直流输电装置仿真系统的制作方法

1.本技术涉及高压直流输电和柔性直流输电技术领域，具体而言，涉及一种直流输电装置仿真系统。


背景技术：

2.随着高压直流输电系统和柔性直流输电系统的广泛应用，为了更好的运维直流输电系统，需要通过仿真系统进行培训和研究。
3.传统直流输电仿真系统分为两种：基于电力系统仿真软件的计算机仿真系统和基于实际物理装置的硬件在环仿真系统。
4.在基于电力系统仿真软件的计算机仿真系统中，控制保护系统和一次电路都在仿真软件中模拟，不具有实时性。
5.在基于实际物理装置的硬件在环仿真系统中，仿真系统由控制保护装置和仿真器组成，其中每个直流极都配置控制保护装置，仿真器只用于模拟两个极的一次电路，可进行实时仿真。
6.由于直流输电系统的两个直流极具有对称性特点，在硬件在环仿真系统中，如果每个直流极分别配置控制保护装置，虽然可更精确仿真直流输电系统，但系统成本较高。
7.在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

8.本技术提出一种直流输电装置仿真系统，所述直流输电装置至少包括两个直流极，所述直流输电装置仿真系统包括：
9.控制保护装置，用于控制和保护所述两个直流极的一直流极；
10.仿真器，包括一次电路仿真单元和控制保护系统仿真单元：
11.所述一次电路仿真单元仿真所述直流输电装置的一次电路；
12.所述控制保护系统仿真单元仿真所述两个直流极的另一直流极的控制保护系统；
13.接口装置，用于所述控制保护装置和所述控制保护系统仿真单元之间交互极间通讯数据。
14.根据一些实施例，所述直流输电装置包括：
15.基于电网换相换流器的高压直流输电装置；或
16.基于电压源换流器的柔性直流输电装置；或
17.基于电网换相换流器和电压源换流器的混合直流输电装置；
18.所述高压直流输电装置、所述柔性直流输电装置或所述混合直流输电装置至少包括一个整流器和一个逆变器。
19.根据一些实施例，还包括：
20.功率模块特性模拟装置，用于模拟电网换相换流器或电压源换流器中功率模块的
工作特性。
21.根据一些实施例，还包括：
22.运行人员操作系统，用于运行人员操作所述直流输电装置仿真系统起极、停极、操作开关或刀闸、升降功率、和/或保护定值整定。
23.根据一些实施例，所述控制保护装置包括极控制装置或/和换流器控制装置、极保护装置或/和换流器保护装置。
24.根据一些实施例，所述仿真器用于建立被控对象的物理或数学建模，模拟被控对象的稳态、暂态和动态过程，包括rtds、rtlab、labview rt、dspace、labcar、adpss、和/或hypersim。
25.根据一些实施例，所述一次电路仿真单元包括交流系统、换流器、开关/刀闸、直流线路和接地极线路；
26.所述控制保护系统仿真单元包括极控制系统或/和换流器控制系统、极保护系统或/和换流器保护系统。
27.根据一些实施例，所述两个直流极的一次电路具有对称性。
28.根据一些实施例，所述一直流极和所述另一直流极分别包括阀组/换流器、换流变压器、直流极中性母线开关、直流滤波器、平波电抗器、直流滤波器隔离刀闸、极母线隔离刀闸和金属回线隔离刀闸。
29.根据一些实施例，所述控制保护装置采集或接收所述一次电路仿真单元的模拟量信号和开关/刀闸位置信号，发送控制信号到所述一次电路仿真单元以控制所述一直流极。
30.根据一些实施例，所述控制保护系统仿真单元采集所述一次电路仿真单元的模拟量信号和开关/刀闸位置信号，输出控制信号到所述一次电路仿真单元，控制所述另一直流极。
31.根据一些实施例，所述一直流极和所述另一直流极运行在双极功率控制模式；
32.若所述一直流极闭锁，所述控制保护系统仿真单元通过所述接口装置接收所述控制保护装置的极闭锁信号，提升所述另一直流极功率；
33.若所述另一直流极闭锁，所述控制保护装置通过所述接口装置接收所述控制保护系统仿真单元的极闭锁信号，提升所述一直流极功率。
34.本技术实施例提供的技术方案，通过只在一直流极配置控制保护装置，另一直流极的控制保护系统在仿真器进行模拟，可以在保证仿真精确度的同时，减少系统成本。
35.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本技术。
附图说明
36.通过参照附图详细描述其示例实施例，本技术的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，而不是对本技术的限制。
37.图1a示出一示例性实施例的电网换相换流器结构示意图；
38.图1b示出一示例性实施例的电压源换流器结构示意图；
39.图2示出一示例性实施例的采用图1a电网换相换流器的高压直流输电结构示意图；
40.图3示出一示例性实施例的一种直流输电装置仿真系统示意图。
具体实施方式
41.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本技术将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
