CN113030716B - 一种用于混合式直流断流器的仿真试验系统和方法 - Google Patents

一种用于混合式直流断流器的仿真试验系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力系统仿真验证技术领域，一种用于混合式直流断流器的仿真实验系统和方法，包括：等效电路模块，用于对混合式直流断流器进行等效处理，生成混合式直流断流器的等效电路；RTDS模型模块，添加等效电路，根据等效电路生成直流断流器的仿真模型，将仿真模型通过断路器控制保护模块传输至站控保护模块；站控保护模块，根据混合式直流断流器的运行情况，结合仿真模型，生成动作指令；断路器控制保护模块接收动作指令，并根据动作指令控制等效电路中对应部件的开合，从而完成直流断流器的仿真实验。其能够有效解决柔直电网仿真系统节点资源有限的技术问题，能够真实反映直流断流器的运行特性，确保了仿真试验的有效性。

Description

一种用于混合式直流断流器的仿真试验系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于混合式直流断流器的仿真试验系统和方法，属于电力系统仿真验证技术领域。
背景技术
柔性直流输电是新一代直流输电技术，在新能源并网、孤岛送电、异步电网互联等领域具有广阔的应用前景。RTDS(实时数字仿真器)是专门用于电力系统电磁暂态仿真试验的装置，具有实时性好、精度高等优点，可以对大功率、高电压的电力电子器件进行精细化仿真。随着直流电网的复杂性增加及客户的要求增高，对直流控制保护系统的可靠性要求也越来越高，基于RTDS的仿真试验系统与直流控制保护装置的联合调试也越来越重要。
控制保护功能对柔性直流输电工程的安全可靠稳定运行有重要作用，而为了测试柔性直流输电控制保护功能，需要将控制保护装置与该柔性直流仿真模型连接构成实时闭环试验测试系统。而现有的控制保护装置如直流断流器其可调整的参数很多，而现有的柔直仿真模型节点有限，故现有的柔性仿真模型不能准确、有效的对直流断流器的工作状况进行模拟。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于混合式直流断流器的仿真试验系统和方法，其能够有效解决柔直电网仿真系统节点资源有限的技术问题，能够真实反映直流断流器的运行特性，确保了仿真试验的有效性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于混合式直流断流器的仿真实验系统，包括：混合式直流断流器，等效电路模块，RTDS模型模块、断路器控制保护模块和站控保护模块；等效电路模块，用于对混合式直流断流器进行等效处理，生成混合式直流断流器的等效电路；RTDS模型模块，添加等效电路，根据等效电路生成直流断流器的仿真模型，将仿真模型通过断路器控制保护模块传输至站控保护模块；站控保护模块，根据混合式直流断流器的运行情况，结合仿真模型，生成动作指令；断路器控制保护模块接收动作指令，并根据动作指令控制等效电路中对应部件的开合，从而完成直流断流器的仿真实验。
进一步，混合式直流断流器包括三个并联支路，其分别为：主支路、转移支路和耗能支路。
进一步，主支路包括若干串联的快速机械开关和电力电子开关，若干电力电子开关组成m行并联的电路，且每一行并联电路上串联n个电力电子开关，m和n均为大于等于1的正整数，且m和n不同时为1；转移支路包括若干串联的电力电子开关；耗能支路包括若干组串联的避雷器。
进一步，等效电路在主支路上将若干快速机械开关等效为一个快速机械开关；将若干电力电子开关等效为一个电力电子开关；在转移支路上将若干串联的电力电子开关等效为一个电力电子开关及与其串联的电阻；在耗能支路上将若干组串联的避雷器等效为一个避雷针。
本发明还公开了一种用于混合式直流断流器的仿真实验方法，采用上述任一种的用于混合式直流断流器的仿真实验系统，包括以下步骤：S1设定混合式直流断流器的电路结构；S2对电路结构进行等效处理，生成等效电路；S3根据等效电路生成直流断流器的仿真模型，并将直流断流器的仿真模型传输至站控保护模块；S4站控保护模块与直流断路器连接，并接受其各部件的运行状况，结合运行状况和仿真模型生成合闸、分闸、重合闸和保护动作的指令；S5断路器控制保护模块将合闸、分闸、重合闸和保护动作的指令转换成控制直流断流器的各部件开合的指令，并控制其开合，从而完成直流断流器的仿真实验。
