CN107800119A - 一种直流断路器仿真模型和方法 - Google Patents

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Abstract

一种直流断路器仿真模型和方法，其中仿真模型包括：并联的主支路、转移支路以及耗能支路，其中所述主支路包括：开关部件、第一受控电压源和第一可双向导通电路，所述开关部件、所述第一受控电压源和所述第一可双向导通电路串联；所述转移支路包括：第二受控电压源和第二可双向导通电路，所述第二受控电压源与所述第二可双向导通电路串联；所述耗能支路包括：并联的电阻与受控电流源简化了现有用于直流断路器工作性能研究的模型，提高了直流断路器性能仿真效率。

Description

一种直流断路器仿真模型和方法
技术领域
本发明涉及电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种直流断路器仿真模型和方法。
背景技术
柔性直流输电是发展智能电网的重要技术手段，与常规直流输电方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、大规模交流系统的互联、新能源并网等方面具有较强的技术优势，具有非常广阔的发展前景。直流断路器作为保证柔性直流输电系统安全可靠运行的关键设备之一，在直流电网的建立，提高电网运行灵活性和供电可靠性等方面均发挥着重要作用。
而现有柔性直流输电在开断故障电流的过程中，机械断路器的分段时间过长，无法满足多端柔性直流输电系统的要求；基于电力电子元器件的固态开关存在通态损耗过大的经济性问题。将机械开关与电力电子开关通过一定的拓扑结构组合成的混合式断路器结合了机械开关损耗低和固态开关动作时间短的优点，成为了发展的主流；现有的混合式直流断路器，包括并联的主支路、转移支路以及耗能支路，主支路与转移支路分别由多个电力电子开关串/并联组成，耗能支路由串联的避雷器组成，当柔性直流输电未出现故障时通过主支路连接两侧的换流器，当柔性直流输电系统出现故障时，闭锁主支路中的电力电子开关，并将故障电流导入转移支路中并闭锁转移支路的电力电子开关和主支路中的机械开关，并通过耗能支路切断故障电流。
现阶段对上述混合式断路器工作性能进行建模研究过程中，主要包括两种方法，第一种方法是将混合式断路器等效为有延时功能的开关，即当断路器收到关断信号时，通过一定的延时来模拟混合式断路器中机械开关的动作时间，从而使系统得到近似于实际断路器的响应特性，但该建模方法不能反应断路器内部在开断过程中的电磁变化情况，且在不同电流情况下，混合断路器的关断时间不同，用一固定的延时来代替断路器的动作时间并不准确；第二种方法为在仿真过程中使用电力电子开关模块搭建完整的混合式断路器，该方法可准确反应断路器内部在开断过程中的电磁情况，但由于混合式断路器需要用到大量电力电子开关，该方法极大地增加了仿真系统的待求解矩阵规模，不仅降低了性能仿真效率，更浪费了计算资源。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有混合式断路器工作性能研究方式繁琐的问题。
有鉴于此，本发明提供一种直流断路器仿真模型，包括：并联的主支路、转移支路以及耗能支路，其中
所述主支路包括：开关部件、第一受控电压源和第一可双向导通电路，所述开关部件、所述第一受控电压源和所述第一可双向导通电路串联；
所述转移支路包括：第二受控电压源和第二可双向导通电路，所述第二受控电压源与所述第二可双向导通电路串联；
所述耗能支路包括：并联的电阻与受控电流源。
优选地，所述第一可双向导通电路和所述第二可双向导通电路包括：反向并联的二极管，任一所述二极管所在的支路串联有一开关单元。
优选地，所述主支路还包括：第一电感，与所述开关部件串联。
优选地，所述转移支路还包括第二电感，与所述第二受控电压源串联。
相应地，本发明还提供一种用于上述所述直流断路器仿真模型的仿真方法，包括：
判断是否接收到所述直流断路器开断信号；
当未接收到所述直流断路器开断信号时，控制所述主支路和转移支路的受控电压源的电压值如下式所示，
V(t)＝i(t)*R+Von
其中，V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；i(t)为当前时刻流经主支路和转移支路的电流值；R为直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路导通时的等效电阻；Von为直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路电力电子开关导通时压降；
控制耗能支路的电流值为零。
优选地，还包括：
当接收到所述直流断路器开断信号时，控制所述主支路和转移支路的受控电压源的电压值如下式所示，
其中，V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；i(t)为当前时刻流经主支路和转移支路的电流值；V(t-ΔT)为上一时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值，初始受控电压源的电压值为0；ΔT为仿真步长；C为直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路电力电子开关关断时的等效电容；
判断耗能支路两端的电压值是否大于预设电压；
当所述耗能支路两端的电压值大于所述预设电压时，控制所述受控电流源的电流值如下式所示，
其中，I为受控电流源的电流值；V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；Vref为直流断路器拓扑结构中避雷器额定电压值；α为所述避雷器限压特性常数。
优选地，还包括：
当所述耗能支路两端的电压值不大于所述预设电压时，控制所述受控电流源的电流值如下式所示，
I＝a*V(t)+b
其中，I为受控电流源的电流值；V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；a、b为所述避雷器限压特性拟合常数。
优选地，所述当前时刻流经主支路和转移支路的电流值i(t)由下式得到：
i(t)＝G*U(t)
其中，i(t)为当前时刻流经主支路和转移支路的电流值；G为直流断路器所在的柔性直流输电系统中各节点的等效导纳矩阵；U(t)为所述直流断路器所在的柔性直流输电系统中各节点电压值。
