CN102313850B

CN102313850B - 一种柔性直流输电系统的物理实时动态模拟装置

Info

Publication number: CN102313850B
Application number: CN201110171890.9A
Authority: CN
Inventors: 贺之渊; 刘栋; 赵岩; 杨岳峰; 王韧秋
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Global Energy Interconnection Research Institute
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-06-24
Also published as: CN102313850A; WO2012174827A1; US20140129195A1; US9659114B2

Abstract

本发明为一种柔性直流输电系统的物理实时动态模拟装置。该装置包括模拟换流变压器、模拟交流场、模拟直流场、模拟换流电抗器、模拟换流器、测量机箱和控制机箱；模拟交流场包括依次相连的开关I、接触器I、电阻和开关II；模拟直流场包括依次相连的开关III和接触器II；模拟交流场连接测量机箱和控制机箱；在所述电阻和所述开关II之间设置所述换流变压器；在所述开关II和开关III之间设置相连的所述模拟换流电抗器和所述模拟换流器。本发明能准确模拟不同电压等级下基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统，能够准确了解MMC-HVDC的运行特性和对控制系统指令的动态响应。

Description

一种柔性直流输电系统的物理实时动态模拟装置

技术领域：

本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种柔性直流输电系统的物理实时动态模拟装置。

背景技术：

柔性直流输电是采用直流作为中介的一种新的输电方式，采用基于可关断型器件的电压源型换流器和先进调制技术进行直流输电，具有可向孤岛供电、不会出现换相失败、不需无功补偿、能够灵活控制输出的有功及无功功率等优点，也是交流电网的有益补充，可以在实现电力输送的同时，提高现有交流输电系统的输送能力和稳定性，使现有交流输电系统得到更有效的利用。模块化多电平换流器由多个子模块串联组成，其子模块由旁路开关、晶闸管、IGBT、二极管和电容构成。

国家第一条MMC-HVDC工程即将在上海南汇风电场投运。而目前针对MMC-HVDC工程的物理模拟样机，其换流阀电平数基本在15电平以下，且体积大电压高，而RTDS只能做离线测试。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种动态模拟装置，能够准确模拟20-100MVA容量、不同电压等级的MMC-HVDC系统。

本发明提供的一种柔性直流输电系统的物理实时动态模拟装置，其改进之处在于，所述装置包括模拟换流变压器、模拟交流场、模拟直流场、模拟换流电抗器、模拟换流器、测量机箱和控制机箱；

所述模拟交流场包括依次相连的开关I、接触器I、电阻和开关II；所述模拟直流场包括依次相连的开关III和接触器II；所述模拟交流场连接所述测量机箱和所述控制机箱；

在所述电阻和所述开关II之间设置所述换流变压器；

在所述开关II和开关III之间设置相连的所述模拟换流电抗器和所述模拟换流器。

本发明提供的第一优选方案的装置，其改进之处在于，所述测量机箱包括模拟量采集板、信号调理板、开关量输入输出板、中央处理板、显示设备和录波设备；所述模拟量采集板采集相应模拟量和开关量，通过开关量输出接口输出控制信号，实现各级接触器的分/合闸操作。

本发明提供的第二优选方案的装置，其改进之处在于，所述控制机箱包括中央处理板、光纤通信板卡和电源板；所述中央处理板包括DSP、FPGA处理器、电平转换电路和通信通道；所述控制机箱用于连接被测试系统，将被测试系统的电流、电压等信号通过所述通信通道传给上层控制保护系统。其中，上层控制保护系统可为阀基电子控制器或控制保护系统。

本发明提供的第三优选方案的装置，其改进之处在于，所述模拟换流器为三相全桥形式，每相有上下两个换流桥臂，每个桥臂为多个等比缩小的模块化多电平换流器子模块板卡串联组成。