进一步，站控保护模块生成合闸指令时，断路器控制保护模块接受合闸指令，并将合闸指令转换为主支路快速机械开关合闸指令，主支路电力电子开关导通指令和转移支路电力电子开关导通指令，RTDS模型模块在接收到主支路电力电子开关导通指令和转移支路电力电子开关导通指令时立即导通对应的电力电子开关，RTDS模型模块在接收到主支路快速机械开关合闸指令时，延时第一预设时间后控制快速机械开关合阀。
进一步，站控保护模块生成分闸指令时，断路器控制保护模块关断主支路电力电子开关，当电流完全转移至转移支路后，断路器控制保护模块生成快速机械开关分阀指令，RTDS模型模块接受到快速机械开关分阀指令，延时第二预设时间后控制快速机械开关分阀，断路器控制保护模块接收到快速机械开关分闸状态有效时，则生成转移支路电力电子开关关断指令，RTDS模型模块在接收到转移支路电子开关关断指令时，立即关断转移支路电力电子开关。
进一步，在转移支路电力电子开关关断后，产生的关断电压引起耗能支路上的避雷器动作，RTDS模型模块通过拟合曲线，模拟避雷器的动作过程，以保证混合式直流断路器分闸后的外特性与实际一致。
进一步，站控保护模块生成重合阀指令时，断路器控制保护模块先进行一次分闸操作，在第三预设时间内判断重合阀指令是否有效，若有效则断路器控制保护模块再进行一次合阀操作。
进一步，站控保护模块生成保护动作指令时，断路器控制保护模块在接收到直流断路器分闸状态一直无效时，则进行保护操作，将主支路电力电子开关导通，以验证在一次设备故障时直流断路器控制保护逻辑是否正确。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明能够有效解决柔直电网仿真系统节点资源有限的技术问题，能够真实反映直流断流器的运行特性，确保了仿真试验的有效性。
附图说明
图1是本发明一实施例中用于混合式直流断流器的仿真实验系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例中的混合式直流断路器的拓扑图；
图3是本发明一实施例中的混合式直流断路器的等效电路图；
图4是本发明一实施例中的混合式直流断路器的RTDS仿真模型图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明涉及一种用于混合式直流断流器的仿真实验系统，通过建立混合式直流断流器的等效电路，克服了柔直电网仿真系统节点资源有限的技术问题，通过与断路器控制保护模块和站控保护模块连接，能够真实的模拟直流断流器的运行特性。下面通过两个具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例一
本实施例公开了一种用于混合式直流断流器的仿真实验系统，如图1所示，包括：混合式直流断流器，等效电路模块，RTDS模型模块、断路器控制保护模块和站控保护模块。
等效电路模块，用于对混合式直流断流器进行等效处理，生成混合式直流断流器的等效电路；RTDS模型模块，添加等效电路，根据等效电路生成直流断流器的仿真模型，RTDS模型模块通过光纤连接联调接口柜，联调接口柜通过光纤连接断路器控制保护模块，断路器控制保护模块包括若干监视柜和控制柜，用于对直流断流器的运行状况进行监视、控制，断路器控制保护模块通过光纤连接站控保护模块。RTDS模型模块将仿真模型传输至站控保护模块。同一RTDS模型模块可以连接两个及两个以上的断路器控制保护模块和站控保护模块。站控保护模块，根据混合式直流断流器的运行情况，结合仿真模型，生成动作指令；断路器控制保护模块接收动作指令，并根据动作指令控制等效电路中对应部件的开合，从而完成直流断流器的仿真实验。本实施例中的光纤为可以双向传输信号或指令的光纤。
如图2所示，混合式直流断流器包括三个并联支路，其分别为：主支路、转移支路和耗能支路。主支路包括若干串联的快速机械开关和电力电子开关，若干电力电子开关组成m行并联的电路，且每一行并联电路上串联n个电力电子开关，m和n均为大于等于1的正整数，且m和n不同时为1；转移支路包括若干串联的电力电子开关；耗能支路包括若干组串联的避雷器。其中，电力电子开关由IGBT组成。
如图3所示，等效电路在主支路上将若干快速机械开关等效为一个快速机械开关；将若干电力电子开关等效为一个电力电子开关；在转移支路上将若干串联的电力电子开关等效为一个电力电子开关及与其串联的电阻Rx，此处串联的电阻是为了调节转移支路上的阻抗，使其与实际电路中的阻抗相等；在耗能支路上将若干组串联的避雷器等效为一个避雷针MOV，从而节约了RTDS仿真系统节点资源。CT0为输入总线，CT1为主支路，CT2为转移支路，CT3为耗能支路。
