一種電力電纜間接熱階躍實驗系統(tǒng)及其實驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電力電纜的熱階躍實驗系統(tǒng)及其實驗方法，特別涉及一種電力電 纜間接熱階躍實驗系統(tǒng)及其實驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自20世紀80年代以來，電已經(jīng)成為人們生產(chǎn)、生活不可或缺的一部分，為了滿足 人們?nèi)找嬖鲩L的生產(chǎn)、生活水平對電的需求，國內(nèi)外的相關(guān)研宄人員一直致力于電力的安 全、高效以及可靠傳送的研宄。電力一般通過電纜將其從各發(fā)電廠、配電所發(fā)送至各用電用 戶。研宄人員通常通過電力電纜的熱動態(tài)來了解、研宄其熱模型、系統(tǒng)溫度、傳送電力能力、 壽命以及可靠性等。
[0003] 在分布式電網(wǎng)中的電力實時傳送系統(tǒng)中，以及實時利用系統(tǒng)信息提高動態(tài)負載管 理能力的智能電網(wǎng)中，電力電纜的熱動態(tài)分析無疑將發(fā)揮越來越重要的作用。目前，熱階躍 實驗已成為人們研宄電力電纜中熱動態(tài)分析的基本途徑之一。
[0004] 通常，人們以直接方式進行熱階躍實驗，即采用DTSE(直接熱階躍實驗）法。由階 躍的定義可知，在進行DTSE期間，輸入電纜的熱功率P應保持恒定，P是否穩(wěn)定以及P的穩(wěn) 定程度直接決定了 DTSE的成功與否、實驗的精度以及可靠性。
[0005] 電力在電纜的傳輸過程中，流入電纜的熱功率P可表示為時間t的函數(shù)：
[0006] P(t) = ffd+nlrms2 (t)R0(1+ α 20( Θ (t)-20)) (l+ys+yp) (1+ ? +? a) (I)
[0007] 式中，Wd為電纜的介電損耗；η為電纜的芯核數(shù)；I 為電纜傳輸?shù)碾娏饔行е担?Θ⑴為電纜芯核溫度；Rtl為20攝氏度時電纜芯核的直流電阻；α 2(|為電纜芯核溫度系數(shù)； ys為電纜的集膚效應系數(shù)；yp電纜的鄰近效應系數(shù)；γ s為電纜的護套損耗因子；γ a為電纜 的甲損耗因子。
[0008] 對于給定的電纜系統(tǒng)，Wd與電纜傳送的電力電壓等級（如36kV，IlOkV等）相關(guān)， 某一等級內(nèi)電壓的小范圍波動對它的影響不大。式（1)中的各系數(shù)、因子基本恒定，電纜芯 核溫度Θ (t)會隨著時間推移而不斷變化，直至電纜系統(tǒng)進入熱平衡狀態(tài)，熱平衡狀態(tài)指 的是一個系統(tǒng)的溫度不隨時間發(fā)生變化，處于熱平衡狀態(tài)時，流入系統(tǒng)的熱功率等于流出 系統(tǒng)的熱功率。
[0009] 由式⑴可知，P與1_、0⑴之間存在著非線性關(guān)系，要讓P不變，Inns應隨著 Θ (t)的變化而發(fā)生非線性變化。當P恒定時，Θ (t)與時間成多階指數(shù)關(guān)系，故讓P恒定 的1_其變化是很復雜的非線性變化，進而讓P恒定的I _控制系統(tǒng)也非常復雜。
[0010] 根據(jù)式（1)，現(xiàn)有的DTSE關(guān)鍵在于讓輸入電力電纜的熱功率P保持不變，可通過對 Iniis的控制來實現(xiàn)P恒定的直接控制。
