海缆寄生电参量对广域海底观测网络供电稳定性的影响机理研究

With the development and requirement on marine security, marine economy and marine science, large scale seafloor observation network that enables long-term, continual, real-time, in-situ observation and ocean transparent is becoming an ocean research hotspot, in which, parasitic electrical parameters of submarine cable have significant impact on the power system stability of large scale seafloor observation network. In this research, effect of submarine cable parasitic electrical parameter imposed on the stability of power system of large scale seafloor network is studied. Firstly, the elements of the underwater power system are decomposed and studied individually, based on which the electrical and mathematic model of the system is built. Secondly, research on stability mechanism and characteristic in the scenarios of system start-up, load switching and flashover discharge on main cable are carried out based on the mathematic model, from which the system stable boundary condition and impact factor are concluded. Then, simulative and testing platforms of large scale seafloor power supply system based on submarine cable parasitic electrical parameters are constructed, on which theoretical analysis is validated and theoretical derivation is revised according to the results. Finally, the design theory and analysis method of power system stability of large scale seafloor observation network based on submarine cable parasitic electrical parameter are established, which will provide essential theory and method for constructing domestic large scale seafloor observation network.

随着海洋安全、海洋经济和海洋科学的发展和需求，可实现海洋长期、连续、实时、原位观测并实现海洋“透明化”的广域海底观测网络成为海洋研究热点，而海缆寄生电参量对广域海底观测网络供电系统的稳定性具有重要影响。本项目针对海缆寄生电参量对广域海底观测网络供电稳定性的影响机理开展相关理论研究。首先，通过研究建立基于海缆寄生电参量的广域海底直流供电系统的电气和数学理论模型；其次，在理论模型基础上开展系统启动、稳态运行、负载切变和非常态闪络放电情况下系统的稳定性机理和特性研究，获得系统的稳定边界条件和影响因子；然后，搭建基于海缆寄生电参量的广域海底供电系统的仿真和试验平台，在平台上对理论分析进行验证，并根据结果对理论推导进行修正；最终，建立完整的针对海缆寄生电参量的广域海底观测网络供电系统稳定性的设计理论和分析方法，为我国建立广域海底观测网络奠定理论基础。

在传统直流供配电或微电网系统中，电源和负载节点距离较近，输电线路的寄生电参量数值较小而忽略不计或者仅仅考虑电阻特性。然而，海底观测网节点之间的输电线路较长，线路上的寄生电参量数值较大而对系统的稳定性产生了显著的影响，海缆寄生电参量对广域海底观测网供电系统稳定性具有极大影响，其影响机理是研究和建设实用性海底观测网必不可少的理论基础。.项目首先研究了基于海缆寄生电参量的广域网络直流供电系统理论模型，得到了电源、长距离输电缆、高频换能节点、负载等环节的电气模型，最终组成网格化的输配电网络模型，为后续研究不同事件下的系统稳定性提供数学基础。.海缆寄生电参量对广域网络启动瞬态的稳定性影响也是本项目的研究重点之一，本项目着重研究分析了在特定电源、特定负载下，不同的输电网络、海缆结构所具有的稳定特征，得出了基于网络结构、海缆寄生电参量的系统稳定启动的边界条件以及各个参量的影响因子，为海底观测网设计和稳定启动提供理论依据。.广域海底观测网负载切变时的动态稳定性研究是保证系统正常运行的关键理论。本项目研究了不同特性和不同等级的负载在不同的网络结构下接入和脱离网络等情况下的系统动态稳定性，揭示了负载动态变化对系统稳定性的影响机理，获得了影响系统动态稳定性的因素和影响因子，为系统的稳定性设计和负载接驳管理提供了理论依据。.非常态下的闪络放电在海底观测网中存在破坏性，严重影响到系统的可靠性，而电压浪涌的形成与海缆寄生电参量具有特定的关系，本项目通过理论和实验研究，了解了浪涌形成机理、浪涌能量等级以及其对后续节点的破坏方式，为海底观测网设计、故障保护、可靠性设计提供了有力的理论支撑。.为充分利用缆系海底观测网的优势，构建海洋立体观测网络，设计并实现了海底观测网非接触式水下接驳系统以及恒流缆系海底观测网络。研究成果将直接推动我国多节点广域海底观测网络的基础技术发展，实现海洋“透明化”，支撑海洋资源的探测与利用。