CN104423373A - 柔性直流输电系统控制保护系统的闭环试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性直流输电系统控制保护系统的闭环试验系统，包括实时数字仿真器、接口硬件设备和基于模块化多电平的柔性直流输电装置的控制保护设备，所述接口硬件设备包括功率放大器、端子式继电器与换流阀内部模拟量和脉冲扩充板；所述实时数字仿真器通过接口硬件设备连接基于模块化多电平的柔性直流输电装置的控制保护设备，形成闭环试验系统。此种闭环试验系统具有简单灵活的特点，可方便快速地实现对整个基于模块化多电平的柔性直流输电实际控制保护系统装置的测试。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种基于模块化多电平的柔性直流输电系统控制保护系统的闭环试验系统。
背景技术
随着电力电子器件和控制技术的进步，柔性直流容量和电压等级越来越高。基于模块化多电平的柔性直流输电因其易于实现新能源并网、黑启动、功率反转、构建多端直流系统等诸多优点，而越来越得到广泛应用。
基于模块化多电平的柔性直流输电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，以调整与验证控制系统的稳态和动态性能。闭环试验常用的方法构建物理原型机，构建物理原型机的方法是将换流阀等一次系统设备按照一定的容量比例进行缩小，并按照实际拓扑结构搭建成小容量的动态模拟试验系统，并通过接口设备与实际控制保护设备连接形成闭环系统来完成各种动态试验。
基于模块化多电平的柔性直流输电控制保护系统装置的试验具有以下特点：
（1）基于模块化多电平的柔性直流输电装置根据各站的实际情况单独计算与设计换流阀等一次设备的参数，每套基于模块化多电平的柔性直流输电装置的设备参数和换流阀子模块个数均不相同；
（2）基于模块化多电平的柔性直流输电装置模型较为复杂，随着容量的上升，子模块数越来越来，导致搭建动模系统造价越来越高；
（3）基于模块化多电平的柔性直流输电用于多端基于模块化多电平的柔性直流输电和新能源（例如风电接入）接入，通过搭建原型机完整模拟整个系统试验几乎无法实现。
由于以上原因，采用动态模型测试方法对基于模块化多电平的柔性直流输电的控制保护系统进行功能及动态性能测试显得非常不经济，并且变动动态模型设备及参数的施工周期较长，对整个柔性直流系统进行完整模拟往往不能实现。目前，对基于模块化多电平柔性直流输电控制保护进行测试，主要依靠离线仿真进行模拟，但离线仿真的调度系统、执行周期、运行参数等不能准备模拟实际控制保护设备，不能准确模拟控制保护系统的稳态和动态性能，不能很好地指导实践。目前，基于模块化多电平柔性直流输电实际控制保护装置还未有较好的测试方式。随着数字处理技术、数字信号技术和并行计算技术等的发展，利用实时仿真设备，与基于模块化多电平柔性直流输电控制保护设备构成闭环测试系统，使对实际控制保护设备进行稳态和动态性能进行测试成为一种可能。本案即是基于此种考虑而产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种柔性直流输电系统控制保护系统的闭环试验系统，其具有简单灵活的特点，可方便快速地实现对整个基于模块化多电平的柔性直流输电实际控制保护系统装置的测试。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种柔性直流输电系统控制保护系统的闭环试验系统，包括实时数字仿真器、接口硬件设备和基于模块化多电平的柔性直流输电装置的控制保护设备，所述接口硬件设备包括功率放大器、端子式继电器与换流阀内部模拟量和脉冲扩充板；实时数字仿真器的交流电压及电流信号输出端通过接口硬件设备中的功率放大器与控制保护设备的交流模拟量输入端连接，实时数字仿真器的直流电压及电流信号输出端直接与控制保护设备的直流模拟量输入端连接；实时数字仿真器的开关状态信号输出端通过接口硬件设备的端子式继电器与控制保护设备的开关量输入端连接，控制保护设备的开关分合命令信号输出端通过接口硬件设备的端子式继电器与实时数字仿真器的开关量输入端连接；实时数字仿真器模拟输出的基于模块化多电平的柔性直流换流阀子模块电容电压和子模块故障状态经过接口硬件设备的换流阀内部模拟量和脉冲扩展板与控制保护设备的换流阀控制设备的每个子模块输入端相连，而控制保护设备的阀控制设备脉冲信号经过接口硬件设备的换流阀内部模拟量和脉冲扩展板与实时数字仿真器的脉冲输入端相连。