[0011] 如圖1所示，熱功率指令Ugp代表流入電力電纜的熱功率期望值，Ufp代表流入電力 電纜的熱功率實際值；U gi代表流入電力電纜的電流期望值，U fi代表流入電力電纜的電流實 際值。APR為熱功率調(diào)節(jié)單元，其控制律根據(jù)情況可為比例積分、比例積分微分等。結(jié)合式 (I)，APR輸出U gi為流入電力電纜的電流期望值，以恒定流入電力電纜的熱功率。ACR為電 力電流調(diào)節(jié)單元，其控制律可采用比例積分、比例積分微分、自適應控制律等。讓流入電纜 的電力電流盡快逼近或達到其期望值Ugi乃該單元的基本任務(wù)。PWM控制回路為逆變回路 的電力電子器件提供相應控制信號U pwmi。逆變回路將公用電力轉(zhuǎn)換成與Upwmi對應的電流電 力流入電力電纜。由于在實驗室環(huán)境中，某一電壓級別（以kV為單位）的電力電壓一般波 動較小，對W d影響很小，可近似認為W d是恒定的。
[0012] 如圖1所示，DTSE為兩環(huán)反饋控制回路，外環(huán)實現(xiàn)熱功率的恒定控制，內(nèi)環(huán)控制流 入電纜的電力電流，讓它逼近電力電流的期望值U gi。由于電纜溫度隨著時間推移不斷呈多 階指數(shù)關(guān)系變化，由式（1)知，電力電流就需要不斷地跟蹤溫度的這種變化。在熱階躍開始 階段，電纜溫度變化很快，內(nèi)環(huán)控制單元需要很強的快速反應能力，才能控制電流較好地跟 上溫度的變化。電流一旦跟不上這種變化，熱功率就恒定不了了，從而導致熱階躍實驗不精 確、不可靠。由此可知，DTSE存在結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)環(huán)電力電流控制的快速性能、跟隨性能要求 很尚以及成本尚等缺點。
[0013] 事實上，根據(jù)式（1)及Θ (t)與時間t之間的多階指數(shù)關(guān)系，總可以得到維持P恒 定的電力電流Iniis*于時間t的函數(shù)f(t)，即I Mi= f(t)。如果I 按照f (t)的規(guī)律變 化，P就會保持不變。基于這種思路的控制方案如圖2所示，Ugp代表流入電力電纜的熱功 率期望值；U gi代表流入電力電纜的電流期望值，Ufi代表流入電力電纜的電流實際值。根據(jù) 式（1)并結(jié)合Θ (t)與時間t之間的多階指數(shù)關(guān)系，f(t)發(fā)生器產(chǎn)生能穩(wěn)定電纜熱功率的 電力電流期望控制信號Ugi。ACR為電力電流調(diào)節(jié)單元，其控制律可采用比例積分、比例積分 微分、自適應控制律等。讓流入電纜的電力電流盡快逼近或達到其期望值U gi乃該單元的基 本任務(wù)。PWM控制回路為逆變回路的電力電子器件提供相應控制信號Upwmi。逆變回路將公 用電力轉(zhuǎn)換成與U pwmi對應的電力電流流入電力電纜。
[0014] 如圖2所示，方案中流入電纜熱功率的恒定乃通過電流波形指令f(t)發(fā)生器及 對該指令的精確、快速跟隨間接實現(xiàn)的。電纜熱功率恒定的精度主要取決于電流波形指令 f(t)的獲取精度及逆變回路對指令f(t)的跟隨性能。由式（1)知，要精確確定f(t)，需要 電纜系統(tǒng)精確的物理參數(shù)及其熱模型特征參數(shù)。對于具體電纜系統(tǒng)，精確獲取這些參數(shù)成 本高。電纜溫度隨著時間呈多階指數(shù)關(guān)系變化，由式⑴知，電流波形指令f(t)隨時間變 化更復雜。在熱階躍開始階段，快速變化的電纜溫度決定了 f(t)的快速變化，這需要電流 控制環(huán)節(jié)及逆變器等具有很強的動態(tài)響應能力才能控制電力電流較好地跟上f(t)的這種 變化。由此可知，這種技術(shù)方案的缺點為：精度不高，這由熱功率的間接控制所確定，另外， f(t) 一般不會很精確；電力電流控制環(huán)節(jié)、逆變器等的快速性能、