CN102401863A - 对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种对静止同步补偿器(STATCOM)进行仿真的闭环试验系统及其试验方法，试验系统包括有实时数字仿真器（1）、接口硬件设备（2）、大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备（3），实时数字仿真器（1）通过接口硬件设备（2）与大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备（3）相连接，形成闭环试验系统。本发明的闭环试验系统及其试验方法，可在实验室较真实地模拟大容量链式结构的STATCOM装置接入电网运行环境，可方便、快速地修改STATCOM等一次设备参数以及STATCOM所接入电网的拓扑结构，满足针对STATCOM的多种控制模式、快速动态无功补偿特性以及STATCOM控制保护的功能和动态性能等进行试验的特点。本发明是一种方便实用的试验系统及其试验方法。

Description

对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统及其试验方法

技术领域

本发明是一种对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统及其试验方法，特别是一种针对大容量链式结构的STATCOM装置进行实时仿真的闭环试验系统及其试验方法，属于STATCOM装置控制保护系统的闭环试验系统及其试验方法的创新技术。

背景技术

保障电力系统电压稳定是电力系统安全稳定运行的基本条件，无功补偿是提高电压稳定的重要手段。常用无功补偿手段有电容器补偿、静止无功补偿（SVC）、同步调相机补偿、静止同步补偿（STATCOM）等。电容器补偿优点是经济性好，缺点是补偿投切速度慢（秒级）且补偿效果受接入母线电压影响大；SVC补偿速度较快（可达100ms），但补偿效果同样受接入母线电压影响大，且需要与电容器配合使用；同步调相机是旋转型无功源，优点是即可发无功又可吸无功，缺点是维护成本高；STATCOM采用可关断电力电子器件和脉宽调制技术（PWM）实现与电网无功灵活交换，无需电容器配合，补偿速度最快（可达10-20ms），既可提供容性补偿也可提供感性补偿，并且可以在额定的最大容性和感性范围内，独立控制其输出电流，而与交流系统电压无关，能够几乎不依赖于系统电压而发出全额的容性无功电流（在电压较低时的定电流输出），代表目前动态无功补偿技术发展方向，应用前景广泛。

STATCOM装置在研发及功能测试阶段需要模拟现场情况作闭环试验，以调整与验证控制保护系统的动态性能。闭环试验常用的方法是将STATCOM阀组单元等一次系统设备按照一定的容量比例进行缩小，并按实际拓扑结构搭建成小容量的动态模拟实验系统，并通过接口设备与实际的控制保护设备连接形成闭环系统来完成各种动态试验。

STATCOM装置的实验具有以下特点：1.STATCOM装置阀组单元价格昂贵，控制精度要求高，若试验条件设置不当容易造成损坏；2.STATCOM动作速度快，要求动模系统完整或数字仿真系统模型足够精确，能反映STATCOM动态无功补偿特性；3.STATCOM运行范围广，控制模式复杂多样，需详细设计实验项目来进行功能特性试验；4.STATCOM与所接入电力系统之间存在相作用，其动态性能试验成功与否，往往取决于所仿真电网精确程度以及模拟故障详细程度。

由于以上原因，若采用按一定比例缩小的动模系统对STATCOM装置的控制保护系统进行功能试验，存在损坏阀组单元的风险，并且改变动模设备及参数的施工周期较长从而导致测试不经济，且由于仿真规模限制无法检验动态性能；若采用普通仿真软件，模型精度和仿真步长难以满足STATCOM仿真精度要求，且无法与STATCOM控制保护装置连接进行实时闭环测试。

随着计算机和通信技术快速发展，实时数字仿真技术也快速发展，基于专用DSP芯片和并行处理技术的Real-time Digital Simulator(RTDS)成为了电力系统实时数字仿真建模、试验、研究的理想工具，满足STATCOM试验中精确化建模、实时闭环测试、大电网建模等多重需求。实时数字仿真器由软件和硬件两大部分构成。仿真器的配套建模软件中提供了各种电力系统数字模型元件，通过选择合适的数字模型元件，并输入相应的参数即可构建成适合特定工程需要的数字仿真模型，将各电力设备对应的数字模型按实际拓扑结构进行连接，就形成了一次系统模型程序。利用数字仿真器配套的编译软件将模型程序进行编译后，并下载到数字仿真器的处理器板卡中进行运算。数字仿真器的硬件部分通常包括处理器板卡、通信板卡以及接口板卡。接口板卡一端通过光纤与处理器板卡相连接，另一端通过电缆与控制保护设备相连接，完成数字仿真器与STATCOM装置实际控制保护设备的接口。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可方便、快速地修改一次设备参数及拓扑结构，满足STATCOM试验中精确化建模、实时闭环测试、大电网建模等多重需求的对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统。