上述实时数字仿真器采用RTDS或RT-LAB实时仿真装置。
采用上述方案后，本发明通过实时仿真设备构建柔性直流输电控制保护系统闭环试验系统，将改变以前电力电子装置靠搭建原型机予以物理验证的单一技术手段，克服物理原型机验证周期长、成本高和缺乏灵活性的缺点，为基于可关断器件电力电子控制保护装置提供较为全面的试验验证。本发明的实施将实现对基于模块化多电平柔性直流输电形成较为完整闭环测试验证，从而缩短工程的开发、设计和建设周期，减少工程成本。基于模块化多电平柔性直流输电控制保护系统的闭环试验系统由实时数字仿真器和控制保护设备构成。通过选择合适的数字模型元件，根据实际工程拓扑结构并输入相应的参数即可构建成适合特定工程需要的数字模型，将各电力设备对应的数字模型按照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，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还包括了接口板卡。接口板卡一边通过电缆或光纤与处理器板卡相连接，另一边通过电缆与控制保护设备相连接，完成数字仿真器与实际控制保护设备的接口。
本发明由于采用实时数字仿真器与基于模块化多电平的柔性直流输电控制保护构成闭环系统的结构，可方便、快速地修改一次设备的参数及拓扑结构，满足不同基于模块化多电平的柔性直流输电工程的试验需求；同时通过实时仿真器搭建基于模块化多电平的柔性直流输电控制保护系统闭环系统试验系统，能够实现对大型和多端基于模块化多电平的柔性直流输电系统控制保护系统进行测试。
附图说明
图1是基于模块化多电平的柔性直流输电相关一次系统的的拓扑结构示意图（以两端基于模块化多电平的柔性直流输电系统为例说明）；
图2是基于模块化多电平换流器拓扑结构及子模块拓扑结构；
图3是基于模块化多电平的柔性直流输电相关一次系统数字模块搭建的示意图；
图4是本发明实时数字闭环试验系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图4所示，本发明提供一种柔性直流输电系统控制保护系统的闭环试验系统，包括实时数字仿真器1、接口硬件设备2和基于模块化多电平的柔性直流输电装置的控制保护设备3，所述实时数字仿真器1通过接口硬件设备2连接基于模块化多电平的柔性直流输电装置的控制保护设备3，形成闭环试验系统。
所述接口硬件设备2包括功率放大器、端子式继电器与换流阀内部模拟量和脉冲扩充板，上述部件使用与否及数量均可根据仿真需要灵活选配。
实时数字仿真器1的交流电压及电流信号输出端通过接口硬件设备2中的功率放大器与控制保护设备3的交流模拟量输入端连接，实时数字仿真器1的直流电压及电流信号输出端直接与控制保护设备3的直流模拟量输入端连接；实时数字仿真器1的开关状态信号输出端通过接口硬件设备2的端子式继电器与控制保护设备3的开关量输入端连接，控制保护设备3的开关分合命令信号输出端通过接口硬件设备2的端子式继电器与实时数字仿真器1的开关量输入端连接；实时数字仿真器1模拟输出的基于模块化多电平的柔性直流换流阀子模块电容电压和子模块故障状态经过接口硬件设备2的换流阀内部模拟量和脉冲扩展板与控制保护设备3的换流阀控制设备的每个子模块输入端相连，而控制保护设备3的阀控制设备脉冲信号经过接口硬件设备2的换流阀内部模拟量和脉冲扩展板与实时数字仿真器1的脉冲输入端相连。
在本实施例中，实时数字仿真器1采用RTDS或RT-LAB实时仿真装置。
本发明在实施时，包括如下步骤：
1）根据基于模块化多电平的柔性直流输电装置的一次系统设备拓扑及参数和交流系统参数，建立基于模块化多电平的柔性直流输电相关一次系统数字仿真模型；
2）利用实时数字仿真器的配套建模软件，建立基于模块化多电平的柔性直流输电相关一次系统数字仿真模型的数字试验程序；
3）利用实时数字仿真器配套的程序编译软件将数字试验程序编译，并下载到实时数字仿真器上运行；