混合式直流断路器与断路器控制保护模块通过接口连接，断路器控制保护模块中的监视柜获得将快速机械开关的分，合及故障状态，主支路电力电子开关电压，开断状态，闭合状态上传至断路器控制保护模块。
如图4所示，为直流断路器的RTDS仿真模型，包含2个直流源DCSL1，DCSL2，通过调节直流源，来实现直流电压、直流电流的建立。两个直流源引出的总线上均串联若干个电阻R1、R2、R3和电感L1、L2来表征线路阻抗。主支路包含：一个的机械开关Brk1M和与其串联全桥子模块，全桥子模块包括四个IGBT，即IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4。其中IGBT1与IGBT2的公共端和IGBT3与IGBT4的公共端之间连接一机械开关Brk2M，用于等效全桥子模块的旁路开关；该全桥子模块并联一个避雷器ArrM1，用来吸收主支路电力电子开关分断电压。转移支路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂上串联三个二极管D02、D04和D06，其中二极管D02和D6方向相同，二极管D04与其方向相反；下桥臂上串联三个二极管D01、D03和D05，其中二极管D01和D5方向相同，二极管D03与其方向相反，二极管D01和二极管D02方向相反。D02与D04的公共端和D01与D03的公共端之间设有串联的二极管D07和电容C1，以及与二极管D07和电容C1并联的IGBT_Z1，D04与D06的公共端和D03与D05的公共端之间设有串联的二极管D08和电容C2，以及与二极管D08和电容C2并联的IGBT_Z2，IGBT_Z1与IGBT_Z2反并联。其中，二极管D07和电容C1分别与电阻R4、电阻R5并联，二极管D08和电容C2分别与电阻R6、电阻R7并联，耗能支路由一个等效的避雷器ArrM2构成。
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种用于混合式直流断流器的仿真实验方法，采用上述任一种的用于混合式直流断流器的仿真实验系统，包括以下步骤：
S1设定混合式直流断流器的电路结构；
S2对电路结构进行等效处理，生成等效电路；
S3根据等效电路生成直流断流器的仿真模型，并将直流断流器的仿真模型传输至站控保护模块；
S4站控保护模块与直流断路器连接，并接受其各部件的运行状况，结合运行状况和仿真模型生成合闸、分闸、重合闸和保护动作的指令；
S5断路器控制保护模块将合闸、分闸、重合闸和保护动作的指令转换成控制直流断流器的各部件开合的指令，并控制其开合，从而完成直流断流器的仿真实验。
站控保护模块生成合闸指令时，断路器控制保护模块接受合闸指令，并将合闸指令转换为主支路快速机械开关合闸指令，主支路电力电子开关导通指令和转移支路电力电子开关导通指令，RTDS模型模块在接收到主支路电力电子开关导通指令和转移支路电力电子开关导通指令时立即导通对应的电力电子开关，RTDS模型模块在接收到主支路快速机械开关合闸指令时，延时第一预设时间后控制快速机械开关合阀。
站控保护模块生成分闸指令时，断路器控制保护模块关断主支路电力电子开关，当电流完全转移至转移支路后，断路器控制保护模块生成快速机械开关分阀指令，RTDS模型模块接受到快速机械开关分阀指令，延时第二预设时间后控制快速机械开关分阀，断路器控制保护模块接收到快速机械开关分闸状态有效时，则生成转移支路电力电子开关关断指令，RTDS模型模块在接收到转移支路电子开关关断指令时，立即关断转移支路电力电子开关。
在转移支路电力电子开关关断后，产生的关断电压引起耗能支路上的避雷器动作，RTDS模型模块通过拟合曲线，模拟避雷器的动作过程，以保证混合式直流断路器分闸后的外特性与实际一致。
站控保护模块生成重合阀指令时，断路器控制保护模块先进行一次分闸操作，在第三预设时间内判断重合阀指令是否有效，若有效则断路器控制保护模块再进行一次合阀操作。
站控保护模块生成保护动作指令时，断路器控制保护模块在接收到直流断路器分闸状态一直无效时，则进行保护操作，将主支路电力电子开关导通，以验证在一次设备故障时直流断路器控制保护逻辑是否正确。
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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于混合式直流断流器的仿真实验系统，其特征在于，包括：混合式直流断流器，等效电路模块，RTDS模型模块、断路器控制保护模块和站控保护模块；