本发明的另一目的在于提供一种简单方便的对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统的试验方法。

本发明的技术方案是：本发明对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统，包括有实时数字仿真器、接口硬件设备、大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备,实时数字仿真器通过接口硬件设备与大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备相连接，形成闭环试验系统。

上述仿真器为实时数字仿真器。

上述接口硬件设备包括有电压电流等模拟量输出接口卡、开关状态等数字量输出接口卡、开关命令以及触发脉冲等数字量输入接口卡、信号放大器、端子式继电器、脉冲和电容电压转换接口；上述实时数字仿真器所模拟的静止同步补偿装置控制目标母线电压以及接入电网母线电压信号、静止同步补偿装置接入电网支路电流信号、静止同步补偿阀组支路电流信号通过接口硬件设备的模拟量输出接口卡小信号输出，并通过接口硬件设备的信号放大器放大，与大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备的交流模拟量输入端连接；实时数字仿真器所模拟的静止同步补偿装置阀组单元直流电容电压输出端通过接口硬件设备的模拟量输出接口卡小信号输出，并经脉冲和电容电压转换接口转换，与实际控制保护设备的直流模拟量输入端连接；实时数字仿真器所模拟的静止同步补偿装置的断路器、隔离开关的开关状态信号以及模拟站内电容、电抗投入的开关信号输出端，通过接口硬件设备的端子式继电器与实际控制保护设备的开关量输入端连接；实时数字仿真器所模拟的静止同步补偿装置的水冷状态虚拟信号直接与大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备的开关量输入端连接；大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备的触发脉冲信号、断路器分/合闸命令等信号输出端通过接口硬件设备的数字量输入接口卡与实时数字仿真器的开关量输入端连接。

本发明对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统的试验方法，包括如下步骤：

1）根据大容量链式结构的静止同步补偿装置的一次系统设备模型参数，建立静止同步补偿装置相关一次系统的实时数字仿真模型，包括：静止同步补偿装置链式阀组单元、静止同步补偿装置接入变电站的主变、专用变压器以及站内电容、电抗等补偿元件；

2）根据大容量链式结构的静止同步补偿装置所接入电网接线情况，建立静止同步补偿装置接入大电网的实时数字仿真模型，受限于实时仿真规模，该大电网需进行等值处理，等值电网应能反映静止同步补偿装置所接入电网动态特性；

3）利用实时数字仿真器建立包含STATCOM相关一次系统的电网实时数字仿真模型程序，同时配置静止同步补偿装置数字仿真模型与静止同步补偿装置的实际控制保护设备之间的接口模型程序；

4）利用实时数字仿真器（将步骤3）完成的模型程序编译，并下载到实时数字仿真器上运行；

5）步骤1）和步骤2）完成的包含静止同步补偿装置相关一次系统的电网实时数字仿真模型程序通过接口程序模块与实时数字仿真器的接口板卡进行变量的交互，实时数字仿真器（1）的接口板卡与大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备（3）通过电缆进行连接，组成实时仿真闭环试验系统，从而对STATCOM装置的功能和动态性能进行详细测试。

上述静止同步补偿装置相关一次系统及接入电网实时数字仿真模型的建立过程为: 

1）静止同步补偿装置链式阀组单元采用小步长仿真详细模型，静止同步补偿装置接入变电站主变、专用变压器和站内电容、电抗补偿元件采用集中参数的大步长仿真模型，同时配置大步长与小步长网络接口模型。

2）静止同步补偿装置接入电网进行等值处理，保留静止同步补偿装置接入变电站的主变、变电站所连接主网的输电线路、附近大型发电机组以及影响静止同步补偿装置动态特性的其他电网元件，等值电网模型采用大步长仿真。

上述步骤1）大步长网络接口模型的典型大步长的仿真步长为50us-80us。

上述步骤1）小步长网络接口模型的典型小步长的仿真步长为2us-10us。

上述步骤2）等值电网模型采用大步长仿真，典型仿真步长为50us-80us。

本发明由于采用实时数字仿真器通过接口硬件设备与大容量链式结构的STATCOM装置的实际控制保护设备相连接，形成闭环试验系统的结构，可方便快速地修改一次设备参数及拓扑结构，满足STATCOM试验中精确化建模、实时闭环测试、大电网建模等多重需求。本发明是一种设计巧妙、性能优良、方便实用的大容量链式结构的STATCOM装置实时仿真的闭环试验系统及其试验方法。