42.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
43.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
44.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
45.本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本技术所必须的，因此不能用于限制本技术的保护范围。
46.直流输电系统传统的基于实际物理装置的硬件在环仿真系统需要在每个直流极配置控制保护装置，占用较大空间并且成本较高。由于直流输电系统双极具有对称性，只在一个直流极配置控制保护装置另一直流极通过仿真器来模拟就能基本满足仿真精度要求。
47.为此，本技术提出一种直流输电装置仿真系统，在一直流极配置控制保护装置，另一极控制保护系统通过仿真器来模拟，并且通过接口装置交换极间信息，来实现直流输电装置的双极仿真。
48.本技术实施例的直流输电包括基于电网换相换流器的高压直流输电、基于电压源换流器的柔性直流输电、基于电网换相换流器和电压源换流器的混合直流输电中的至少一种。
49.下面结合附图对本技术的实施例进行详细描述。
50.图1a示出一示例性实施例的电网换相换流器结构示意图。
51.如图1a所示，电网换相换流器采用十二脉动桥式电路，包括十二个桥臂1，每个桥臂1包括串联的晶闸管。x1和x2分别表示电网换相换流器直流侧的阴极端和阳极端。
52.图1b示出一示例性实施例的电压源换流器结构示意图。
53.如图1b所示，电压源换流器采用模块化多电平换流器，包括六个桥臂，每个桥臂包括n个子模块2和一个电抗器3串联。子模块2为半桥结构或全桥结构。半桥结构的子模块包括两个igbt器件4和一个电容5。全桥结构的子模块包括四个igbt器件6和一个电容7。x3和
x4分别表示电压源换流器直流侧的正端和负端。
54.图2示出一示例性实施例的采用图1a电网换相换流器的高压直流输电结构示意图。
55.如图2所示，直流输电装置为高压直流输电装置。高压直流输电装置主回路包括整流站100、逆变站200、第一直流线路150、第二直流线路160、整流站接地极线路114、整流站接地极115和逆变站接地极线路214、逆变站接地极215。
56.根据示例实施例，整流站100包括第一直流极110、第二直流极120、第一交流滤波器组118、第一交流系统140及换流变压器进线开关131和133、金属回线转换开关113、大地回线转换开关190、双极中性区隔离刀闸174、175、184和185。
57.根据示例实施例，第一直流极110包括第一阀组/换流器111、第一换流变压器116、第一直流极中性母线开关119、第一直流滤波器93、第一平波电抗器91、第一直流滤波器隔离刀闸171、第一极母线隔离刀闸172和第一金属回线隔离刀闸173。
58.根据示例实施例，第一阀组/换流器111为电网换相换流器。电网换相换流器包括但不限于六脉动桥式电路、十二脉动桥式电路的至少一种。脉动桥式电路包括但不限于不可关断的半控型功率半导体器件，一般为晶闸管器件。
59.根据示例实施例，第二直流极120包括第二阀组/换流器121、第二换流变压器126、第二直流极中性母线开关129、第二直流滤波器94、第二平波电抗器92、第二直流滤波器隔离刀闸181、第二极母线隔离刀闸182和第二金属回线隔离刀闸183。
60.根据示例实施例，第二阀组/换流器121为电网换相换流器。
61.根据示例实施例，逆变站200包括第三直流极210、第四直流极220、第二交流滤波器组218、第二交流系统240及换流变压器进线开关231和233、接地极线路隔离刀闸213、金属回线隔离刀闸290、双极中性区隔离刀闸274、275、284和285。
62.根据示例实施例，第三直流极210包括第三阀组/换流器211、第三换流变压器216、第三直流极中性母线开关219、第三直流滤波器97、第三平波电抗器95、第三直流滤波器隔离刀闸271、第三极母线隔离刀闸272和第三金属回线隔离刀闸273。
63.根据示例实施例，第三阀组/换流器211为电网换相换流器。
64.根据示例实施例，第四直流极220包括第四阀组/换流器221、第四换流变压器226、第四直流极中性母线开关229、第四直流滤波器98、第四平波电抗器96、第四直流滤波器隔离刀闸281、第四极母线隔离刀闸282和第四金属回线隔离刀闸283。
65.根据示例实施例，第四阀组/换流器221为电网换相换流器。
66.根据一些实施例，上述提到的各种开关，包括但不限于机械开关、刀闸、直流断路器的至少一种。