优选地，所述预设电压为避雷器额定电压。
本发明提供的直流断路器仿真模型和方法，包括相互串联的开关部件、第一受控电压源和第一可双向导通电路共同构成的主支路以及利用相互串联的第二受控电压源和第二可双向导通电路形成的转移支路以及由并联的电阻与受控电流源组成的耗能支路，简化了现有用于直流断路器工作性能研究的模型，提高了直流断路器性能仿真效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种直流断路器仿真模型的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种直流断路器仿真方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的一种直流断路器仿真方法效果图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种直流断路器仿真模型，如图1所示，包括：并联的主支路1、转移支路2以及耗能支路3，其中
所述主支路1包括：开关部件11、第一受控电压源12和第一可双向导通电路13，所述开关部件11、所述第一受控电压源12和所述第一可双向导通电路13串联，其中开关部件为机械开关，由于用直流断路器实现故障隔离的输电系统的电压等级不同，选用额定电压不小于该输电系统电压等级的第一受控电压源；该第一可双向导通电路13可以是反向并联的二极管或者是其他可实现双向导通的元器件，当主支路有电流通过时，为了避免反向并联的二极管电路形成回路，在任意一个二极管所在的支路串联有一开关单元，根据主支路电流的流通方向或者主支路两端电势大小，选择合适的开关，即当电流从左往右流时，闭合开关K2，关断开关K1，当电流从右往左流时，闭合开关K1，关断开关K2；或者当主支路左边电势大于右边电势时，闭合开关K2，关断开关K1，当主支路左边电势小于右边电势时，闭合开关K1，关断开关K2。
所述转移支路2包括：第二受控电压源21和第二可双向导通电路22，所述第二受控电压源21与所述第二可双向导通电路22串联，该第二可双向导通电路13可以是反向并联的二极管或者是其他可实现双向导通的元器件，当转移支路有电流通过时，为了避免反向并联的二极管电路形成回路，在任意一个二极管所在的支路串联有一开关单元，根据转移支路电流的方向或者转移支路两端电势大小，，选择合适的开关，即当电流从左往右流时，闭合开关K2，关断开关K1，,当电流从右往左流时，闭合开关K1，关断开关K2；或者当转移支路左边电势大于右边电势时，闭合开关K2，关断开关K1，当转移支路左边电势小于右边电势时，闭合开关K1，关断开关K2。。
所述耗能支路3包括：并联的电阻31与受控电流源32。
本发明实施例提供的直流断路器仿真模型，包括相互串联的开关部件、第一受控电压源和第一可双向导通电路共同构成的主支路以及利用相互串联的第二受控电压源和第二可双向导通电路形成的转移支路以及由并联的电阻与受控电流源组成的耗能支路，简化了现有用于直流断路器工作性能研究的模型，提高了直流断路器性能仿真效率。
由于任意两个导体之间均会形成寄生电感，为了提高仿真模型的准确性，在该直流断路器仿真模型的主支路1中设置有第一电感14，与所述开关部件11串联；同样在该直流断路器仿真模型的转移支路2中设置有第二电感23，与所述第二受控电压源21串联。
相应地，本发明还提供一种用于上述实施例所述的直流断路器仿真模型的仿真方法，当仿真软件利用上述实施例中的直流断路器仿真模型进行仿真时，事先需向仿真软件中输入该仿真模型等效的原混合式直流断路器拓扑结构中的相关电气参数，包括直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路导通时的等效电阻、直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路电力电子开关导通时压降、直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路电力电子开关关断时的等效电容、直流断路器拓扑结构中耗能支路两端的电压值、直流断路器拓扑结构中避雷器额定电压值等，具体如图2所示包括：
S201，判断是否接收到所述直流断路器开断信号，当未接收到所述直流断路器开断信号时，执行步骤S202；当接收到所述直流断路器开断信号时，执行步骤S204。其中该直流断路器开断信号在仿真过程中由仿真软件发出。
S202，控制所述主支路和转移支路的受控电压源的电压值如下式所示，
V(t)＝i(t)*R+Von
其中，V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；i(t)为当前时刻流经主支路和转移支路的电流值；R为直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路导通时的等效电阻；Von为直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路电力电子开关导通时压降；
S203，控制耗能支路的电流值为零。
该方法还包括：
S204，控制所述主支路和转移支路的受控电压源的电压值如下式所示，
其中，V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；i(t)为当前时刻流经主支路和转移支路的电流值；V(t-ΔT)为上一时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值，初始受控电压源的电压值为0；ΔT为仿真步长，可根据实际使用确定，本实施例优选仿真步长为2微秒；C为直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路电力电子开关关断时的等效电容；
S205，判断耗能支路两端的电压值是否大于预设电压，当所述耗能支路两端的电压值大于所述预设电压时，执行步骤S206；当所述耗能支路两端的电压值不大于所述预设电压时，执行步骤S207，为了保护耗能支路中元器件，该预设电压可以是拓扑结构中避雷器的额定电压。
S206，控制所述受控电流源的电流值如下式所示，
其中，I为受控电流源的电流值；V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；Vref为直流断路器拓扑结构中避雷器额定电压值；α为所述避雷器限压特性常数，当确定使用的避雷器类型后，即该限压特性常数即可被确定。