附图说明

图1-1为STATCOM工程电路结构示意图，图中A1～A26、B1～B26、C1～C26分别为第1套STATCOM的A、B、C相串联阀组单元，A27～A52、B27～B52、C27～C52分别为第2套STATCOM的A、B、C相串联阀组单元；

图1-2为图1-1所示的任一阀组单元的电路结构示意图，阀组单元由4个IEGT元件以及电容、电感、电阻元件串并联组成；

图2-1为本发明STATCOM三相链式模型RTDS建模连接示意图，图中N1、N2、N3分别为STATCOM采集电网A、B、C三相电压，L1是电网大步长仿真与STATCOM小步长仿真接口模块、L2～L4分别是STATCOM的A、B、C三相小步长仿真模块；

图2-2为图2-1中L1模块的接口模型，即本发明STATCOM三相链式模型RTDS建模接口变压器及连接线路示意图；

图2-3为图2-1中L2模块模型，即本发明STATCOM三相链式模型A相RTDS建模示意图；

图3为本发明的实时数字闭环试验系统的结构示意图。

具体实施方式：

本发明针对大容量链式结构的STATCOM装置进行实时仿真的闭环试验系统，包括有实时数字仿真器1、接口硬件设备2、大容量链式结构的STATCOM装置的实际控制保护设备3, 实时数字仿真器1通过接口硬件设备2与大容量链式结构的STATCOM装置的实际控制保护设备3相连接，形成闭环试验系统。

上述接口硬件设备2包括有电压电流等模拟量输出接口卡（21）、开关状态等数字量输出接口卡22、开关命令以及触发脉冲等数字量输入接口卡23、信号放大器24、端子式继电器25、脉冲和电容电压转换接口26。

上述实时数字仿真器1配套RSCAD软件所模拟的STATCOM控制目标母线电压(专用变220kV侧A/B/C三相电压)以及接入电网母线电压(500kV侧A/B/C三相电压、专用变35kV侧A/B/C三相电压)信号、STATCOM接入电网支路电流(专用变220kV侧A/B/C三相电流)信号、STATCOM阀组支路电流(阀组A/B/C三相支路电流)信号通过接口硬件设备2的电压电流等模拟量输出接口卡21小信号输出，并通过接口硬件设备2的信号放大器24放大，与大容量链式结构的STATCOM装置的实际控制保护设备3的交流模拟量输入端连接；实时数字仿真器1配套RSCAD软件所模拟的STATCOM阀组单元直流电容电压（A/B/C三相共30个阀组单元直流电容电压）输出端通过接口硬件设备2的电压电流等模拟量输出接口卡21小信号输出，并经脉冲转换板卡26转换，与实际控制保护设备3的直流模拟量输入端连接；实时数字仿真器1配套RSCAD软件所模拟的STATCOM的断路器（220kV断路器合状态、35kV断路器#1合状态）、隔离开关的3个虚拟信号：220kV#1母隔刀合状态、220kV#2母隔刀合状态、220kV旁母隔刀合状态，1个实际信号：35kV隔刀#1合状态）的开关状态信号以及模拟站内电容、电抗投入（虚拟）的开关信号的输出端，通过开关状态等数字量输出接口卡22小信号送出，并经端子式继电器25进行电平转换，与实际控制保护设备3的开关量输入端连接；实时数字仿真器1配套RSCAD软件所模拟的STATCOM的水冷状态虚拟信号（A/B/C三相），通过开关状态等数字量输出接口卡22小信号送出，直接与实际控制保护设备3的开关量输入端连接；STATCOM实际控制保护设备3发出的STATCOM阀组单元的IEGT触发脉冲命令（A/B/C三相IEGT1～IEGT10，每个IEGT需2个触发脉冲命令，共60个触发脉冲命令）通过脉冲转换板卡26，并经接口硬件设备2的开关命令以及触发脉冲等数字量输入接口卡23与实时数字仿真器1的开关量输入端连接；STATCOM实际控制保护设备3发出的断路器合闸允许命令、断路器分闸命令、脉冲闭锁信号（模拟全局闭锁功能）、有载调压升压命令、有载调压降压命令等信号输出端通过接口硬件设备2的开关命令以及触发脉冲等数字量输入接口卡23与实时数字仿真器1的开关量输入端连接。