4）实时数字仿真器模拟的交流电压及电流、直流电压及电流、开关状态和开关分合命令通过电缆实现实时数字仿真设备与实际控制保护系统相连，实时数字仿真器模拟的换流阀内部模拟量输出、故障输出和脉冲输入通过电缆或光缆与实际控制保护设备相连，构建闭环仿真系统，从而实现对基于模块化多电平的柔性直流输电控制保护系统的功能和动态性能进行详细测试。
本发明基于模块化多电平的柔性直流输电相关的一次系统主要设备包括风力发电厂、交流等值系统、发电机、换流变压器、基于模块化多电平的柔性直流输电换流阀、交流线路和直流线路，另外还包括交流和直流侧的断路器、隔离刀闸、接地刀闸，其两端拓扑结构如图1所示，其中包含了若干电压、电流的测量量：换流阀变交流系统侧母线电压电流、换流阀阀侧电压电流、各桥臂电流、直流电压电流等。
本发明根据拓扑结构及一次设备的参数搭建的柔性直流相关一次系统的数字仿真模型如图1所示，根据换流站交流侧拓扑结构及接线方式，如图1所示的与站1相连的风电场、变压器T1、交流开关Q1、变压器T2等，在数字仿真器配套建模软件搭建根据拓扑结构及参数搭建交流系统仿真模型；根据换流阀电抗器、换流阀拓扑结构，其具体拓扑结构如图2所示，电容值、半控型器件等组成桥臂电抗器和换流阀等设备的参数，在数字仿真配套建模软件通过模型元件搭建换流阀及桥臂电抗仿真模型；根据换流站直流侧线路的接线方式、线缆类型、线缆长度、高度等实际参数，在数字仿真配套建模软件通过模型元件搭建直流线路模型。按照实际拓扑结构，将上述各数字模型进行相互连接，完成基于模块化多电平的柔性直流输电相关一次系统数字模型。其一次模型搭建示意图如图3所示。
本发明接口的实施方案如图4所示，实时数字仿真器中柔性直流相关一次系统数字模型运算得到的换流变系统侧交流电压、换流变阀侧交流电压、电流送往功率放大器，经过功率放大器的线性放大后送往控制保护设备的交流模拟量输入板卡进行采样；换流阀直流侧电压、电流、桥臂电流等电压电流信号经过实时数字仿真器的模拟量输出板卡直接送往控制保护设备的直流模拟量输入板卡进行采样；交流侧断路器和直流侧隔离开关的位置状态等开关状态通过仿真器的开关量输出板经过端子式继电器的电平转换后再送往控制保护设备的开关量输入板卡，控制保护设备对交流侧断路器和直流策略隔离刀闸等的开关分合命令由控制保护设备的开关量输出板经过端子式继电器转换后再送往实时数字仿真器的开关量输入板卡；实时数字仿真器模拟输出的基于模块化多电平的柔性直流输电换流阀子模块电容电压和子模块故障状态经过换流阀内部模拟量和脉冲扩展板与控制保护设备的换流阀控制设备的每个子模块输入端相连；控制保护设备阀控制设备经过一系列运算后，触发脉冲信号经过内部模拟量和脉冲扩展板与实时数字仿真设备相连，完成对数字仿真模型中换流阀触发的精确控制。
通过上述方式，基于模块化多电平的柔性直流输电实际控制保护实现了对实时数字仿真模型的精确控制，完成对控制保护设备的功能性测试和动态性能测试。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (2)
1.一种柔性直流输电系统控制保护系统的闭环试验系统，其特征在于：包括实时数字仿真器、接口硬件设备和基于模块化多电平的柔性直流输电装置的控制保护设备，所述接口硬件设备包括功率放大器、端子式继电器与换流阀内部模拟量和脉冲扩充板；实时数字仿真器的交流电压及电流信号输出端通过接口硬件设备中的功率放大器与控制保护设备的交流模拟量输入端连接，实时数字仿真器的直流电压及电流信号输出端直接与控制保护设备的直流模拟量输入端连接；实时数字仿真器的开关状态信号输出端通过接口硬件设备的端子式继电器与控制保护设备的开关量输入端连接，控制保护设备的开关分合命令信号输出端通过接口硬件设备的端子式继电器与实时数字仿真器的开关量输入端连接；实时数字仿真器模拟输出的基于模块化多电平的柔性直流换流阀子模块电容电压和子模块故障状态经过接口硬件设备的换流阀内部模拟量和脉冲扩展板与控制保护设备的换流阀控制设备的每个子模块输入端相连，而控制保护设备的阀控制设备脉冲信号经过接口硬件设备的换流阀内部模拟量和脉冲扩展板与实时数字仿真器的脉冲输入端相连。
2.如权利要求1所述的柔性直流输电系统控制保护系统的闭环试验系统，其特征在于：所述实时数字仿真器采用RTDS或RT-LAB实时仿真装置。
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