CN104570763A - 一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统及其仿真方法，仿真系统用于技术技能培训，所述系统包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的功率模块。本发明既可以对低压物理模型进行本地/远方操作又可以进行实时在线仿真研究，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。

Description

一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统及其仿真方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子领域的仿真系统及其仿真方法，具体讲涉及一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统及其仿真方法。

背景技术

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，电力电子技术及装置广泛应用于柔性交流输电、高压直流输电、交直流电力传动等领域。SVG是柔性交流输电技术的主要装置之一，SVG以级联多电平变流器(Voltage Source Converter，VSC)为核心，直流侧以直流电容器为储能元件，依靠VSC将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，通过一个交流电抗器或耦合变压器并联接入系统。它能够快速连续地提供容性和感性无功功率，实现对电压和无功功率控制，可以抑制电压波动与闪变、补偿负荷不平衡、提高功率因数、降低电网损耗，提高电力系统电能质量；还能够动态地提供电压支撑，提高输电线路稳态传输功率极限，同时抑制系统过电压，阻尼电力系统功率振荡，提高电力系统暂态稳定水平，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。由于SVG具有较优越的技术经济性，近年来在电力系统中得以大规模应用，亟需变电运行维护人员掌握SVG的工作特性与运行维护方法。但由于该装置的拓扑结构较为复杂，且其中既包含电感、电容等线性元件，也包含非线性的开关元件，单纯靠理论培训不便于直观地表示出SVG的基波特性、谐波畸变、参数非线性等电气性能以及控制保护等方面的特点，无法达到理想的教学效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统及其仿真方法，本发明既可以对低压物理模型进行本地/远方操作又可以进行实时在线仿真研究，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统，其改进之处在于，所述系统用于技术技能培训，所述系统包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的SVG数字仿真模型主电路。

进一步地，所述低压物理模型包括SVG低压物理模型、感性负载物理模型、容性负载物理模型；所述SVG低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型均接入380V电压等级系统中。

进一步地，所述SVG低压物理模型为三相链式H桥级联结构，在每相的交流侧串联有电抗器，每相由H桥级联的功率模块组成，所述功率模块由四个桥臂组成，每个桥臂由IGBT模块组成，所述IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；每个所述功率模块并联有直流电容器。

进一步地，所述低压物理模型控制系统包括控制平台、SVG物理控制器、电压互感器、电流互感器、光纤转接板和仿真机；所述控制平台通过光纤转接板分别控制SVG低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型；所述SVG物理控制器设置在控制平台与接口转接板之间；所述电压互感器连接在380V电压等级系统中；所述电流互感器与SVG低压物理模型的功率模块连接；所述SVG低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型分别通过光电转换板与仿真机连接；

所述低压物理模型控制系统用于实现低压物理模型的数据采集、控制保护和人机交互，包括：1)具备采集控制保护和人机界面显示所需的模拟量和开关量功能，2)完成SVG低压物理模型投切操作，3)完成SVG低压物理模型的实验教学功能，4)当发生低压物理模型控制系统异常状态时，保证SVG低压物理模型不发生误动作。

进一步地，所述控制平台和SVG控制器由独立电源供电；所述电压互感器用于采集380V电压等级系统电压；所述电流互感器用于采集SVG低压物理模型的输出电流量，并将输出电流量数据传送给控制平台，以便参数显示和实现SVG装置的保护功能；所述光纤转接板用于接收远方旋钮仿真工作模式电信号和根据仿真工作模式信号选通光纤通路；控制平台根据指令，将继电器信号发给SVG低压物理模型的接触器节点，控制SVG低压物理模型投入或退出运行。

进一步地，所述SVG物理控制器和光纤转接板之间、光纤转接板与功率模块之间均采用光纤通信；光纤转接板与容性负载物理模型的接触器之间采用光纤通信；光纤转接板与感性负载物理模型的接触器之间采用电缆通信。

进一步地，所述数字仿真机包括工控机、数字仿真模块以及SVG的数字仿真模型(与SVG低压物理模型完全等效)，SVG低压物理模型通过光纤转接板与仿真平台接口通信，实现数模混合仿真功能。

本发明还提供一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统的仿真方法，其改进之处在于，所述仿真方法包括下述仿真工作模式：

①低压物理模型控制系统控制低压物理模型仿真工作模式；

②数字仿真机控制低压物理模型仿真工作模式；

③低压物理模型控制系统控制数字仿真机仿真工作模式。

进一步地，所述仿真工作模式①中，低压物理模型控制系统中的SVG物理控制器控制低压物理模型的SVG低压物理模型的功率模块、容性负载物理模型和感性负载物理模型；

所述SVG低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型具备本地或远方投切功能；投入容性或感性负载物理模型后，改变380V电压等级系统等值阻抗参数，380V母线电压上升或下降，在投入SVG低压物理模型后，改善380V电压等级系统的无功分布，380V母线电压下降或上升，将380V母线电压维持在控制目标范围内；