本实施例中，上述实时数字仿真器1为实时数字仿真器RTDS。

本发明针对大容量链式结构的STATCOM装置进行实时仿真的闭环试验系统的试验方法，包括如下步骤：

1）根据大容量链式结构的STATCOM工程的一次系统设备模型参数,如附图1-1和图1-2所示，并结合RTDS接口实际，建立STATCOM相关一次系统的实时数字仿真模型,如附图2-1～图2-3所示，包括：STATCOM链式阀组单元，STATCOM接入变电站的主变、专用变压器、断路器、隔离开关以及站内电容、电抗等补偿元件；其中：

图1-1中A1～A26、B1～B26、C1～C26分别为第1套STATCOM的A、B、C相串联阀组单元，A27～A52、B27～B52、C27～C52分别为第2套STATCOM的A、B、C相串联阀组单元，QF1、QF2分别为第1和第2套STATCOM的三相断路器；

图1-2中IEGT1～IEGT4为一个阀组单元的4个IEGT器件，D1～D4为IEGT器件反并联二极管，Lc、Rc、Dc、Cc分别是箝位吸收电路的电感、电阻、二极管、电容元件，Cd为直流支撑电容；

图2-1中N1、N2、N3分别为STATCOM采集电网侧A、B、C三相电压，L1是电网大步长仿真与STATCOM小步长仿真接口模块、L2～L4分别是STATCOM的A、B、C三相小步长仿真模块；

图2-2中N1、N2、N3分别为STATCOM采集电网侧A、B、C三相电压，T1、T2、T3分别为图2-1中L1模块中的接口变压器模型，V1、V2、V3分别为STATCOM侧A、B、C三相电压，通过三相虚拟VSC线路将星型接法三相电压转换成三角型接法三相电压，分别送至STATCOM三相链式支路；

图2-3为图2-1中L2模块模型，VSC线路为图2-2中A相VSC线路，VA1、VA2分别为STATCOM的A相链式支路输入、输出侧电压，R、L分别为A相链式支路连接电容、电感元件，A相链式支路包含10个串联的阀组单元；

2）根据大容量链式结构的STATCOM装置所接入电网接线情况，建立STATCOM接入大电网的实时数字仿真模型，包括：STATCOM接入母线出线线路模型，STATCOM接入电网骨干网架电网模型。受限于实时仿真规模，该大电网需进行等值处理，等值电网应能反映STATCOM所接入电网动态特性，在该发明所模拟的等值电网规模包括：40台(等值)发电机、40台变压器、130个三相节点、220条交流线路、5回（特）高压直流输电系统；

3）利用实时数字仿真器1的配套建模软件，建立包含STATCOM相关一次系统的电网实时数字仿真模型程序，同时配置STATCOM数字仿真模型与STATCOM装置的实际控制保护设备之间的接口模型程序；

4）利用实时数字仿真器1配套的程序编译软件将步骤3）完成的模型程序编译，并下载到实时数字仿真器（1）上运行；

5）步骤1）和步骤2）完成的包含STATCOM相关一次系统的电网实时数字仿真模型程序通过接口程序模块与实时数字仿真器1的接口板卡进行变量的交互，实时数字仿真器1的接口板卡与STATCOM装置的实际控制保护设备3通过电缆进行连接，组成实时仿真闭环试验系统，从而对STATCOM装置的功能和动态性能进行详细测试。

上述STATCOM装置相关一次系统及接入电网实时数字仿真模型的建立过程为: 

1）STATCOM链式阀组单元采用小步长仿真详细模型，STATCOM接入变电站主变、专用变压器和站内电容、电抗补偿元件采用集中参数的大步长仿真模型，同时配置大步长与小步长网络接口模型。其中，典型大步长的仿真步长为50us-80us，典型小步长的的仿真步长为2us-10us。

2）STATCOM接入电网进行等值处理，保留STATCOM接入变电站的主变，变电站所连接主网的输电线路、附近大型发电机组以及影响STATCOM动态特性的其他电网元件，等值电网模型采用大步长仿真，典型仿真步长为50us-80us。

Claims (8)

1.一种对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统，其特征在于包括有实时数字仿真器（1）、接口硬件设备（2）、大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备（3）,实时数字仿真器（1）通过接口硬件设备（2）与大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备（3）相连接，形成闭环试验系统。

