CN102222438A - 一种用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置，用于直流运行人员的岗前培训。所述直流输电系统的主电路包括整流侧电路和逆变侧电路，所述整流侧电路的交流母线I与动模实验室的整流侧等值交流电网连接，即外部市网相连，交流电压大小为380V，模拟实际中的380kV的交流电压；逆变侧电路的交流母线II与动模实验室的逆变侧等值交流电网连接，即与动模网相连，交流电压为1000V，模拟实际中的500kV电网交流电压；所述上位机通过控制保护电路在逆变侧电路的动模实验室的逆变侧等值交流电网和直流输电系统主电路上进行动作，完成对逆变侧电路的交流端发生故障的瞬时直流动态响应的模拟。

Description

一种用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置
技术领域
本发明涉及一种用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置。
背景技术
自1954年瑞典哥特兰的世界上第一项高压直流输电工程投运以来，高压直流输电技术已随着电力电子技术的突飞猛进而飞速发展，它在长距离输电、电网互联等方面有独特优点，已作为高压交流输电技术的有力补充而在全世界广泛应用。其主要优点为：提高传输容量和传输距离。随着电网区域的扩大，电能的传输容量和传输距离也不断增大。所需电网电压等级越高，紧凑型输电的效果越好；提高电能传输的经济性。输电电压越高，输送单位容量的价格越低；节省线路走廊。一般来说，一回1150kV输电线路可代替6回500kV线路。采用特高压输电提高了走廊利用率。我国幅员辽阔，西电东送、南北互供的电网发展战略使高压直流输电技术大有用武之地，目前我国已经投运多个直流系统。
高压直流输电作为新兴的技术，目前在我国还处于刚起步的阶段，在实际运行中难免会出现很多不可预计的故障，导致单极闭锁、换相失败等较为严重的后果。
根据有关电力生产单位现有的培训设施和条件，目前对参与直流运行的工作人员培训的方法基本都在课堂进行，主要是理论体系的培训。到需要用相应仪器设备实际操作时，缺少能够很好地模拟现场实际的动模实验装置，即便是到运行现场实际操作，除了对安全运行带来隐患外也未必能提高处理应急故障的水平。这显然不能达到专业技术培训的目的。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置，用于直流运行人员的岗前培训。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置，它在动模实验室中搭建直流输电系统的主电路与控制保护电路，并在该平台上设置上位机与控制保护电路连接，上位机还通过监测电路与主电路连接；其中，所述直流输电系统的主电路包括整流侧电路和逆变侧电路，所述整流侧电路的交流母线I与动模实验室的整流侧等值交流电网连接，即外部市网相连，交流电压大小为380V，模拟实际中的380kV的交流电压；逆变侧电路的交流母线II与动模实验室的逆变侧等值交流电网连接，即与动模网相连，交流电压为1000V，模拟实际中的500kV电网交流电压；所述上位机通过控制保护电路在逆变侧电路的动模实验室的逆变侧等值交流电网和直流输电系统主电路上进行动作，在上面不同位置设置故障，并收集逆变侧电路两端的交流电压与电流和直流电压、电流、触发角参数，并进行数据信号的分析，完成对逆变侧电路的交流端发生故障的瞬时直流动态响应的模拟。
所述整流侧电路包括整流侧等值交流电网，它与交流母线I连接，在交流母线I上并联有若干个换流变压器I，各换流变压器I与一个相应的换流阀I连接，各换流阀I串接，串接的换流阀I间通过隔离开关I与中性点接地电阻I连接后接地；同时串接的换流阀I两端还分别通过平波电抗器I、直流输电线路电阻与逆变侧电路的平波电抗器II串接；同时交流母线I还与工作线路I连接，在工作线路I上并联若干个补偿电容I、若干组交流滤波器I；
所述逆变侧电路的交流母线II与逆变侧等值交流电网连接，交流母线II上并联若干个换流变压器II，各换流变压器II与一个相应的换流阀II连接，各换流阀II串接，串接的换流阀II间通过隔离开关II与中性点接地电阻II连接后接地；同时串接的换流阀II两端还分别通过平波电抗器II、直流输电线路电阻与整流侧电路的平波电抗器I串接；同时交流母线II还与工作线路II连接，在工作线路II上并联若干个补偿电容II、若干组交流滤波器II；
所述各隔离开关、各换流阀、各电压互感器和电流互感器均与控制保护电路连接。
所述控制保护电路包括一个DSP控制电路，它与通过网口与上位机连接；DSP控制器还通过一个A/D采样模块、一个信号调理电路、与一个传感器和互感器模块连接，该传感器和互感器模块设置在主电路；同时，DSP控制器还与各隔离开关连接，而且DSP控制器还通过CPLD电路、晶闸管驱动电路与各换流阀连接。
