振频率约为1.1kHz,风电机组箱式变压器漏感与变流器滤波电容之间易产生22倍频附近的谐振,导致谐振点谐波含量骤增,滤波电容过流,风电机组故障脱网。

4 治理方案及效果验证

由于风电机组变流器内没有空间加装滤波装置,可以考虑在风电场35kV母线加装动态无功补偿装置,但成本较高。因此通过改变谐振回路参数,使系统谐振频率远离变流器特征谐波频率的方法消除谐振。受变流器开关频率限制,较高频次的谐波难以有效消除,故风电机组变流器滤波电容Cg取值原则是消除7次(350 Hz)及以下谐波,为目前主流配置方式[8,9,10]。本项目的实施方案是调整串接在风电机组变流器上的滤波电容值Cg,同时优化软件控制策略,达到抑制谐波、消除谐振的目标。

依照图5 双馈型风电机组原理图结构,在MATLAB中建立风电机组谐波仿真分析网络模型,模型考虑风电机组定、转子电抗,风电机组LC滤波器电容及电抗,风电机组箱式变压器电抗,对外部35kV及以上电网,按照典型200 MVA短路容量考虑等值电抗,风电机组频率响应特性仿真图如图6所示。改造前风电机组谐振点约在1 100 Hz左右,调整滤波电容值为原值的10% 左右后,谐振点偏移到2 500 Hz以上。按照附录A图A3的实测频率,设计上可有效避开谐振点。软件设计上,通过上移低通滤波器的截止频率逼近谐振点,能更好地滤除高频谐波[11,12,13,14,15,16,17]。

实测结果表明改造后风电机组箱式变压器低压侧谐波含量明显下降,电压总谐波畸变率为1.29%,其中23 次谐波电压为0.97%,23 次谐波电流为6A。改造后风电场、风电机组谐波总畸变率如表4所示,风电机组箱式变压器低压侧2~50次谐波电压和谐波电流频谱如附录A图A4所示,改造后风电机组及风电场均可以长期稳定运行。

5 结论

本文以实测数据为基础,使用频谱分析法分析了某风电场中风电机组谐振脱网事故。通过改变风电机组变流器网侧滤波电容器参数、优化变流器控制策略抑制谐振,并验证了该方法的有效性。结论如下。

1)存在于邻近系统中的大量电网背景谐波,易引起风电机组变流器滤波电容、箱式变压器、线路等形成谐振回路,引发谐振。

2)风电机组主控报“电网相角差大”故障停机的主要原因是由于电网中谐波含量较大,本文将主控中相位/频率的控制逻辑功能配置到变流器中,出现不平衡故障时,由变流器作出判断,切除风电机组。

3)通过调整风电机组变流器滤波电容参数、优化控制策略,避免了风电机组变流器滤波电容与电网的谐振。

4)改造后风电机组注入电网的低频谐波含量有所增加,但并未影响风电机组、风电场和邻近负载的稳定运行。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：分析风电机组脱网事故,提出了风电谐波测试方案,研究风电场并网点、集电线路母线、风电机组等不同电气位置的谐波水平及特征,简要分析了谐波谐振导致风电机组脱网的故障机理,得出谐振是由风电机组箱式变压器感抗和风电机组变流器网侧滤波电容容抗引起,并计算出谐振点谐振频率约为1.1kHz。最后,结合现场工程实际提出了谐波谐振治理方案,通过仿真结果和现场测试验证了谐波谐振治理的效果。