本发明提供的第四优选方案的装置，其改进之处在于，所述换流变压器为带抽头的三相YD连接双绕组变压器。

本发明提供的第五优选方案的装置，其改进之处在于，所述换流电抗器为三相低损耗高品质因数干式电抗器，每相两只，电抗值相同；每相的两只电抗器靠近变压器侧的接头短路，通过交流场开关II与变压器换流阀侧相连，另外两端分别连接换流阀该相的上下桥臂。

本发明提供的第六优选方案的装置，其改进之处在于，设置接触器III与所述电阻并联。

本发明提供的第七优选方案的装置，其改进之处在于，所述换流变压器为非标准变比，根据被模拟系统选择动模装置的容量比和变压器变比，公式为：

本发明提供的第八优选方案的装置，其改进之处在于，所述换流电抗器不仅按实际工程阻抗比设计，还要能够限制模拟装置的暂态和故障态电流过冲，电流和阻抗模拟比为：

N_{I} = \frac{N_{S}}{N_{V}}

N_{Z} = \frac{N_{V}}{N_{I}}

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明能准确模拟20-100MVA容量、不同电压等级下基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统(MMC-HVDC)，能够准确了解MMC-HVDC的运行特性和对控制系统指令的动态响应。

本发明的换流器采用模块化设计结构紧凑，散热和调试方便。

本发明的桥臂采用负阻串联抗补偿，能够大大减小低压器件的导通阻抗占其工作电压的比例，并且与实际工程接近。

本发明的子模块的控制器不需要高位取能电路，直接采用低压送能模式，使得低压子模块中的电容能量不会过多消耗在控制器中，并且与实际工程接近。

附图说明

图1是本发明提供的动态模拟试验装置的主电路结构示意图和传感器配置图。

图2是本发明提供的动态模拟试验装置与控制系统PCP和阀基电子控制器联合试验VBC的接线。

图3是本发明提供的动态模拟试验装置进行直流线路单极接地故障的波形图。

其中，L1为可调电抗器；L2为换流电抗器；QS1为真空开关I，QSII为真空开关II，QSIII为真空开关III；QF1为接触器I，QF6为接触器II；QF2为接触器III，QF3为接触器；TAx为霍尔电流传感器；TVx为电压霍尔传感器；Fx为熔丝；R1为电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1是本实施例的主电路结构示意图和传感器配置图。包括模拟换流变压器、模拟交流场、模拟直流场、模拟换流电抗器、模拟换流器、测量机箱和控制机箱；模拟交流场包括依次相连的真空开关I、接触器I、电阻和真空开关II；模拟直流场包括依次相连的真空开关III和接触器II；模拟交流场连接测量机箱和控制机箱；电阻和真空开关II之间设置换流变压器；真空开关II和真空开关III之间设置相连的模拟换流电抗器和模拟换流器；并设置接触器III与电阻并联。本实施例用电阻和可调电抗器来模拟工程直流线路。

换流变压器为带抽头的三相YD连接双绕组变压器，为非标准变比。换流变压器一次电压为220～600V，二次侧电压根据抽头的不同，范围为90V-300V。根据被模拟系统选择动模装置的容量比和变压器变比，这两个模比选择相对独立：

换流电抗器为三相低损耗高品质因数干式电抗器，每相两只，电抗值相同，分别为该相上桥臂换流电抗器和下桥臂换流电抗器。每相的两只电抗器靠近变压器侧的接头短路，通过交流场开关与变压器换流阀侧相连，另外两端分别连接换流阀该相的上下桥臂。换流电抗器不仅按实际工程阻抗比设计，还要能够限制模拟装置的暂态和故障态电流过冲，电流和阻抗模拟比为：

