CN106205307B - 一种短路故障模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短路故障模拟装置，包括两条故障模拟线路，第一故障模拟线路的一端和第二故障模拟线路的一端连接，并通过一条接地线路接地，接地线路上串设有接地开关，第一故障模拟线路的另一端和第二故障模拟线路的另一端分别为该模拟装置的两个接入端；每一个故障模拟线路上均串设有至少一个模拟基本单元，模拟基本单元包括第一控制开关。该模拟装置能够有效模拟出多种故障，而且该模拟装置应用广泛，不但可应用于基于模块化多电平换流器的柔性直流输电物理动模系统，同样可以应用于基于单个器件或器件串联的两电平、三电平的电压源换流器的柔性直流输电物理动模系统。

Description

一种短路故障模拟装置

技术领域

本发明涉及一种短路故障模拟装置。

背景技术

随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术得到迅速发展，已经从理论研究、实验室验证阶段发展到世界范围内的工程应用阶段。与常规直流输电相比，柔性直流输电系统以其灵活控制的技术优势可应用于大规模新能源接入、孤岛供电、城市电网改造、电能质量改善等领域。

柔性直流输电物理动模系统，如图1所示，为模块化多电平单端换流器。本质上基于“等效模拟”的设计理念，实际物理模型等效替代实际柔性直流输电工程中的一次设备，包括交直流常规一次设备和换流阀，物理模型的电压等级和功率均成比例缩小，但控制接口与实际工程完全一致，物理动模系统的二次系统则与实际工程一致。基于柔性直流输电物理动模系统，可实现控制保护系统、换流阀、一次设备运行与故障特性的实验室研究和控制保护策略的验证，以指导控制保护、换流阀及一次设备的设计、开发、试验以及工程实施。

短路故障特性的模拟，是柔性直流输电物理动模系统的关键功能之一，可以基于此深入研究柔性直流输电系统的短路故障发展过程、保护策略设计以及一次设备的电气应力设计。然而实际的短路故障，对于柔性直流输电物理动模系统的一次设备而言仍存在安全风险，且短路恢复时间不可控。因此需要寻求一种合适的短路接入故障模拟装置和方法，不仅能够模拟多种故障类型，而且应实现短路故障时间的控制，也能够实现交直流多区域、多工况的短路接入，既要保证短路故障接入时动模系统一次设备故障电流控制在安全的范围内，又要保证动模系统与实际工程系统具有近似的短路故障特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种短路故障模拟装置，能够模拟多种短路故障。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种短路故障模拟装置，包括两条故障模拟线路，第一故障模拟线路的一端和第二故障模拟线路的一端连接，并通过一条接地线路接地，所述接地线路上串设有接地开关，所述第一故障模拟线路的另一端和第二故障模拟线路的另一端分别为所述模拟装置的两个接入端；每一个故障模拟线路上均串设有至少一个模拟基本单元，所述模拟基本单元包括第一控制开关。

所述模拟基本单元还包括第二控制开关，所述第一控制开关和第二控制开关反向并联设置。

模拟基本单元还包括与第一控制开关并联设置的阻尼均压线路。

每一个故障模拟线路上还均串设有可调阻抗。

所述可调阻抗由电阻值可调的可调电阻和电感值可调的可调电感串联构成。

所述接地开关为机械开关。

模拟装置中的控制开关为IGBT、IEGT和IGCT中的至少一种。

首先，通过控制第一故障模拟线路和第二模拟线路的导通或者关断，以及控制接地开关的导通或者关断，来模拟不同的故障类型，比如：当接地开关接地时，可模拟单点或者双点接地故障，当接地开关断开时，可模拟单点不接地故障或者双点不接地故障，所以，该模拟装置能够有效模拟出多种故障，包括交流单相短路接地、相间短路、相间短路接地、阀短路、阀端(底)对地短路、直流单极接地、直流双极短路、直流双极短路接地故障等，满足各种故障模拟的需求。通过更换模拟装置接入的短路故障接入点的位置，可实现柔性直流输电系统交流场、直流场、换流器(阀)以及直流线路的多种短路故障工况的模拟。所以该装置对柔性直流输电物理动模系统进行有效地故障模拟，可检测柔性直流输电物理动模系统对各种故障的应对能力和排除故障的能力。

然后，根据短路故障接入点处的最大连续运行电压，以及单个控制开关的额定工作运行电压来确定一条模拟线路上需要串联的模拟基本单元的数目，所以，根据实际需要可以灵活控制模拟线路上串设的模拟基本单元的数目，满足不同电压等级的短路故障接入点的短路故障的模拟。

而且，将短路故障模拟装置接入动模系统短路故障接入点后，可以控制故障模拟线路上设置的控制开关的开通与关断的时间，根据需要模拟的短路故障接入时间来设定控制开关的触发持续时间，故障接入与恢复时间灵活可调，实现短路故障的灵活控制。

另外，该模拟装置应用广泛，不但可应用于基于模块化多电平换流器的柔性直流输电物理动模系统，同样可以应用于基于单个器件或器件串联的两电平、三电平的电压源换流器的柔性直流输电物理动模系统；并且，既适用于单端系统、双端系统，也适用于多端系统。