所述监测电路包括一个数据采集卡、一个信号调理电路、一个传感器和互感器模块，该数据采集卡与上位机连接和信号调理电路连接，信号调理电路通过传感器和互感器模块与主电路连接。控制保护电路和监控电路构造图如图2所示。
本发明中，搭建了直流输电系统的主电路与控制保护电路，并在该平台上实现其控制保护系统，通过设置各种故障(如单相接地故障等)，利用数据采集系统与底层控制器收集交直流系统各变量的数据，通过网口通信输出到监控机，并利用上位机应用软件编程进行数据信号的分析，供培训人员学习和参考。
直流输电系统的整流侧电路的交流母线与动模实验室的外部市网相连，交流电压大小为380V，模拟的实际中的380kV的交流电压。该侧在实验中属于固定侧，装置是事先调整好不进行动作的。
直流输电系统的逆变侧电路的交流母线与动模实验室的动模网相连，一般交流电压为1000V，模拟的实际中的500kV电网交流电压。在动模实验室操作是在逆变侧动模网和直流系统上进行动作，在上面不同位置设置故障，通过在不同位置设置故障，利用数据采集系统与底层控制器输出交流系统的电压与电流和直流系统的电压、电流、触发角等参数到监控机，并利用上位机应用软件编程进行数据信号的分析，使实验人员对逆变侧交流端发生故障的瞬时直流动态响应有更深的认识，提高了运行人员在现场实际操作时遇见紧急故障的判断能力和处理能力。
上位机能够实现对整个系统状态的实时监视与控制。DSP控制器控制产生整流器和逆变器的触发脉冲，以及控制开关动作，并把有关运行信息反馈给上位机。
本发明的有益效果是：它可以在非电力生产现场有限的场地内模拟研究直流输电系统的动态特性，解决了直流输电系统专业技术培训没有相应设备仪器实际操作的难题，提高了受训人员在实际操作中的综合分析、判断解决各类故障的技能。
附图说明
图1为直流输电系统总体结构(主电路和控制保护系统)；
图2为控制保护系统电路图。
其中，1.整流侧等值交流电网，2.交流母线I，3.换流变压器I，4.换流阀I，5.隔离开关I，6.平波电抗器I，7.中性母线接地极I，8补偿电容I，9.交流滤波器I，10.直流输电线电阻，11.逆变侧等值交流电网，12.交流母线II，13.换流变压器II，14.换流阀II，15.隔离开关II，16.平波电抗器II，17.逆变侧中性母线接地极，18.补偿电容II，19.交流滤波器II，20.电流互感器，21.电压互感器，22.控制保护系统，23.上位机，24.网口，25.DSP控制器，26.A/D模块，27.信号调理电路I，28.传感器与互感器模块I，29.CPLD电路，30.晶闸管驱动电路，31.数据采集卡，32.信号调理电路II，33.传感器与互感器模块II。V1-V12为电压互感器接口，I1-I12为电流互感器接口，T1-T8为换流阀触发脉冲接口。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1、图2中，它在动模实验室中搭建直流输电系统的主电路与控制保护电路，并在该平台上设置上位机23与控制保护电路连接，上位机23还通过监测电路与主电路连接；其中，所述直流输电系统的主电路包括整流侧电路和逆变侧电路，所述整流侧电路的交流母线I2与动模实验室的整流侧等值交流电网1连接，即外部市网相连，交流电压大小为380V，模拟实际中的380kV的交流电压；逆变侧电路的交流母线II12与动模实验室的逆变侧等值交流电网11(动模网)相连，交流电压为1000V，模拟实际中的500kV电网交流电压；所述上位机23通过控制保护电路在逆变侧电路的动模实验室的逆变侧等值交流电网11和直流输电系统主电路上进行动作，在上面不同位置设置故障，并收集逆变侧电路两端的交流电压与电流和直流电压、电流、触发角参数，并进行数据信号的分析，完成对逆变侧电路的交流端发生故障的瞬时直流动态响应的模拟。
所述整流侧电路包括整流侧等值交流电网，它与交流母线I2连接，在交流母线I2上并联有若干个换流变压器I3，各换流变压器I3与一个相应的换流阀I4连接，各换流阀I4串接，串接的换流阀I4间通过隔离开关I5与中性母线接地极I7连接；同时串接的换流阀I4两端还分别通过平波电抗器I6、直流输电线路电阻10与逆变侧电路的平波电抗器I I 16串接；同时交流母线I2还与工作线路I连接，在工作线路I上并联若干个补偿电容I8、若干组交流滤波器I9；
所述逆变侧电路的交流母线II12与逆变侧等值交流电网连接，交流母线II12上并联若干个换流变压器II13，各换流变压器II13与一个相应的换流阀II14连接，各换流阀II14串接，串接的换流阀II14间通过隔离开关II15与中性点接地极II17连接；同时串接的换流阀II14两端还分别通过平波电抗器II16、直流输电线路电阻10与整流侧电路的平波电抗器I6串接；同时交流母线II12还与工作线路II连接，在工作线路II上并联若干个补偿电容II18、若干组交流滤波器II19；
所述各隔离开关、各换流阀均与控制保护电路连接。