67.根据示例实施例，整流站100通过接地极线路114与接地极115连接。逆变站200通过接地极线路214与接地极215连接。功率正送时，整流站100的第一交流系统140通过其第一阀组/换流器111将交流电转化为直流电，通过直流线路150、160输送到逆变站200，逆变站200通过其第三换流器211将直流电转化为交流电送到逆变站200的第二交流系统240，从而实现直流功率正送。整流站的换流器一般运行在电流控制，逆变站的换流器一般运行在电压控制或最大触发角控制(amax)。
68.根据示例实施例，整流站100和逆变站200采集的模拟量信号为：换流器直流侧的
高压母线电流idh、低压母线电流idnc，极母线电流idl，极中性母线电流idne，直流滤波器首端电流izt1，接地极电流idel，极母线电压udl和极中性母线电压udn，以及第一交流系统140和第二交流系统240的交流母线电压uac(三相)、流入换流变压器的交流电流iac(三相)。
69.根据示例实施例，极i和极ii的一次电路(或主回路)具有对称性。第一直流极110和第二直流极120具有对称性，如第一直流极110包括第一阀组/换流器111、第一换流变压器116，第二直流极120包括第二阀组/换流器121、第二换流变压器126；第三直流极210和第四直流极220具有对称性，如第三直流极210包括第三阀组/换流器211、第三换流变压器216，第四直流极220包括第四阀组/换流器221、第四换流变压器226。因此，第一直流极110和第三直流极210的控制保护设备采用控制保护装置来实现，第二直流极120和第四直流极220的控制保护设备在仿真器中模拟。
70.根据示例实施例，第一直流极110和第三直流极210组成高压直流输电的极i，第二直流极120和第四直流极220组成高压直流输电的极ii。
71.图3示出一示例性实施例的一种直流输电装置仿真系统示意图。
72.如图3所示，直流输电装置仿真系统包括：控制保护装置8、仿真器9和接口装置10。
73.根据示例实施例，控制保护装置8，用于控制和保护两个直流极的一直流极，第一直流极110和第三直流极210组成一直流极，即极i，如图2所示。
74.根据示例实施例，仿真器9包括一次电路仿真单元11和控制保护系统仿真单元12。一次电路仿真单元11，用于仿真直流输电装置，包括整流站100、逆变站200、第一直流线路150、第二直流线路160、整流站接地极线路114、整流站接地极115和逆变站接地极线路214、逆变站接地极215、开关/刀闸，如图2所示。控制保护系统仿真单元12，用于控制和保护两个直流极的另一直流极，第二直流极120和第四直流极220组成另一直流极，即极i i，如图2所示。
75.根据示例实施例，接口装置10，用于控制保护装置8和仿真器9中控制保护系统仿真单元12交互极间通讯数据。
76.控制保护装置8接收仿真器9的一次电路仿真单元11的模拟量信号和开关/刀闸位置信号，发送控制信号到仿真器9，控制仿真器9的一次电路仿真单元11的一直流极的阀组/换流器、开关/刀闸。控制保护装置8通过接口装置10和仿真器9中控制保护系统仿真单元12交换极间通讯信号。控制保护系统仿真单元12采集仿真器9的一次电路仿真单元11的模拟量信号和开关/刀闸位置信号，输出控制信号到仿真器9，控制另一直流极的阀组/换流器、开关/刀闸。
77.以图2为例，控制保护装置8接收或采集仿真器9的一次电路仿真单元11的第一直流极110和第三直流极210的换流器直流侧的高压母线电流idh、低压母线电流idnc，极母线电流idl，极中性母线电流idne，直流滤波器首端电流izt1，接地极电流idel，极母线电压udl和极中性母线电压udn，以及第一交流系统140和第二交流系统240的交流母线电压uac(三相)、流入换流变压器的交流电流iac(三相)；控制保护装置8接收或采集仿真器9的一次电路仿真单元11的换流变压器进线开关131、231，第一直流滤波器隔离刀闸171，第一极母线隔离刀闸172，第一金属回线隔离刀闸173，双极中性区隔离刀闸174、175、274、275，第三直流滤波器隔离刀闸271、第三极母线隔离刀闸272，第三金属回线隔离刀闸273，金属回线
转换开关113、第一直流极中性母线开关119、第三直流极中性母线开关219的位置信号。当启动第一直流极110和第三直流极210时，控制保护装置8发送信号，合上换流变压器进线开关131、231，第一直流滤波器隔离刀闸171，第一极母线隔离刀闸172，双极中性区隔离刀闸174、175、274、275，第三直流滤波器隔离刀闸271、第三极母线隔离刀闸272，换流变压器进线开关131，金属回线转换开关113、第一直流极中性母线开关119、第三直流极中性母线开关219；分开第一金属回线隔离刀闸173、第二金属回线隔离刀闸183、第三金属回线隔离刀闸273、第四金属回线隔离刀闸283，大地回线转换开关190。当准备就绪后，控制保护装置8发送脉冲信号到第一阀组/换流器111、第三阀组/换流器211，第一直流极110和第三直流极210解锁并传输功率。