附图说明

图1是柔性直流输电物理动模系统原理示意图；

图2是柔性直流输电系统交直流短路故障接入点示意图；

图3是短路故障模拟装置电路结构示意图；

图4是短路故障模拟流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

对于给定的柔性直流输电物理动模系统，以图1所示的基于半桥式子模块的模块化多电平换流器为例，在接入短路故障模拟装置之前，需明确动模系统电气主参数、系统运行方式与参数，以及在给定的短路工况下常规一次设备、换流阀组考虑一定裕量之后的最大短路电流耐受能力，以及柔性直流输电物理动模系统上的短路故障接入点的最大连续运行电压。由于柔性直流输电物理动模系统属于现有技术，那么该动模系统中的各种参量的设定同样属于现有技术，这里不再说明。

图2中，在柔性直流输电系统中设置有多个交直流短路故障接入点，每一个短路故障接入点都有相应的短路故障工况，所以，将模拟装置对应接入到该柔性直流输电系统中的交直流短路故障接入点上可实现短路故障工况的模拟，并且，通过改变接入的短路故障接入点的位置，可实现交流场、换流器(阀)、直流场以及直流线路等不同区域的多种短路故障工况的模拟。

如图3所示，短路故障模拟装置的电路结构中，包括两条故障模拟线路，其中，第一故障模拟线路的一端为该模拟装置的接入端1，第二故障模拟线路的一端为该模拟装置的接入端2。第一故障模拟线路的另一端与第二故障模拟线路的另一端连接，并且通过一条接地线路接地，该接地线路上串设有接地开关K。该接地开关K的类型不唯一，可以是电控开关，也可以是机械开关，但是为了节约成本，在本实施例中，开关K设置为机械开关。

第一故障模拟线路上串设有可调短路过渡阻抗和n个模拟基本单元，n≥1；同样地，第二故障模拟线路上也串设有可调短路过渡阻抗和模拟基本单元。第一故障模拟线路和第二故障模拟线路上的模拟基本单元的个数均是可调的，根据实际情况增加和减少。本实施例中，第一故障模拟线路和第二故障模拟线路上的模拟基本单元的个数相同，都包括n个，但是，作为其他的实施例，两者上的模拟基本单元的个数也可以不相同。

对于其中任意一个模拟基本单元，包括第一控制开关和第二控制开关，这两个控制开关反向并联设置，并且串设在对应的故障模拟线路上。这两个控制开关为电控型可关断器件，比如现有的全控型器件IGBT、IEGT和IGCT。而且，对于整个模拟装置来说，第一故障模拟线路上包括n个第一控制开关和n个第二控制开关，第二故障模拟线路上同样包括n个第一控制开关和n个第二控制开关，所以，该模拟装置总共包括4n个控制开关，这4n个控制开关可以全部是IGBT、IEGT和IGCT中的一种，也可以是由IGBT、IEGT和IGCT中的至少两种混合构成。

本实施例中的每个模拟基本单元均包括两个反向并联设置的可关断器件，反向并联设置的可关断器件在没有触发信号的条件下，具有双向阻断能力，在有触发信号的条件下，具有双向导通能力，保证了该模拟基本单元既可实现直流短路故障的模拟，又可实现交流短路故障的模拟。当然，如果每个模拟基本单元中只设置一个控制开关，并且模拟线路上的所有的控制开关均同向串联，由于在这种情况下模拟线路只能够单向导通，那么，该模拟装置只可以实现部分直流短路故障的模拟。

如果n≥2，即故障模拟线路上包括多个模拟基本单元，串联的模拟基本单元的个数由系统中的短路故障接入点的电压与可关断器件的耐受电压确定。

而且，为保证可关断器件的串联静态和动态均压特性，每个模拟基本单元中需设置有阻尼均压回路，该阻尼均压回路与对应模拟基本单元中的任意一个可关断器件并联设置，如图3所示。

可调短路过渡阻抗是为了确保柔性直流输电物理动模系统的常规一次设备及换流阀组的安全而设置的，可调短路过渡阻抗能够根据实际需要调节输出阻抗值。在本实施例中，可调短路过渡阻抗由可调电感和可调电阻串联实现。若常规一次设备及换流阀组能够耐受金属性短路故障电流，则可调节短路过渡阻抗为零，直接模拟短路故障；否则，需根据设备短路电流耐受能力核算允许的最大短路电流，根据该短路电流设计最优短路过渡阻抗值，从而确定可调电感和可调电阻值；短路过渡阻抗的选取原则为尽可能地小，使得短路故障特性与系统实际短路故障特性尽可能的接近，最小值由短路故障接入点最大耐受短路电流确定；短路过渡阻抗中的电阻与电感的取值配比，由短路故障接入点短路故障电流上升率及稳态故障电流确定。