N_{I} = \frac{N_{S}}{N_{V}}

N_{Z} = \frac{N_{V}}{N_{I}}

接触器为低压交流接触器，是重要的保护开关，也是不同分系统之间投入和退出的装置。模拟接触器能接受来控制保护系统的指令，且状态由测量机箱采集；

MMC换流器，为三相全桥形式，每相有上下两个换流桥臂，每个桥臂为多个等比缩小的MMC子模块板卡串联组成。在运行中，桥臂子模块上的电子控制器，通过光纤接受来自上级控制系统的指令，对其子模块中的电容进行投/切控制，可在换流器交流出口调制出100V-600V正弦阶梯波；换流器每个桥臂包括30-100个子模块。每个子模块由主电路和电子控制器两部分组成。电子控制器主要数字控制器件、驱动电路、子模块电压采样电路、通信接口、电源模块等组成。主电路结构为：1)两个串联的自带反并联二极管的MOS管，上管的发射极连接下管的集电极；2)电解电容器，正极连上管集电极，负极连接下管发射极；3)与电容并联的均压电阻，电容投入桥臂时，电阻用于均衡模块电压；4)旁路继电器和晶闸管。且1-2个换流器桥臂置于一个机柜内，每个桥臂有2-5个机箱组成，机箱为标准尺寸，容纳5-30个子模块及控制器。子模块集成在机箱内，主电路通过机箱背板总线完成，由背板引出测点。由于模拟装置子模块工作电压低，整个阀相对处于低电位，故子模块的控制器不需要高位取能电路，直接采用低压送能模式，送能电源回路同样通过机箱背板完成。

测量机箱包括模拟量采集板、信号调理板、开关量输入输出板、中央处理板、显示和录波设备，该部分实现各模拟量和开关量的采集，通过开关量输出接口输出控制信号，实现各级断路器的分/合闸操作。所述动态模拟装置的电流量采集由电流传感器、信号采集板组成，分别对一次/二次侧电流、六个桥臂的电流、正负极直流母线电流进行采集和编码，其特点是控制用电流信号和保护用电流采集通道分开，传感器量程和精度不同。电压量采集与之类似。

控制机箱包括2块中央处理板(互为热备用，主要由DSP、FPGA处理器、电平转换电路及通信通道等组成)、2块光纤通信板卡、电源板。

所述测量和控制机箱特征为：1)当模拟装置不对PCP进行测试时，作为模拟装置的站级控制系统，执行控制保护算法和策略。2)当用于对实际工程中的VBC和PCP进行验证时，控制机箱作为模拟量和开关量的处理环节。

以上海南汇风电场20MW柔性直流输电系统的运行特性，进行动态模拟装置参数设计。其连接关系如图2所示。

图2虚线框内为动态模拟装置，其余部分包括阀基电子控制器VBC和及控制保护系统PCP，动态模拟装置分别连接两个被测交流终端屏柜再分别与控制保护系统相连，动态模拟装置与VBC/PCP之间以光纤进行通信和高低电位隔离，速率与实际工程相同。

当模拟20MVA系统时，通过调压器将换流变压器一次电压调节为250V，二次侧电压根据抽头的不同，范围为120V-300V。将容量比和变压器电压器比选择为：

在容量比和电压比确定后，按如下方法选择电流和阻抗模拟比：

N_{I} = \frac{N_{S}}{N_{V}} = 7.17 * 10^{- 3}

N_{Z} = \frac{N_{V}}{N_{I}} = 1.021

根据交流系统等值阻抗来确定传入试验室电源回路中的电抗值。

装置所用MMC换流器每个桥臂包括30-100个子模块且可调整。子模块与VBC之间进行信息交互的内容包括：接收VBC下发的子模块动作命令和将子模块自身的故障信息和工作状态上传。

VCB与桥臂子模块的通信规约为：1)物理层。采用62.5/120um多模光纤，发射器采用HFBR-141，接收器采用HFBR-2416。通过两条光纤线路构成全双工通道。2)链路层。采用异步串行方式进行通信，编码方式为单极性非归零码。帧格式为：

