CN109687412A - 一种直流断路器仿真方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流断路器仿真方法及装置，用一个二极管全桥模块模拟转移支路的所有全桥子模块；所述二极管全桥模块的四个桥臂均由一个二极管构成，其上下桥臂并联有等效电容和等效放电电阻。本发明根据级联全桥型直流断路器的特点，通过采用去掉IGBT简化转移支路，只保留四个二极管保证对并联电容的双向充电，并等效电路阻抗，有效降低了其在实时仿真中的计算量，提高了仿真速度。

Description

一种直流断路器仿真方法及装置
技术领域
本发明涉及一种直流断路器仿真方法及装置，属于电力电子领域。
背景技术
相对于传统的柔性直流输电系统(基于IGBT串联技术)，基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电系统因其结构简单，易于工程实施等特点在近年来引起了国内外专家学者的广泛关注。
目前，制约半桥MMC应用于远距离直流输电以及柔性直流电网领域的一个因素是其没有抑制直流侧双极短路故障的能力，目前学者研究出多种方法抑制双极短路故障：改变MMC拓扑结构、全桥与半桥混合式拓扑以及直流断路器等方式。其中直流断路器加半桥MMC的模式最适合应用于柔性直流电网领域。
目前，直流断路器普遍采用一种新型的混合式结构，分三条支路，其中主支路与转移支路由多个全桥子模块串联组成，这种结构在实时仿真时计算量过大，导致仿真步长太大，因此需要简化直流断路器模型，以满足实时仿真需求。
申请公布号为CN 107800119 A的中国专利申请文件公开了一种直流断路器仿真模型和方法。该模型通过若干受控源和双向导通电路模拟出直流断路器中并联的主支路、转移支路及耗能支路。该方案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。虽然上述模型简单，但该方案只适合于离线仿真，因为受控源的支持算法复杂，在线仿真中与实际控制器一起模拟运行时速度跟不上。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流断路器仿真方法及装置，用以解决现有技术不适合在线仿真的缺陷。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种直流断路器仿真方法，用一个二极管全桥模块模拟转移支路的所有全桥子模块；所述二极管全桥模块的四个桥臂均由一个二极管构成，其上下桥臂并联有等效电容和等效放电电阻。
本发明根据级联全桥型直流断路器的特点，通过采用去掉IGBT简化转移支路，只保留四个二极管保证对并联电容的双向充电，并等效电路阻抗，有效降低了其在实时仿真中的计算量，提高了仿真速度。
进一步的，采用一个理想开关模拟主支路。
根据主支路机械开关需要电流过零点才能来开的特点，采用仿真模型中的理想开关代替机械开关。
进一步的，所述等效电容等于所有全桥子模块电容的串联值；所述等效放电电阻等于所有全桥子模块放电电阻的串联值。
进一步的，所述二极管全桥模块中一个二极管导通电阻等于全桥子模块中一个二极管导通电阻乘以全桥子模块数量。
将转移支路上多个全桥子模块串联后的电路阻抗参数全部等效到简化后的一个全桥模块中。保证仿真结果的准确性。
进一步的，所述理想开关的跳闸指令发出时间等于原时序时间加上对应机械开关拉弧的时间。
根据机械开关的特点调整控制时序，进一步增加了仿真准确性。
本发明的一种直流断路器仿真方法，用一个二极管全桥模块模拟转移支路的所有全桥子模块；所述二极管全桥模块的一对对角桥臂均由一个二极管构成、另一对对角桥臂断路，其上下桥臂并联有等效电容和等效放电电阻。
在电流方向确定的情况下，可以再精简掉两个桥臂，进一步简化直流断路器仿真模型。
进一步的，采用一个理想开关模拟主支路。
根据主支路机械开关需要电流过零点才能来开的特点，采用仿真模型中的理想开关代替机械开关。