所述等效电路模块，用于对所述混合式直流断流器进行等效处理，生成混合式直流断流器的等效电路；
RTDS模型模块，用于添加所述等效电路，根据所述等效电路生成直流断流器的仿真模型，将所述仿真模型通过所述断路器控制保护模块传输至所述站控保护模块；
所述站控保护模块，用于根据混合式直流断流器的运行情况，结合所述仿真模型，生成动作指令；
所述断路器控制保护模块，用于接收所述动作指令，并根据所述动作指令控制所述等效电路中对应部件的开合，从而完成直流断流器的仿真实验；
所述混合式直流断流器包括三个并联支路，其分别为：主支路、转移支路和耗能支路；
所述等效电路在主支路上将若干快速机械开关等效为一个快速机械开关；将若干电力电子开关等效为一个电力电子开关；在所述转移支路上将若干串联的电力电子开关等效为一个电力电子开关及与其串联的电阻；在所述耗能支路上将若干组串联的避雷器等效为一个避雷针。
2.如权利要求1所述的用于混合式直流断流器的仿真实验系统，其特征在于，所述主支路包括若干串联的快速机械开关和电力电子开关，若干所述电力电子开关组成m行并联的电路，且每一行并联电路上串联n个所述电力电子开关，所述m和n均为大于等于1的正整数，且m和n不同时为1；所述转移支路包括若干串联的电力电子开关；所述耗能支路包括若干组串联的避雷器。
3.一种用于混合式直流断流器的仿真实验方法，采用如权利要求1-2任一项所述的用于混合式直流断流器的仿真实验系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1设定混合式直流断流器的电路结构；
S2对所述电路结构进行等效处理，生成等效电路；
S3根据所述等效电路生成直流断流器的仿真模型，并将所述直流断流器的仿真模型传输至所述站控保护模块；
S4所述站控保护模块与所述直流断流器连接，并接收其各部件的运行状况，结合所述运行状况和仿真模型生成合闸、分闸、重合闸和保护动作中至少一个指令；
S5断路器控制保护模块将合闸、分闸、重合闸和保护动作中至少一个指令转换成控制所述直流断流器的各部件开合的指令，并控制其开合，从而完成直流断流器的仿真实验。
4.如权利要求3所述的用于混合式直流断流器的仿真实验方法，其特征在于，所述站控保护模块生成合闸指令时，断路器控制保护模块接收所述合闸指令，并将所述合闸指令转换为主支路快速机械开关合闸指令，主支路电力电子开关导通指令和转移支路电力电子开关导通指令，所述RTDS模型模块在接收到主支路电力电子开关导通指令和转移支路电力电子开关导通指令时立即导通对应的电力电子开关，所述RTDS模型模块在接收到所述主支路快速机械开关合闸指令时，延时第一预设时间后控制所述快速机械开关合阀。
5.如权利要求4所述的用于混合式直流断流器的仿真实验方法，其特征在于，所述站控保护模块生成分闸指令时，断路器控制保护模块关断主支路电力电子开关，当电流完全转移至所述转移支路后，所述断路器控制保护模块生成快速机械开关分阀指令，所述RTDS模型模块接收到所述快速机械开关分阀指令，延时第二预设时间后控制所述快速机械开关分阀，所述断路器控制保护模块接收到快速机械开关分闸状态有效时，则生成转移支路电力电子开关关断指令，所述RTDS模型模块在接收到所述转移支路电子开关关断指令时，立即关断转移支路电力电子开关。
6.如权利要求5所述的用于混合式直流断流器的仿真实验方法，其特征在于，在所述转移支路电力电子开关关断后，产生的关断电压引起所述耗能支路上的所述避雷器动作，所述RTDS模型模块通过拟合曲线，模拟所述避雷器的动作过程，以保证混合式直流断路器分闸后的外特性与实际一致。
7.如权利要求4-6任一项所述的用于混合式直流断流器的仿真实验方法，其特征在于，所述站控保护模块生成重合阀指令时，断路器控制保护模块先进行一次分闸操作，在第三预设时间内判断所述重合阀指令是否有效，若有效则断路器控制保护模块再进行一次合阀操作。
8.如权利要求4-6任一项所述的用于混合式直流断流器的仿真实验方法，其特征在于，所述站控保护模块生成保护动作指令时，断路器控制保护模块在接收到直流断路器分闸状态一直无效时，则进行保护操作，将主支路电力电子开关导通，以验证在一次设备故障时直流断路器控制保护逻辑是否正确。
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