2.根据权利要求1所述的对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统，其特征在于上述仿真器（1）为实时数字仿真器。

3.根据权利要求1所述的对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统，其特征在于上述接口硬件设备（2）包括有电压电流等模拟量输出接口卡（21）、开关状态等数字量输出接口卡（22）、开关命令以及触发脉冲等数字量输入接口卡（23）、信号放大器（24）、端子式继电器（25）、脉冲和电容电压转换接口（26）；上述实时数字仿真器（1）所模拟的静止同步补偿装置控制目标母线电压以及接入电网母线电压信号、静止同步补偿装置接入电网支路电流信号、静止同步补偿阀组支路电流信号通过接口硬件设备（2）的模拟量输出接口卡（21）小信号输出，并通过接口硬件设备（2）的信号放大器（24）放大，与大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备（3）的交流模拟量输入端连接；实时数字仿真器（1）所模拟的静止同步补偿装置阀组单元直流电容电压输出端通过接口硬件设备（2）的模拟量输出接口卡（21）小信号输出，并经脉冲和电容电压转换接口（26）转换，与实际控制保护设备（3）的直流模拟量输入端连接；实时数字仿真器（1）所模拟的静止同步补偿装置的断路器、隔离开关的开关状态信号以及模拟站内电容、电抗投入的开关信号输出端，通过接口硬件设备（2）的端子式继电器（22）与实际控制保护设备（3）的开关量输入端连接；实时数字仿真器（1）所模拟的静止同步补偿装置的水冷状态虚拟信号直接与大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备（3）的开关量输入端连接；大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备（3）的触发脉冲信号、断路器分/合闸命令等信号输出端通过接口硬件设备（2）的数字量输入接口卡（23）与实时数字仿真器（1）的开关量输入端连接。

4.一种根据权利要求1所述的对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

1）根据大容量链式结构的静止同步补偿装置的一次系统设备模型参数，建立静止同步补偿装置相关一次系统的实时数字仿真模型，包括：静止同步补偿装置链式阀组单元、静止同步补偿装置接入变电站的主变、专用变压器以及站内电容、电抗等补偿元件；

2）根据大容量链式结构的静止同步补偿装置所接入电网接线情况，建立静止同步补偿装置接入大电网的实时数字仿真模型，受限于实时仿真规模，该大电网需进行等值处理，等值电网应能反映静止同步补偿装置所接入电网动态特性；

3）利用实时数字仿真器（1）建立包含STATCOM相关一次系统的电网实时数字仿真模型程序，同时配置静止同步补偿装置数字仿真模型与静止同步补偿装置的实际控制保护设备之间的接口模型程序；

4）利用实时数字仿真器（1）将步骤3）完成的模型程序编译，并下载到实时数字仿真器（1）上运行；

5）步骤1）和步骤2）完成的包含静止同步补偿装置相关一次系统的电网实时数字仿真模型程序通过接口程序模块与实时数字仿真器（1）的接口板卡进行变量的交互，实时数字仿真器（1）的接口板卡与大容量链式结构的静止同步补偿装置的实际控制保护设备（3）通过电缆进行连接，组成实时仿真闭环试验系统，从而对STATCOM装置的功能和动态性能进行详细测试。

5.根据权利要求4所述的对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统的试验方法，其特征在于上述静止同步补偿装置相关一次系统及接入电网实时数字仿真模型的建立过程为: 

1）静止同步补偿装置链式阀组单元采用小步长仿真详细模型，静止同步补偿装置接入变电站主变、专用变压器和站内电容、电抗补偿元件采用集中参数的大步长仿真模型，同时配置大步长与小步长网络接口模型；

2）静止同步补偿装置接入电网进行等值处理，保留静止同步补偿装置接入变电站的主变、变电站所连接主网的输电线路、附近大型发电机组以及影响静止同步补偿装置动态特性的其他电网元件，等值电网模型采用大步长仿真。

6.根据权利要求5所述的对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统的试验方法，其特征在于上述步骤1）大步长网络接口模型的典型大步长的仿真步长为50us-80us。

7.根据权利要求5所述的对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统的试验方法，其特征在于上述步骤1）小步长网络接口模型的典型小步长的仿真步长为2us-10us。

8.根据权利要求5所述的对静止同步补偿器进行仿真的闭环试验系统的试验方法，其特征在于上述步骤2）等值电网模型采用大步长仿真，典型仿真步长为50us-80us。

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