所述仿真工作模式①为模拟仿真，用SVG物理控制器来控制SVG物理功率模块输出无功；

所述仿真工作模式②和③为数模混合仿真中，用数字仿真机控制SVG低压物理模型的功率模块和SVG物理控制器控制数字仿真机中的SVG数字仿真模型主电路。

与最接近的现有技术比，本发明的优异效果是：

本发明中的低压物理模型系统能够将实际应用于输配电系统的高电压、大容量SVG的电气特性、运行维护特点、控制保护策略等性能生动演示出来，能够灵活自主设定运行参数及控制策略。在培训教学时，基于本发明的低压物理模型系统，便于培训学员理论联系实际，深刻理解静止无功补偿的原理和作用，有助于培训学员学习SVG的实操及运行维护特点，可使培训学员在正式上岗前就能够熟练了解掌握SVG的操作规程。低压物理模型通过接口转接板和光纤来实现数字仿真机和低压物理模型控制系统间的相互通讯：低压物理模型系统的运行情况可以在控制系统的人机界面上显示，控制系统可以对低压物理模型进行在线控制，数字仿真机和控制系统可进行在线实时仿真。该系统既可以对低压物理模型进行本地/远方操作又可以进行实时在线仿真研究，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。

附图说明

图1是本发明提供的低压物理模型主回路接线图；

图2是本发明提供的数模混合仿真系统构成图；

图3是本发明提供的低压物理模型控制系统框架图；

图4是本发明提供的光纤转接板电路示意图。

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。

本发明提供一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统，该系统用于技术技能培训，数模混合仿真系统构成图如图2所示，所述系统包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的SVG数字仿真模型主电路。

所述低压物理模型包括SVG低压物理模型、感性负载物理模型、容性负载物理模型；所述SVG低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型均接入380V电压等级系统中。

本发明提供的低压物理模型主回路接线图如图1所示，所述SVG低压物理模型为三相链式H桥级联结构，在每相的交流侧串联有电抗器，每相由H桥级联的功率模块组成，所述功率模块由四个桥臂组成，每个桥臂由IGBT模块组成，所述IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；每个所述功率模块并联有直流电容器。

所述低压物理模型控制系统包括控制平台、SVG物理控制器、电压互感器、电流互感器、光纤转接板和仿真机；所述控制平台通过光纤转接板分别控制SVG低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型；所述SVG物理控制器设置在控制平台与接口转接板之间；所述电压互感器连接在380V电压等级系统中；所述电流互感器与SVG低压物理模型的功率模块连接；所述SVG低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型分别通过光电转换板与仿真机连接；

所述低压物理模型控制系统用于实现低压物理模型的数据采集、控制保护和人机交互，包括：1)具备采集控制保护和人机界面显示所需的模拟量和开关量功能，2)完成SVG低压物理模型投切操作，3)完成SVG低压物理模型的实验教学功能，4)当发生低压物理模型控制系统异常状态时，保证SVG低压物理模型不发生误动作。低压物理模型控制系统框架图如3所示。

所述控制平台和SVG控制器由独立电源供电；所述电压互感器用于采集380V电压等级系统电压；所述电流互感器用于采集SVG低压物理模型的输出电流量，并将输出电流量数据传送给控制平台，以便参数显示和实现SVG装置的保护功能；所述光纤转接板用于实现工作模式的硬件选通，包括接收远方旋钮仿真工作模式电信号和根据仿真工作模式信号选通光纤通路；控制平台根据指令，将继电器信号发给SVG低压物理模型的接触器节点，控制SVG低压物理模型投入或退出运行。

所述SVG物理控制器和光纤转接板之间、光纤转接板与功率模块之间均采用光纤通信；光纤转接板与容性负载物理模型的接触器之间采用光纤通信；光纤转接板与感性负载物理模型的接触器之间采用电缆通信。

所述数字仿真机包括工控机、数字仿真模块以及SVG的数字仿真模型，SVG低压物理模型通过光纤转接板与仿真平台接口通信，实现数模混合仿真功能。

本发明还提供一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统的仿真方法，所述仿真方法包括下述仿真工作模式：

①低压物理模型控制系统控制低压物理模型仿真工作模式；

②数字仿真机控制低压物理模型仿真工作模式；

③低压物理模型控制系统控制数字仿真机仿真工作模式。

所述仿真工作模式①中，低压物理模型控制系统中的SVG物理控制器控制低压物理模型的SVG低压物理模型的功率模块、容性负载物理模型和感性负载物理模型；

所述SVG低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型具备本地或远方投切功能；投入容性或感性负载物理模型后，改变380V电压等级系统等值阻抗参数，380V母线电压上升或下降，在投入SVG低压物理模型后，改善380V电压等级系统的无功分布，380V母线电压下降或上升，将380V母线电压维持在控制目标范围内；