所述控制保护电路包括DSP控制电路25，它与通过网口24与上位机23连接；DSP控制器25还通过A/D模块26、信号调理电路I27、与传感器和互感器模块I28，传感器和互感器模块I28设置在主电路；同时，DSP控制器25还与各隔离开关连接，同时DSP控制器25还通过CPLD电路29、晶闸管驱动电路30与各换流阀连接。
所述监测电路包括数据采集卡31、信号调理电路II32、传感器和互感器模块II33，数据采集卡31与上位机23连接，数据采集卡31与信号调理电路II32连接，信号调理电路II32通过传感器和互感器模块II33与主电路连接。
本发明的工作过程为：以直流输电线路的接地故障为例，正常情况下，隔离开关I5和隔离开关II15都闭合，动模装置在控制保护系统的作用下额定运行，在直流输电线路上设置接地故障，直流线路的电压电流会发生突变，该变化通过电压互感器V6和电流互感器I6传送到控制保护装置22，传感器和互感器模块I28与传感器和互感器模块II33接收该变化信号，逐级上传，传送到上位机23和DSP控制电路25，DSP控制电路25根据信号的变化通过晶闸管驱动电路30与T1-T8连接改变输出的触发脉冲，这样会达到恢复电压电流的效果，此时故障如果消除，系统即恢复额定运行。如果故障未消除，还要通过DSP控制电路25控制所有隔离开关I5和隔离开关II15的动作。以上述故障为例，在该线路接地故障下会先打开该线路上与平波电抗器I6、平波电抗器III6相连的隔离开关，进而打开与补偿电容I8和补偿电容II18连接的隔离开关，切除电容，防止换流母线I2和换流母线II12过电压。这样会针对该故障起到断开故障线路和保护设备的效果。当然，根据故障类型的不同，每个隔离开关的动作也会随之改变。

Claims (4)

1.一种用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置，其特征是，它在动模实验室中搭建直流输电系统的主电路与控制保护电路，并在该平台上设置上位机与控制保护电路连接，上位机还通过监测电路与主电路连接；其中，所述直流输电系统的主电路包括整流侧电路和逆变侧电路，所述整流侧电路的交流母线I与动模实验室的整流侧等值交流电网连接，即外部市网相连，交流电压大小为380V，模拟实际中的380kV的交流电压；逆变侧电路的交流母线II与动模实验室的逆变侧等值交流电网连接，即与动模网相连，交流电压为1000V，模拟实际中的500kV电网交流电压；所述上位机通过控制保护电路在逆变侧电路的动模实验室的逆变侧等值交流电网和直流输电系统主电路上进行动作，在上面不同位置设置故障，并收集逆变侧电路两端的交流电压与电流和直流电压、电流、触发角参数，并进行数据信号的分析，完成对逆变侧电路的交流端发生故障的瞬时直流动态响应的模拟。
2.如权利要求1所述的用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置，其特征是，所述整流侧电路包括整流侧等值交流电网，它与交流母线I连接，在交流母线I上并联有若干个换流变压器I，各换流变压器I与一个相应的换流阀I连接，各换流阀I串接，串接的换流阀I间通过隔离开关I与中性点接地极I连接；同时串接的换流阀I两端还分别通过平波电抗器I、直流输电线路电阻与逆变侧电路的平波电抗器II串接；同时交流母线I还与工作线路I连接，在工作线路I上并联若干个补偿电容I、若干组交流滤波器I；
所述逆变侧电路的交流母线II与逆变侧等值交流电网连接，交流母线II上并联若干个换流变压器II，各换流变压器II与一个相应的换流阀II连接，各换流阀II串接，串接的换流阀II间通过隔离开关II与中性点接地极II连接；同时串接的换流阀II两端还分别通过平波电抗器II、直流输电线路电阻II与整流侧电路的平波电抗器I、直流输电线路电阻I串接；同时交流母线II还与工作线路II连接，在工作线路II上并联若干个补偿电容II、若干组交流滤波器II；
所述各隔离开关、各换流阀均与控制保护电路连接。
3.如权利要求1或2所述的用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置，其特征是，所述控制保护电路包括DSP控制电路，它与通过网口与上位机连接；DSP控制器还通过A/D模块、信号调理电路I、与传感器和互感器模块I，传感器和互感器模块I设置在主电路；同时，DSP控制器还与各隔离开关连接，同时DSP控制器还通过CPLD电路、晶闸管驱动电路与各换流阀连接。
4.如权利要求1所述的用于直流输电系统动态特性研究的动模实验装置，其特征是，所述监测电路包括数据采集卡、信号调理电路II、传感器和互感器模块II，数据采集卡与上位机连接，数据采集卡与信号调理电路II连接，信号调理电路II通过传感器和互感器模块II与主电路连接。
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