CN111539170B - 一种statcom冗余子模块开关暂态建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法。采用开关暂态建模方法，以降低仿真误差，提高设计精度。本发明建模方法的核心是考虑了励磁回路、电弧放电等影响，从而使高压链式STATCOM冗余子模块旁路、重新投入的暂态变化更接近于物理过程，达到为大功率电力电子设备的设计、运行提供理论和数值依据的目的。该建模方法包括两部分等效模型，分别为旁路接触器励磁回路等效模型和旁路接触器电弧等效模型。通过构建旁路H桥子模块的实验系统验证所提数学模型，并利用链式STATCOM整体仿真、实验等手段对比分析了链式STATCOM在发生单个子模块故障旁路、故障恢复的暂态过程，说明所提的数学模型更适用于链式STATCOM的工程设计中。

Description

一种STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体是一种STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法。

背景技术

高压链式静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)是新能源发电、特高压直流输电系统等工业领域的重要电能质量调节设备，具有响应速度快、控制性能好等优点。

链式STATCOM是采用级联多电平结构的大功率电力电子变换器，它将H桥子模块首尾相连构成换流链，来耐受更高的电压并获得更大的容量。

制约链式STATCOM发展的主要因素是可靠性，其容易在子模块故障时跳闸。提高可靠性的关键是保证子模块故障过程和检修维护过程不停电。

目前尚没有专利或论文详细描述STATCOM子模块基于交流接触器的冗余暂态建模方法。现有研究针对的旁路开关是电子式开关，一般都将其视为理想开关，忽略了它的暂态过程，认为开通和关断过程是瞬时完成的。然而，交流接触器的闭合和关断过程一般都持续几个毫秒，存在一个暂态过程。

因此，本发明提出了一种更接近实际物理模型的高压链式STATCOM冗余容错过程的开关暂态建模方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法，包含以下步骤：

A、交流接触器励磁回路的等效建模；

B、交流接触器的电弧等效建模。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤A具体是：交流接触器的励磁回路用于产生磁场吸引动铁芯运动，从而控制合分闸，在触动过程和运动过程中，磁场的电压平衡，同时运动过程励磁回路也会随之变化，并考虑在触动阶段，动铁芯静止，上述交流接触器励磁回路的等效数学模型为

其中，令K₁＝NL_f，N为励磁匝数，L_f为励磁回路电感，u_f是励磁回路电压。

作为本发明的进一步技术方案：所述步骤B具体是：交流接触器不是在过零点分闸，则在接触器分闸的过程中可能会出现电弧，上述交流接触器的电弧等效数学模型为

其中，令ln(G)＝x，G是电弧电导，其为变量，τ为电弧时间常数，u_arc为电弧电压，P₀为电弧消耗的功率，可认为是常数。

作为本发明的进一步技术方案：所述交流接触器接触器的励磁回路用于产生磁场吸引动铁芯运动，从而控制合分闸。在触动过程和运动过程中，磁场的电压平衡方程可以写成如下形式：

其中，N为励磁匝数，u_f是励磁回路电压，运动过程励磁回路也会随之变化，根据速度v和位移x的公式：

将(2)代入(1)，可得

在运动过程中，动铁芯速度v用平均值进行近似，为了化简方程，认为dL_f/dx、v是常数，并令K₁＝NL_f，K₂＝NC₁C₂＝NvdL_f/d_x，则公式(3)等效为

考虑在触动阶段，动铁芯静止，速度v＝0，故式4等效为

作为本发明的进一步技术方案：如果接触器不是在过零点分闸，则在接触器分闸的过程中可能会出现电弧，Mayr方程的电弧电阻表达式为

式中，G是电弧电导，其为变量，τ为电弧时间常数，u_arc为电弧电压，P₀为电弧消耗的功率，认为是常数，令ln(G)＝x，u_arcG＝i_arc，则公式(6)可转变为

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法与理想模型相比，更接近实际物理模型，对于主电路电气参数设计、控制器优化设计等具有重要的参考意义。