帧起始

数据域

校验位

帧结束

帧起始-一位逻辑1；校验位-一奇校验(无重传机制)；帧结束-一位逻辑0。

模拟直流输电系统交、直流场断路器为直流100V供电，动作时间30-50ms。采用5A真空开关实现刀闸和短路故障，也具有过流保护功能。

以可调电阻和电抗器来模拟工程直流线路，以0.21mH电感模拟的单位长度电感约0.77mH的30kV直流线路，直流线路电阻0.13Ω。

用于控制计算的模拟装置主电路电流量由量程2-3A的传感器采集，以保证精度；用以保护的电流传感器量程为15A。

考虑动模试验系统直流线路电流为正负1-4A，过电流最大值约10A，过电压为700V。

经计算，当出现严重的阀侧交流出口电压一相反相序故障时，变压器二次交流最大过流为8A。

MMC换流器置于标准机柜内，机柜尺寸为80cm*80cm*2260cm，一个桥臂的子模块集成在同一机柜内，主电路通过机箱背板总线连接，在背板引出多个测点，可实时监测子模块的半导体开关触发脉冲、电源电压、电容电压等。由于整个阀相对处于低电位，故对桥臂传感器和子模块控制电路采用直接送能模式，用1000V直流稳压电源供电。

根据实际子模块电平数和电压平衡策略调节串入桥臂的负阻抗补偿器参数，以抵消部分桥臂半导体器件压降。

子模块电压由子模块上的电子控制器检测，将其编码后通过光纤送到阀基电子设备。

图3是动态模拟试验装置进行直流线路单极接地故障的波形图。其中图中第一个波形为换流器交流三相电流波形，UDN/UDP是直流正负极对地电压，IDN/IDP是直流正负极电流，UACY为模拟换流器交流出口电压，DCBVP_TR为模拟直流断路器触发波形。

如图试验中直流电压设定为等效60kV，第0.48s发生直流负极母线单极接地故障，UDN变为地电位，UDP上升到整个直流电压60kV，交流电流震荡，IDN严重过流以释放线路对地电容能量，随后直流过压保护动作，触发DCBVP_TR。

可见从时间轴和电压电流动态特性上来说，该模拟试验装置与实际工程的动态过程和保护动作特性完全相似。

实施例二：

本实施例与实施例一基本一样，但区别为：

(1)MMC换流器桥臂中，串入负阻抗补偿器抵消部分桥臂半导体器件压降。该补偿器的补偿特性直接由桥臂电流方向和电压平衡控制策略得出

(2)在接触器I和换流变压器一次侧的电压\电流采集板之间再加入另一路电压\电流采集板。原有采集板可对电压\电流信号控制，新加入的采集板可对信号进行录波。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims

1.一种柔性直流输电系统的物理实时动态模拟装置，其特征在于，所述装置包括模拟换流变压器、模拟交流场、模拟直流场、模拟换流电抗器、模拟换流器、测量机箱和控制机箱；

在所述电阻和所述开关II之间设置所述换流变压器；

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量机箱包括模拟量采集板、信号调理板、开关量输入输出板、中央处理板、显示设备和录波设备；所述模拟量采集板采集相应模拟量和开关量，通过开关量输出接口输出控制信号，实现接触器I和接触器II的分/合闸操作。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制机箱包括中央处理板、光纤通信板卡和电源板；所述中央处理板包括DSP、FPGA处理器、电平转换电路和通信通道；所述控制机箱用于连接被测试系统，将被测试系统的电流、电压信号通过所述通信通道传给上层控制系统。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟换流器为三相全桥形式，每相有上下两个换流桥臂，每个桥臂为多个等比缩小的模块化多电平换流器子模块板卡串联组成。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述换流变压器为带抽头的三相YD连接双绕组变压器。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述换流电抗器为三相低损耗高品质因数干式电抗器，每相两只，电抗值相同；每相的两只电抗器靠近模拟换流变压器侧的接头短路，通过交流场开关II与模拟换流变压器换流阀侧相连，另外两端分别连接换流阀该相的上下桥臂。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，设置接触器III与所述电阻并联。