随着耗能支路产生的方向电压，可降低耗能支路两端的电压值，具体包括：
S207，当所述耗能支路两端的电压值不大于所述预设电压时，控制所述受控电流源的电流值如下式所示，直至该受控电流源的电流值为0时，即表示故障被完全切断。
I＝a*V(t)+b
其中，I为受控电流源的电流值；V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；a、b为所述避雷器限压特性拟合常数，该拟合常数在避雷器出厂时即已设计完毕，可查询该避雷器相关资料得到。
所述当前时刻流经主支路和转移支路的电流值i(t)由下式得到：
i(t)＝G*U(t)
其中，i(t)为当前时刻流经主支路和转移支路的电流值；G为直流断路器所在的柔性直流输电系统中各节点的等效导纳矩阵，该等效导纳矩阵为柔性直流输电系统的电阻倒数；U(t)为所述直流断路器所在的柔性直流输电系统中各节点电压值，如平波电抗器两端节点电压、换流阀节点电压、变压器两端节点电压等。
通过控制仿真软件按照上述实施例的方法对直流断路器仿真模型进行仿真具体效果图如图3所示，其中实线表示直流断路器拓扑结构的相关参数曲线图，虚线表示直流断路器等效模型中相关参数曲线图，通过图3可以看出仿真结果与拓扑结构的相关电气参数曲线有很好的吻合效果，使用本实施例方法对仿真模型进行仿真的准确度较好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种直流断路器仿真模型，其特征在于，包括：并联的主支路、转移支路以及耗能支路，其中
所述主支路包括：开关部件、第一受控电压源和第一可双向导通电路，所述开关部件、所述第一受控电压源和所述第一可双向导通电路串联；
所述转移支路包括：第二受控电压源和第二可双向导通电路，所述第二受控电压源与所述第二可双向导通电路串联；
所述耗能支路包括：并联的电阻与受控电流源。
2.根据权利要求1所述的直流断路器仿真模型，其特征在于，所述第一可双向导通电路和所述第二可双向导通电路包括：反向并联的二极管，任一所述二极管所在的支路串联有一开关单元。
3.根据权利要求1所述的直流断路器仿真模型，其特征在于，所述主支路还包括：第一电感，与所述开关部件串联。
4.根据权利要求1所述的直流断路器仿真模型，其特征在于，所述转移支路还包括第二电感，与所述第二受控电压源串联。
5.一种用于如权利要求1-4中任一项所述直流断路器仿真模型的仿真方法，其特征在于，包括：
判断是否接收到所述直流断路器开断信号；
当未接收到所述直流断路器开断信号时，控制所述主支路和转移支路的受控电压源的电压值如下式所示，
V(t)＝i(t)*R+Von
其中，V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；i(t)为当前时刻流经主支路和转移支路的电流值；R为直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路导通时的等效电阻；Von为直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路电力电子开关导通时压降；
控制耗能支路的电流值为零。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
当接收到所述直流断路器开断信号时，控制所述主支路和转移支路的受控电压源的电压值如下式所示，
<mrow> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>i</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>*</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> </mrow> <mi>C</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；i(t)为当前时刻流经主支路和转移支路的电流值；V(t-ΔT)为上一时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值，初始受控电压源的电压值为0；ΔT为仿真步长；C为直流断路器拓扑结构中主支路和转移支路电力电子开关关断时的等效电容；
判断耗能支路两端的电压值是否大于预设电压；
当所述耗能支路两端的电压值大于所述预设电压时，控制所述受控电流源的电流值如下式所示，
<mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>V</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>V</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </msup> </mrow>
其中，I为受控电流源的电流值；V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；Vref为直流断路器拓扑结构中避雷器额定电压值；α为所述避雷器限压特性常数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述耗能支路两端的电压值不大于所述预设电压时，控制所述受控电流源的电流值如下式所示，
I＝a*V(t)+b
其中，I为受控电流源的电流值；V(t)为当前时刻主支路和转移支路的受控电压源的电压值；a、b为所述避雷器限压特性拟合常数。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述当前时刻流经主支路和转移支路的电流值i(t)由下式得到：
i(t)＝G*U(t)
其中，i(t)为当前时刻流经主支路和转移支路的电流值；G为直流断路器所在的柔性直流输电系统中各节点的等效导纳矩阵；U(t)为所述直流断路器所在的柔性直流输电系统中各节点电压值。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述预设电压为避雷器额定电压。
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