上述对该模拟装置的结构进行了说明，但是，在实际应用时，为了保证故障模拟的顺利进行，需要首先对模拟装置中的器件按照实际情况进行选型，选型的依据具体如下：

根据设备(图2中的短路故障接入点)允许的最大短路电流及短路时间完成可关断器件的选型。

根据设备(图2中的短路故障接入点)最大连续运行电压，以及所选择的单个可关断器件的额定工作运行电压，确定一条模拟线路上需要串联的模拟基本单元，即可关断器件的数目。

根据设备(图2中的短路故障接入点)最大耐受短路电流、短路电流上升率以及稳态短路电流初步计算短路过渡阻抗的电感与电阻值，通过仿真对所选择的短路过渡阻抗进行校核，使得在给定的短路工况下短路故障特性尽可能地接近实际短路故障特性，同时保证短路故障期间设备的安全。

为了便于携带，该短路故障模拟装置可以设计为移动式，而且根据短路故障接入点位置的不同，可实现交流场、换流器、直流场及直流线路的多种短路故障工况。

根据两条故障模拟线路上的可关断器件和接地机械开关的通断，实现包括交流单相短路接地、相间短路、相间短路接地、阀短路、阀端(底)对地短路、直流单极接地、直流双极短路、直流双极短路接地故障等交直流短路故障工况的模拟。比如：若接地机械开关断开，通过控制两条模拟线路上的可关断器件的同时通断，可控制非接地短路故障的模拟；若接地机械开关闭合，通过控制其中一条模拟线路上的可关断器件的通断，可模拟单点接地短路故障；若机械接地开关闭合，通过控制两条模拟线路上的可关断器件的同时通断，可模拟双点短路接地故障。另外，当模拟单点接地短路故障时，将该模拟装置的其中一个接入端连接系统中的短路故障接入点，控制该接入端对应的模拟线路上的可关断器件的通断实现短路故障模拟，而另一个接入端由于不参与故障模拟，所以，该另一个接入端可以接入到另外的短路故障接入点，也可以闲置，当接入到另外的短路故障接入点时，需要保证该接入端对应的模拟线路上的可关断器件关断。

具体参见表1，表1给出了不同短路故障模拟工况下的两个短路故障模拟线路上的可关断器件与机械接地开关的配置方案，其中，触发表示可关断器件导通，不触发表示可关断器件关断。

表1

需要模拟的短路故障工况确定后，根据表1所示的两个短路模拟线路与机械接地开关的配置方案，操作机械接地开关使其处于正确的开关状态。根据需要模拟的短路故障接入时间，设定短路模拟线路中的可关断器件的触发持续时间。

完成以上系统配置与参数设定后，将短路故障模拟装置接入待模拟的动模系统短路故障接入点，接入方式是将模拟装置的两个接入端分别对应接入到两个动模系统短路故障接入点上，启动动模系统并按照既定的控制模式与运行方式稳定运行后，通过专门的控制设备——短路故障模拟控制系统的人机操作界面(或监控后台)下发短路触发指令，进行既定的短路故障的模拟。完整的短路故障模拟流程如附图4所示。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种短路故障模拟装置，其特征在于，包括两条短路故障模拟线路，第一短路故障模拟线路的一端和第二短路故障模拟线路的一端连接，并通过一条接地线路接地，所述接地线路上串设有接地开关，所述第一短路故障模拟线路的另一端和第二短路故障模拟线路的另一端分别为所述模拟装置的两个接入端；每一个短路故障模拟线路上均串设有至少一个模拟基本单元，所述模拟基本单元包括第一控制开关；

单相接地短路故障模拟工况下或阀端对地短路故障模拟工况下或直流单极接地故障模拟工况下：触发第一短路故障模拟线路的第一控制开关，不触发第二短路故障模拟线路的第一控制开关，闭合接地开关；或者不触发第一短路故障模拟线路的第一控制开关，触发第二短路故障模拟线路的第一控制开关，闭合接地开关；两相短路故障模拟工况下或阀短路故障模拟工况下或直流双极短路故障模拟工况下：同时触发第一短路故障模拟线路和第二短路故障模拟线路的第一控制开关，断开接地开关；两相短路接地故障模拟工况下或直流双极短路接地故障模拟工况下：同时触发第一短路故障模拟线路和第二短路故障模拟线路的第一控制开关，闭合接地开关。

2.根据权利要求1所述的短路故障模拟装置，其特征在于，所述模拟基本单元还包括第二控制开关，所述第一控制开关和第二控制开关反向并联设置。

3.根据权利要求1或2所述的短路故障模拟装置，其特征在于，模拟基本单元还包括与第一控制开关并联设置的阻尼均压线路。

4.根据权利要求1或2所述的短路故障模拟装置，其特征在于，每一个短路故障模拟线路上还均串设有可调阻抗。

5.根据权利要求4所述的短路故障模拟装置，其特征在于，所述可调阻抗由电阻值可调的可调电阻和电感值可调的可调电感串联构成。

6.根据权利要求1或2所述的短路故障模拟装置，其特征在于，所述接地开关为机械开关。

7.根据权利要求1或2所述的短路故障模拟装置，其特征在于，模拟装置中的控制开关为IGBT、IEGT和IGCT中的至少一种。