进一步的，所述二极管全桥模块中的电容值等于所述全桥子模块电容的串联值；所述二极管全桥模块中的放电电阻阻值等于所述全桥子模块放电电阻的串联值；所述二极管全桥模块中一个二极管导通电阻等于全桥子模块中一个二极管导通电阻乘以全桥子模块数量。
将转移支路上多个全桥子模块串联后的电路阻抗参数全部等效到简化后的一个全桥模块中。保证仿真结果的准确性。
进一步的，所述理想开关的跳闸指令发出时间等于原时序时间加上对应机械开关拉弧的时间。
根据机械开关的特点调整控制时序，进一步增加了仿真准确性。
本发明的一种直流断路器仿真装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存有用于实现如上述任一项方法的指令。
附图说明
图1是现有技术中级联全桥式直流断路器结构示意图；
图2是现有技术级联全桥式直流断路器中的全桥子模块SM的电路原理图；
图3是本发明实施例1的直流断路器简化模型结构示意图；
图4是本发明直流断路器简化模型实时仿真结构示意图；
图5是本发明实施例2的直流断路器简化模型结构示意图；
图6是图4仿真模型正负极短路故障时直流断路器简化模型的动作波形；
附图中：①、主支路；②、转移支路；③、放电支路；1、机械开关；2、避雷器；3、理想开关；4、IGBT桥臂；5、电容；6、放电电阻；4’、二极管桥臂；5’、二极管全桥模块的电容；6’、二极管全桥模块的放电电阻；7、平波电抗器；8、直流电源；9、接地点；10、负载；11、正负极断路故障。
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。
方法实施例1
高压直流断路器为混合式直流断路器，包括机械开关及IGBT等电子元件。如图1所示，高压直流断路器包括三条支路：主支路①、转移支路②、放电支路③。主支路①由机械开关1串联少量全桥子模块SM组成；转移支路②由大量全桥子模块SM串联而成；放电支路③由避雷器2组成。全桥子模块电路原理如图2所示，其中包括IGBT桥臂4、电容5、放电电阻6。
本发明公开了一种应用于实时仿真的高压直流断路器简化建模方法及相应装置模型，通过优化级联全桥型直流断路器中的主支路两条支路①及转移支路②，从而达到简化建模目的。如图3所示，方案包括采用一个理想开关3代替主支路①上的机械开关1以及串联的全桥子模块SM；采用一个不含IGBT的全桥模块SM’代替转移支路上多个串联的全桥子模块SM。采用此种高压直流断路器仿真模型有效的降低了实时仿真的计算量，在离线仿真时同样可以加快仿真速度。
本发明的一种应用于实时仿真的高压直流断路器简化建模方法具体包括以下步骤：
1)去掉高压直流断路器主支路①的所有全桥子模块SM。
2)由于主支路①的机械开关需要电流过零点才能拉开，所以采用仿真模型中的理想开关3代替机械开关1，主支路①上仅由理想开关3构成。或者作为其他实施例，为了提高一定程度的仿真准确度，主支路①还可以由一个理想开关串联一个小电阻构成，小电阻阻值等于原主支路①上少量全桥子模块SM中所有放电电阻6串联值之和。
3)转移支路由于有大量全桥子模块SM串联，严重影响仿真速度，所以只保留一个全桥子模块SM。
4)将转移支路上剩余的一个全桥子模块SM简化为二极管全桥模块SM’，具体包括去掉转移支路保留的全桥子模块SM桥臂上的所有IGBT，每个桥臂上只保留一个二极管，保证对并联电容5的双向充电。简化后的高压直流断路器模型如图3所示，包括理想开关3、避雷器2及二极管全桥模块SM’，二极管全桥模块SM’包括二极管桥臂4’、二极管全桥模块的电容5’和二极管全桥模块的放电电阻6’。二极管全桥模块的电容5’的电容值等于原转移支路上所述全桥子模块SM中所有电容5的串联值；二极管全桥模块的放电电阻6’的阻值等于原转移支路上所述全桥子模块SM中所有放电电阻6的串联值。
5)将原转移之路上多个全桥子模块SM串联后的电路阻抗参数全部等效到简化后的一个二极管全桥模块SM’中。具体可以为，二极管全桥模块SM’中二极管的导通电阻相当于全桥子模块SM中对应二极管的导通电阻×N，N为原转移支路中全桥子模块SM的数量。
6)另外，为了提高仿真准确性，简化后的直流断路器模型需要微调其控制器时序以匹配正常直流断路器的断开以及重合闸时序。