所述仿真工作模式①为模拟仿真，用SVG物理控制器来控制SVG物理功率模块输出无功；

所述仿真工作模式②和③为数模混合仿真中，用数字仿真机控制SVG低压物理模型的功率模块和SVG物理控制器控制数字仿真机中的SVG数字仿真模型主电路。

三种工作方式通过给每个低压物理模型装设光纤转接板来完成工作方式转换，光纤转接板电路示意图如图4所示。光纤转接板功能主要是：

1)接收远方旋钮工作模式电信号；

2)根据工作模式信号选通光纤通路。

选通真值表如下：

工作方式选择	A B	实现功能
			1	0 1	低压物理模型控制系统控制低压物理模型

2	0 0	数字仿真机控制低压物理模型
			3	1 1	低压物理控制系统控制数字仿真模型主电路

其中，A代表SVG的主回路在实际的物理功率模块和数字主电路间的选择，B代表SVG控制器在物理控制器和数字控制器间的选择。

本发明提供的仿真系统及其仿真方法既可以对低压物理模型进行本地/远方操作又可以进行实时在线仿真研究，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统，其特征在于，所述系统用于技术技能培训，包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的SVG数字仿真模型主电路。

2.如权利要求1所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述低压物理模型包括SVG低压物理模型、感性负载物理模型、容性负载物理模型；所述SVG低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型均接入380V电压等级系统中。

3.如权利要求2所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述SVG低压物理模型为三相链式H桥级联结构，在每相的交流侧串联有电抗器，每相由H桥级联的功率模块组成，所述功率模块由四个桥臂组成，每个桥臂由IGBT模块组成，所述IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；每个所述功率模块并联有直流电容器。

4.如权利要求1所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述低压物理模型控制系统包括控制平台、SVG物理控制器、电压互感器、电流互感器、光纤转接板和仿真机；所述控制平台通过光纤转接板分别控制SVG低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型；所述SVG物理控制器设置在控制平台与接口转接板之间；所述电压互感器连接在380V电压等级系统中；所述电流互感器与SVG低压物理模型的功率模块连接；所述SVG低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型分别通过光电转换板与仿真机连接；

所述低压物理模型控制系统用于实现低压物理模型的数据采集、控制保护和人机交互，包括：1)具备采集控制保护和人机界面显示所需的模拟量和开关量功能，2)完成SVG低压物理模型投切操作，3)完成SVG低压物理模型的实验教学功能，4)当发生低压物理模型控制系统异常状态时，保证SVG低压物理模型不发生误动作。

5.如权利要求4所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述控制平台和SVG控制器由独立电源供电；所述电压互感器用于采集380V电压等级系统电压；所述电流互感器用于采集SVG低压物理模型的输出电流量，并将输出电流量数据传送给控制平台，以便参数显示和实现SVG装置的保护功能；所述光纤转接板用于接收远方旋钮仿真工作模式电信号和根据仿真工作模式信号选通光纤通路；控制平台根据指令，将继电器信号发给SVG低压物理模型的接触器节点，控制SVG低压物理模型投入或退出运行。

6.如权利要求4所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述SVG物理控制器和光纤转接板之间、光纤转接板与功率模块之间均采用光纤通信；光纤转接板与容性负载物理模型的接触器之间采用光纤通信；光纤转接板与感性负载物理模型的接触器之间采用电缆通信。

7.如权利要求1所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述数字仿真机包括工控机、数字仿真模块以及SVG的数字仿真模型，SVG低压物理模型通过接口转接板与仿真平台接口通信，实现数模混合仿真功能。

8.如权利要求1-7中任一项所述的一种静止无功发生装置的数模混合仿真系统的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括下述仿真工作模式：

①低压物理模型控制系统控制低压物理模型仿真工作模式；

②数字仿真机控制低压物理模型仿真工作模式；

③低压物理模型控制系统控制数字仿真机仿真工作模式。

9.如权利要求8所述的仿真方法，其特征在于，所述仿真工作模式①中，低压物理模型控制系统中的SVG物理控制器控制低压物理模型的SVG低压物理模型的功率模块、容性负载物理模型和感性负载物理模型；

所述SVG低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型具备本地或远方投切功能；投入容性或感性负载物理模型后，改变380V电压等级系统等值阻抗参数，380V母线电压上升或下降，在投入SVG低压物理模型后，改善380V电压等级系统的无功分布，380V母线电压下降或上升，将380V母线电压维持在控制目标范围内；

所述仿真工作模式①为模拟仿真，用SVG物理控制器来控制SVG物理功率模块输出无功；

所述仿真工作模式②和③为数模混合仿真中，用数字仿真机控制SVG低压物理模型的功率模块和SVG物理控制器控制数字仿真机中的SVG数字仿真模型主电路。