随着“双碳”目标工作深入推进,构建以新能源为主体的新型电力系统,是推进能源低碳转型、实现“双碳”目标的重要举措。但随着更多分布式能源系统的并网,尤其是新能源系统发电的日益增多,配用电系统会呈现出非线性、随机性等特征。因此,为保证配用电系统的安全性以及可靠性,避免发生电弧电气火灾造成不可逆的损害,对掌握显著的电弧演化特性提出了更大的挑战,亟需更为全面、深入的研究多维电弧特性建模及其与系统的相互作用过程。
针对现有电弧模型无法同时考虑电弧动态演化过程与非线性系统干扰影响机制的问题,本文首先开展了光伏系统直流故障电弧多维时频特性的实验研究,获得了不同电流以及弧长因素影响条件下的电弧特性演化规律。其次对现有粉红噪声模型建立时频特性模拟性能评估的目标函数,采用大规模迁移的大雁优化算法建立系统电流等级、弧长间隙与电弧频谱噪声之间的关联关系,改进的动态粉红噪声模型相比于静态模型提升约85%。然后对现有Paukert模型建立时域特性相较于实验结果的模拟性能误差评估指标,针对部分弧长下Paukert模型模拟不精准的问题,通过参数拟合所获得改进的Paukert模型,相比于静态模型提升约3.88%。
针对系统影响因素变化时电弧物理参数及时频特征演化机制与关联规律不清晰的问题,本文构建磁流体动力学模型(Magneto-Hydro Dynamics,MHD)以获取不同电流等级、电弧间隙影响下的电弧物理参数,通过互信息熵分别揭示了电弧物理参数与电弧时域特征频域特征之间的关系,结果表明电弧焓值与时域、频域特征的互信息熵均为最高。然后,为了更进一步同步表征电弧物理参数与时频特征的相关性,本文构建了贝叶斯网络来研究多电流等级、弧长间隙条件下的故障电弧物理参数与时频特征之间的关联关系,以从物理和电气角度更全面地表达电弧特征。通过将MHD模型纳入故障电弧特征仿真系统,可以考虑系统因素通过影响电弧物理参数进而改变电弧时频特征的物理过程。
针对系统因素弱化电弧频谱特征甚至引发检测失效机理不清的问题,首先开展了不同拓扑结构、系统噪声影响条件下的故障电弧模拟实验,获得了不同系统因素对电弧频谱特征的弱化规律。其次改变直流故障电弧系统化仿真模型中的逆变器拓扑结构以及最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制方式,通过分析仿真电流的频谱特征,发现逆变器结构、MPPT控制方式、环境因素和系统噪声会引发电弧频谱特征差异,进而影响直流故障电弧检测的可靠性。最后,在多支路并联直流系统中开展电弧特性传播规律研究,发现汇流线上发生的故障电弧会产生噪声,传导至直流支路以及逆变器交流侧,会对正常运行时的电量时频特征造成干扰。因此,通过模拟多系统因素干扰条件下的故障电弧时频特征,可提出更通用的故障电弧特征和检测算法,为提高故障电弧检测技术的可靠性奠定了基础。
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