附图说明

图1为链式STATCOM旁路H桥电路等效模型图。。

图2为本发明模型验证的实验电路原理图。

图3为励磁回路电流的对比结果图，

图4为接触器断开电弧电流的对比结果图，

图5为接触器闭合时电压的对比结果图。

图6为链式STATCOM三相独立控制的框图，

图7为该控制下旁路过程控制图，

图8为该控制下子模块修复后重新投入的控制图。

图9为接触器旁路实测电压和电流波形图，

图10为理想模型旁路仿真电压和电流波形图，

图11为所提模型旁路仿真电压和电流波形图，

图12为换流链交流电压u_cba实测波形图，

图13为理想模型换流链交流电压u_cba仿真波形图，

图14为所提模型换流链交流电压u_cba仿真波形图，

图15为三相交流电流实测波形图，

图16为理想模型三相交流电流仿真波形图，

图17为所提模型三相交流电流仿真波形图，

图18为A1模块直流电压实测波形图，

图19为理想模型所有模块直流电压仿真波形图，

图20为所提模型所有模块直流电压仿真波形图。

图21为接触器断开实测电压和电流波形图，

图22为理想模型接触器断开仿真电压和电流波形图，

图23为所提模型接触器断开仿真电压和电流波形图，

图24为换流链交流电压u_cba实测波形图，

图25为理想模型换流链交流电压u_cba仿真波形图，

图26为所提模型换流链交流电压u_cba仿真波形图，

图27为三相交流电流实测波形图，

图28为理想模型三相交流电流仿真波形图，

图29为所提模型三相交流电流仿真波形图，

图30为A1模块直流电压实测波形图，

图31为理想模型所有模块直流电压仿真波形图，

图32为所提模型所有模块直流电压仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-32，一种STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法，

首先建立适用于H桥旁路开关的交流接触器的数学模型，考虑了励磁回路、电弧放电等影响。再通过构建旁路H桥子模块的实验系统验证所提数学模型。最后，利用链式STATCOM整体仿真、实验等手段对比分析了链式STATCOM在发生单个子模块故障旁路、故障恢复的暂态过程，说明所提的数学模型更适用于链式STATCOM的工程设计中。

下面介绍交流接触器的励磁回路的等效数学建模，该模型如图1所示，包括以下步骤：

接触器的励磁回路用于产生磁场吸引动铁芯运动，从而控制合分闸。在触动过程和运动过程中，磁场的电压平衡方程可以写成如下形式：

其中，N为励磁匝数，u_f是励磁回路电压。

运动过程励磁回路也会随之变化，根据速度v和位移x的公式：

将(2)代入(1)，可得

在运动过程中，动铁芯速度v用平均值进行近似。为了化简方程，认为dL_f/dx、v是常数，并令K₁＝NL_f，K₂＝NC₁C₂＝NvdL_f/dx，则公式3等效为：

考虑在触动阶段(持续时间小于1ms)，动铁芯静止，速度v＝0，故式4等效为

下面介绍交流接触器的电弧等效数学建模，该模型如图1所示，包括以下步骤：

如果接触器不是在过零点分闸，则在接触器分闸的过程中可能会出现电弧。Mayr方程的电弧电阻表达式为

式中，G是电弧电导，其为变量。τ为电弧时间常数，u_arc为电弧电压，P₀为电弧消耗的功率，认为是常数。令ln(G)＝x，u_arcG＝i_arc，则公式(6)可转变为

如图2所示，电阻R_L用于限流，电源采用继电保护测试仪，可以输出交直流，并包含过流过压保护等功能。电桥是用于准确测试杂散参数。电流桥用于测试接触器的励磁电流和电弧电流等，电压钳用于测试接触器两端的电压u_j。从响应时间、峰值、稳态值等角度分析仿真模型与实测波形的一致性。

励磁回路电流的对比结果如图3所示。理想模型仅能反映出从充电到饱和这一过程，无法反映出运动反向电动势带来的影响。所提仿真模型既可以反映出从线圈上电到动触头运动这段触动过程，电流呈指数规律增长，也可以反映出铁心开始运动后，运动反电动势将进一步的限制电流的增长，直至铁心可靠闭合为止这一过程，无法反映出由于非线性所带来的波动。

接触器断开时电弧电流的对比结果如图4所示。理想模型没有电弧电流，所提仿真模型电弧与实验波形在幅值、持续时间等上较为一致，误差为1A以内，但是电弧过程存在一些差异。

接触器闭合时电压的对比结果如图5所示。理想模型的电压是瞬时完成的，所提模型由于充电过程存在暂态变化，并且与实验波形的趋势较为一致，大约都是经过0.005s到0.006s完成闭合过程。

链式STATCOM三相独立控制的框图如图6所示。换流链电流指令为

三条换流链直流电压指令为

每一个功率模块的直流电压依次为u_{dcab_i}、u_{dcbc_i}、u_{dcca_i}，三条换流链的平均直流电压为u_dcab、u_dcbc、u_dcca。

如图7，u_{dc_e}是功率模块直流额定电压，N_pm为故障前换流链的模块数。当子模块发生故障后，旁路开关闭合，完成后回路剩余的模块数为N_pm-1，由于子模块的电容电压不能瞬时突变，u_{dc_ab}曲减小为故障前的(N_pm-1)/N_pm倍，则在调整过程中，调制度K_pwm发生变化，这意味着旁路整个过程伴随着电磁暂态的剧烈变化。

