基于全寿命周期成本的超导故障限流器经济性配置方法研究

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随着电网规模的扩大与网间联系紧密程度的增加,不断增长的短路电流水平对系统和设备安全的威胁愈加严重。过高的短路电流水平造成的威胁必将成为电网后续发展的重大桎梏。在此情况下,采取限流措施是电网规划阶段必须考虑的问题,安装故障限流器是现阶段设备级短路电流超标抑制策略的首选。随着超导材料及其控制技术的发展,超导故障限流器(SFCL)因其在限流效果以及动作速度上的优势成为研究重点。由于电网中常常存在多点超标问题,考虑SFCL成本高昂,一般采用通过所安装限流器的协同动作进行限流的全局配置方式,能在保证限流效果的同时最小化故障限流器的配置成本。对于SFCL这类长期投运的设备进行经济性规划配置时,不应仅考虑其初始配置成本,更应考虑其全寿命周期成本——产品设备在其使用年限内,包括投入、运行与维护等所有成本之和。对SFCL的配置问题,本文纳入以全寿命周期成本最优为新的经济性成本校核目标,并进一步考虑SFCL的动作门槛整定,提出相应的研究思路与解决方案。本文首先简要介绍了目前短路电流超标的严峻形势与全寿命周期规划在工程规划中的具体实施方式。针对SFCL的响应特性以及其配置特点,构造了基于材料固有疲劳寿命的SFCL寿命损耗模型,在此基础上提出计及装设、损耗、维护等成本的全寿命周期成本计算方式。基于系统参数和专家经验,分析并构造考虑短路电流水平影响因素——故障线路、故障位置、故障类型以及系统运行状态的蒙特卡洛模拟概率模型,用于SFCL的故障模拟与寿命拟算。然后,本文构建了满足限流等约束的、以全局购置安装成本最优为目标函数的Pareto最优配置模型,求解获得基本配置方案的最优集合。通过对基础解集中各SFCL进行以目标系统为基础构建的蒙特卡洛故障模拟,评估SFCL的动作行为,分析其损耗与寿命,对各SFCL进行成本分析,从而得到对应配置方案的全寿命周期意义下的总成本,在基本配置方案集中筛选出全寿命成本下的最优的SFCL配置方案。最后,探讨SFCL动作门槛与其寿命损耗两者关系,考虑通过对SFCL的动作门槛进行整定,进一步地提高SFCL的使用效率。并在原成本函数的基础上,计及SFCL更换与电网规划周期年限的配合,得到新的全寿命周期成本函数。在已获得的Pareto基本配置方案解集的基础上,将每个基础配置方案安装位置作为基础定量,对动作门槛、限流容量进行寻优,得到该基础配置方案下与电网规划周期相匹配的门槛整定方式与限流容量,再进行各方案的最优全寿命周期成本筛选,得到考虑门槛差异化整定的SFCL全寿命周期成本配置方案。
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