高压直流断路器的机械开关在接收到跳开命令后，由于拉弧的原因，机械开关需要一小段时间后才能彻底断开，因此，仿真控制器断开时序的调整需要在原时序基础上加上拉弧的时间，再发出跳闸指令。
高压直流断路器在合闸时，需要首先闭合转移支路，合闸延时后，再闭合机械开关。但实际上，闭合转移支路后，整个断路器已经对外表现为导通，因此，本发明的高压断路器仿真模型在仿真中不需考虑合闸延时，直接闭合理想开关。
如图4所示，将简化的高压直流断路器仿真模型设置到一个简单的直流电源带纯电阻负载的电路中，其中包括直流电源8、平波电抗器7、接地点9和纯电阻负载10。其中直流电源8电压500kV，平波电抗器7为200mH，纯电阻负载10为5000Ω。在系统稳定运行后，在电阻负载两侧触发正负极短路故障11。
触发故障后，记录下流过本发明的直流断路器仿真模型主支路的电流和其两端电压值，如图6所示，故障后，流过直流断路器仿真模型主支路的电流骤升，当故障0.02s后，控制系统检测到故障，按时序延时向理想开关发送跳开指令，直流断路器接到跳开命令，故障电流由主支路转移到转移支路，直流断路器两端的电压急剧上升，当达到避雷器动作点后，避雷器动作，故障电流得到了抑制。直流断路器仿真模型简化前后的外特性基本一致，满足实时仿真需求。
方法实施例2
如果确定直流电流只会通过一个方向流通，也可以如图5所示，在实施例1将转移支路上剩余的一个全桥子模块SM简化为二极管全桥模块SM’后，再根据电流流向删掉二极管全桥模块SM’的一对对角桥臂上的两个二极管，使对应桥臂保持断路，以进一步减少模型计算量。除了二极管全桥模块外，其他内容与实施例1相同，本实施例不再赘述。
装置实施例
为实现利用上述介绍的高压直流断路器简化仿真模型进行仿真，现相应提供一种高压直流断路器简化仿真模型的仿真装置，该装置包括处理器和存储器以及相应的输入输出端口，存储器中储存有指令，以在处理器执行存储器中的指令时，实现上述方法实施例的功能。对方法介绍已经足够清楚，对装置不再赘述。

Claims (10)

1.一种直流断路器仿真方法，其特征在于，用一个二极管全桥模块模拟转移支路的所有全桥子模块；所述二极管全桥模块的四个桥臂均由一个二极管构成，其上下桥臂并联有等效电容和等效放电电阻。
2.根据权利要求1所述的直流断路器仿真方法，其特征在于，采用一个理想开关模拟主支路。
3.根据权利要求1或2所述的直流断路器仿真方法，其特征在于，所述等效电容等于所有全桥子模块电容的串联值；所述等效放电电阻等于所有全桥子模块放电电阻的串联值。
4.根据权利要求3所述的直流断路器仿真方法，其特征在于，所述二极管全桥模块中一个二极管导通电阻等于全桥子模块中一个二极管导通电阻乘以全桥子模块数量。
5.根据权利要求4所述的直流断路器仿真方法，其特征在于，所述理想开关的跳闸指令发出时间等于原时序时间加上对应机械开关拉弧的时间。
6.一种直流断路器仿真方法，其特征在于，用一个二极管全桥模块模拟转移支路的所有全桥子模块；所述二极管全桥模块的一对对角桥臂均由一个二极管构成、另一对对角桥臂断路，其上下桥臂并联有等效电容和等效放电电阻。
7.根据权利要求6所述的直流断路器仿真方法，其特征在于，采用一个理想开关模拟主支路。
8.根据权利要求6或7所述的直流断路器仿真方法，其特征在于，所述二极管全桥模块中的电容值等于所述全桥子模块电容的串联值；所述二极管全桥模块中的放电电阻阻值等于所述全桥子模块放电电阻的串联值；所述二极管全桥模块中一个二极管导通电阻等于全桥子模块中一个二极管导通电阻乘以全桥子模块数量。
9.根据权利要求8所述的直流断路器仿真方法，其特征在于，所述理想开关的跳闸指令发出时间等于原时序时间加上对应机械开关拉弧的时间。
10.一种直流断路器仿真装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存有用于实现如权利要求1-9任一项方法的指令。
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