如图8，是子模块修复后重新投入的过程。首先将旁路的功率模块单独充电到额定电压，然后断开接触器，等待控制系统调整，最终转为正常运行。这个过程是旁路控制的逆过程。

旁路过程的暂态分析如图9所示。A1模块发生故障，交流接触器闭合，比较闭合时刻前后过电压、波形畸变、变化趋势等物理量。

图9到图11为旁路过程中接触器的电压和电流波形。从图9可以看出，在实测结果中，接触器电压会出现短暂的过电压暂态过程，过压为18％；对比图10和图11，理想模型的过电压接近0，所提模型的过电压为14％。

图12到图14为旁路过程中换流链交流电压u_cab的波形。从图12可以看出，在实测结果中，u_cab会出现8％的过电压；对比图13和图14，理想模型过电压接近0，所提模型过电压为10％，更接近于物理过程。

图15到图17为旁路过程中三相交流电流的波形。从图15可以看出，在实测结果中，三相电流会出现波形畸变；对比图16和图17，理想模型没有畸变，所提模型能够体现这类畸变。

图18到图20为旁路过程中功率模块直流电压的波形，受限于实验条件，实验中仅观察了故障子模块A1的直流电压波形，仿真中给出了所有模块的直流电压波形。从图21可以看出，在实测结果中，旁路后故障子模块A1的直流电压抬升13V后下降；对比图19和图20，理想模型直流电压直接下降，所提模型抬升10V后下降，与实验波形趋势接近。

A1子模重新投入的暂态分析如图所示。

图21到图23为旁路过程中接触器的电压和电流波形。从图21可以看出，在实测结果中，接触器电流出现2倍的过流；对比图22和图23，理想模型无过流现象，所提模型出现了2.3倍的过流。实测波形无过压现象，理想模型和所提模型也同样没有过压现象。

图24到图26为模块修复后重新投入过程中换流链交流电压u_cab的波形。从图24可以看出，在实测结果中，u_cab会出现8％的过电压；对比图25和图26，理想模型没有过电压，所提模型也出现了10％的过电压。

图27到图29为模块修复后重新投入过程中三相交流电流的波形。从图27可以看出，在实测结果中，三相电流会出现暂态畸变；对比图28和图29，理想模型无法体现三相电流的畸变，所提模型能够体现这类畸变。

图30到图32为模块修复后重新投入过程中功率模块直流电压的波形，同样实验中仅观察了故障子模块A1的直流电压波形，仿真中给出了所有模块的直流电压波形。从图30可以看出，在实测结果中，旁路后故障子模块A1的直流电压出现了15V的过电压；对比图31和图32，理想模型直流电压下降了4V，所提模型也出现了12V的过电压，更接近重新投入的物理过程。。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法，其特征在于，包含以下步骤：

A、交流接触器励磁回路的等效建模，交流接触器的励磁回路用于产生磁场吸引动铁芯运动，从而控制合分闸，在触动过程和运动过程中，磁场的电压平衡，同时运动过程励磁回路也会随之变化，并考虑在触动阶段，动铁芯静止，上述交流接触器励磁回路的等效数学模型为

其中，令K₁＝NL_f，N为励磁匝数，L_f为励磁回路电感，u_f是励磁回路电压；

B、交流接触器的电弧等效建模，交流接触器不是在过零点分闸，则在接触器分闸的过程中可能会出现电弧，上述交流接触器的电弧等效数学模型为

其中，令ln(G)＝x，G是电弧电导，其为变量，τ为电弧时间常数，u_arc为电弧电压，P₀为电弧消耗的功率，可认为是常数。

2.根据权利要求1所述的一种STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法，其特征在于，所述交流接触器接触器的励磁回路用于产生磁场吸引动铁芯运动，从而控制合分闸，在触动过程和运动过程中，磁场的电压平衡方程可以写成如下形式：

其中，N为励磁匝数，u_f是励磁回路电压，运动过程励磁回路也会随之变化，根据速度v和位移x的公式：

将(2)代入(1)，可得

在运动过程中，动铁芯速度v用平均值进行近似，为了化简方程，认为dL_f/dx、v是常数，并令K₁＝NL_f，K₂＝NC₁C₂＝NvdL_f/dx，则公式(3)等效为

虑在触动阶段，动铁芯静止，速度v＝0，故式4等效为

3.根据权利要求1所述的一种STATCOM冗余子模块开关暂态建模方法，其特征在于，如果接触器不是在过零点分闸，则在接触器分闸的过程中可能会出现电弧，Mayr方程的电弧电阻表达式为

式中，G是电弧电导，其为变量，τ为电弧时间常数，u_arc为电弧电压，P₀为电弧消耗的功率，认为是常数，令ln(G)＝x，u_arcG＝i_arc，则公式(6)可转变为

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