78.同样地，控制保护系统仿真单元12采集仿真器9的一次电路仿真单元11的第二直流极120和第四直流极220的换流器直流侧的高压母线电流idh、低压母线电流idnc，极母线电流idl，极中性母线电流idne，直流滤波器首端电流izt1，接地极电流idel，极母线电压udl和极中性母线电压udn，以及第一交流系统140和第二交流系统240的交流母线电压uac(三相)、流入换流变压器的交流电流iac(三相)；控制保护系统仿真单元12采集仿真器9的一次电路仿真单元11的换流变压器进线开关133、233，第二直流滤波器隔离刀闸181，第二极母线隔离刀闸182，第二金属回线隔离刀闸183，双极中性区隔离刀闸184、185，第四直流滤波器隔离刀闸281，第四极母线隔离刀闸282，第四金属回线隔离刀闸283，双极中性区隔离刀闸284、285，金属回线转换开关113，第二直流极中性母线开关129，大地回线转换开关190，第四直流极中性母线开关229的位置信号。当启动第二直流极120和第四直流极220时，控制保护装置8发送信号，合上换流变压器进线开关133、233，第二直流滤波器隔离刀闸181，第二极母线隔离刀闸182，双极中性区隔离刀闸184、185，第四直流滤波器隔离刀闸281，第四极母线隔离刀闸282，双极中性区隔离刀闸284、285，金属回线转换开关113，第二直流极中性母线开关129，第四直流极中性母线开关229；分开第一金属回线隔离刀闸173、第二金属回线隔离刀闸183、第三金属回线隔离刀闸273、第四金属回线隔离刀闸283，大地回线转换开关190。当准备就绪后，控制保护系统仿真单元12发送脉冲信号到第二阀组/换流器121、第四阀组/换流器221，第二直流极120和第四直流极220解锁并传输功率。
79.控制保护装置8和控制保护系统仿真单元12通过接口装置10交互极间通讯信号，如第一直流极110和第二直流极120交互功率信息，第三直流极210和第四直流极220交互功率信息。当极i和极ii运行在双极功率控制模式时，极i闭锁，控制保护系统仿真单元12通过接口装置10收到控制保护装置8发出的极i闭锁信号，提升极ii的功率，以补偿极i闭锁造成的功率损失；当极i和极ii运行在双极功率控制模式时，极ii闭锁，控制保护装置8通过接口装置10收到控制保护系统仿真单元12发出的极ii闭锁信号，提升极i的功率，以补偿极ii闭锁造成的功率损失。
80.直流输电装置包括基于电网换相换流器的高压直流输电装置、基于电压源换流器的柔性直流输电装置、或基于电网换相换流器和电压源换流器的混合直流输电装置；高压直流输电装置、柔性直流输电装置或混合直流输电装置至少包括一个整流器和一个逆变器。
81.直流输电装置仿真系统还包括：功率模块特性模拟装置，用于模拟电网换相换流器或电压源换流器中功率模块的工作特性。
82.直流输电装置仿真系统还包括：运行人员操作系统，用于运行人员操作所述直流输电装置仿真系统起极，停极，操作开关或刀闸，升降功率，保护定值整定。运行人员操作系统可与控制保护装置8或/和控制保护系统仿真单元12进行通讯，实现上述操作。
83.控制保护装置8为实际物理系统，包括极控制装置或/和换流器控制装置、极保护装置或/和换流器保护装置。极控制装置用于控制极区的开关/刀闸、直流滤波器或换流器；换流器控制装置用于控制阀区的开关/刀闸和换流器；极保护装置用于保护极区的开关/刀闸、直流滤波器或换流器；换流器保护装置用于保护阀区的开关/刀闸和换流器。
84.根据示例实施例，开关/刀闸包括开关(断路器)和隔离刀闸。
85.仿真器9用于建立被控对象的物理或数学建模，来模拟被控对象的稳态、暂态和动态过程，电力系统常用的仿真器包括rtds、rtlab、labview rt、dspace、labcar、adpss、hypersim。
86.一次电路仿真单元11包括交流系统、换流器、开关或刀闸、直流线路和接地极线路；控制保护系统仿真单元12包括极控制系统或/和换流器控制系统、极保护系统或/和换流器保护系统。极控制系统用于控制极区的开关/刀闸、直流滤波器或换流器；换流器控制系统用于控制阀区的开关/刀闸和换流器；极保护系统用于保护极区的开关/刀闸、直流滤波器或换流器；换流器保护系统用于保护阀区的开关/刀闸和换流器。
87.应清楚地理解，本技术描述了如何形成和使用特定示例，但本技术不限于这些示例的任何细节。相反，基于本技术公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。
88.此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本技术示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
89.以上具体地示出和描述了本技术的示例性实施例。应可理解的是，本技术不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本技术意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。