一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，所述阀模型包括阀模块、用于检测阀模块电流值和极性的电流传感器检测电路、用于检测阀模块电压值和极性的电压传感器检测电路和用于控制所述阀模块导通的触发控制电路。所述阀板上设有包括如上述的模拟可控硅阀的低压物理阀模型。本发明申请提出采用两只反向串联的大功率场效应三极管,对可控硅阀的工作特性进行模拟制作。本发明申请能够精确模拟电力电子设备快速响应特性的物理仿真模型，且其运行电压能够满足与大规模数字实时仿真电网连接进行联合实时仿真的要求。
【专利说明】一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种低压物理阀模型，更具体涉及一种模拟可控硅阀的低压物理阀模 型。
【背景技术】：
[0002] 随着电力电子技术的进步，高压直流输电系统（HVDC)以及动作快速、可频繁操作 的静止无功补偿器（SVC)、可控串补（TCSC)和可控并联电抗器（CSR)等含有阀电力电子 控制设备越来越多地投入使用，使得电网的控制调节更加灵活，同时也增加了电网的复杂 性。阀是电力电子可控设备的关键元件，其实施效果对其所在电网安全稳定运行影响更是 关键。电力电子可控设备如果不能正确动作，有可能增大电网故障的影响范围。因此，非常 有必要建立含有阀的电力电子设备接入大规模交直流混合电网的仿真模型，采用仿真的手 段对其动作效果对大电网的安全稳定性影响进行试验研究。
[0003] 电力系统仿真主要有数字仿真和物理仿真两种方法。数字仿真具有建模方便、仿 真规模大等优点，可以实现对大规模交直流混合输电网进行实时仿真。然而电力电子器件 的快速开关使得电力电子控制设备具有较强的非线性特性，仍然需要用电力电子设备的物 理仿真模型对其暂态过程中的快速瞬变现象进行精确仿真。因此，需要开发一种能够与大 规模数字实时仿真电网有效连接进行仿真的电力电子设备物理仿真模型。
【发明内容】
：
[0004] 本发明的目的是提供一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，该模型能够精确模拟 电力电子设备快速响应特性的物理仿真模型，且其运行电压能够满足与大规模数字实时仿 真电网连接进行联合实时仿真的要求。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种模拟可控硅阀的低压物理阀模 型，所述阀模型包括阀模块、用于检测阀模块电流值和极性的电流传感器检测电路、用于检 测阀模块电压值和极性的电压传感器检测电路和用于控制所述阀模块导通的触发控制电 路。
[0006] 本发明提供的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，所述阀模块和触发控制电路 均分别与所述电流传感器检测电路和电压传感器检测电路连接；所述阀模块和触发控制电 路连接。
[0007] 本发明提供的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，所述阀模块包括两个反向串 联的场效应管，两个所述场效应管的源极分别连接所述电流传感器检测电路；两个所述场 效应管的漏极分别连接所述电压传感器检测电路；两个所述场效应管的栅极分别连接所述 触发控制电路。
[0008] 本发明提供的另一优选的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，每个所述场效应 管反向并联稳压二极管；所述阀模块并联缓冲器。
[0009] 本发明提供的再一优选的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，所述缓冲器包括 串联的电阻和电容；所述缓冲器的两端分别与所述阀模块对应的两个漏极连接。
[0010] 本发明提供的又一优选的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，所述电流传感器 检测电路包括两个连接的比较器1 ;其中一个比较器1的正极输入端与另一个比较器1的 负极输入端连接；相互连接的正负极输入端与非线性放大器1的输出端连接；所述非线性 放大器1的输入端通过电阻相互连接且所述输入端分别与对应的两个所述场效应管连接； 所述其中一个比较器1的负极输入端和另一个比较器1的正极输入端分别通过电阻接地。 [0011] 本发明提供的又一优选的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，所述电压传感器 检测电路包括两个连接的比较器2 ;其中一个比较器2的正极输入端与另一个比较器2的 负极输入端连接；相互连接的正负极输入端与非线性放大器2的输出端连接；所述非线性 放大器2的输入端与所述阀模块连接；所述其中一个比较器2的负极输入端和另一个比较 器2的正极输入端分别通过电阻接地；每个所述比较器2的输出端分别与1个光耦合器1 连接。
[0012] 本发明提供的又一优选的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，所述触发控制电 路包括2组依次连接的与门、脉冲展宽电路和或门1 ;所述2组中的或门1通过或门2与缓 冲器连接；所述缓冲器的输出端与所述场效应管的栅极连接；每个所述与门的输入端分别 与一个所述光耦合器1和一个用于将外部触发信号转换的光耦合器2连接；每个所述或门 1分别与一个所述比较器1的输出端连接；所述或门2与每个所述比较器1的接地端连接； 每个所述光耦合器1均与外部控制所述阀模块导通信号转换的光耦合器3连接。
[0013] 本发明提供的又一优选的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，所述电压传感器 检测电路、电流传感器检测电路和触发控制电路通过电源电路提供电源。
[0014] 本发明提供的又一优选的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，当所述场效应三 极管两端电压高于设置值，且同时接收到触发脉冲电压高于设置值时，所述与门的两个输 入为高电平，其输出为高电平，则场效应管立即导通；当触发脉冲电压消失后，所述电流传 感器检测电路检测流过场效应管的电流，当电流不为零时，所述或门1的一个输入为高电 平，则输出为高电平，场效应管持续导通不被中断；当导通电流低于零时，场效应管将会被 中断；如果场效应三极管电流过零后，场效应三极管两端反向电压作用时间小于400 μ s， 由于脉冲展宽为400 μ s，则场效应三极管在正向电压作用下即使没有触发脉冲的情况下再 次导通。
[0015] 本发明提供的又一优选的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，所述低压物理阀 模型设置在低压物理阀板上。
[0016] 和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
[0017] 1、本发明的模型能够精确模拟电力电子设备快速响应特性的物理仿真模型，且其 运行电压能够满足与大规模数字实时仿真电网连接进行联合实时仿真的要求；
[0018] 2、本发明对大电网的安全稳定性影响进行试验研究奠定了基础；
[0019] 3、本发明的模型仿真精确性和可靠性高；
[0020] 4、本发明的模型适用范围广；
[0021] 5、本发明的模型建立了直流输电、静止无功补偿器（SVC)、可控串补（TCSC)和可 控并联电抗器（CSR)的低压物理模型。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明模型电路方框图；
[0023] 图2为本发明模型原理图；
[0024] 图3为本发明的换流母线交流电压、换流阀电压及阀触发脉冲波形图；
[0025] 图4为本发明的反向串联的场效应管图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
[0027] 实施例1 :
[0028] 如图1-4所示，本例的发明模拟可控硅阀的低压物理阀模型及其阀板，所述阀模 型包括用于模拟阀模型的阀模块、用于检测阀模块电流值和极性的电流传感器检测电路、 用于检测阀模块电压值和极性的电压传感器检测电路和用于控制所述阀模块导通的触发 控制电路。
[0029] 所述阀模块和触发控制电路均分别与所述电流传感器检测电路和电压传感器检 测电路连接；所述阀模块和触发控制电路连接。
[0030] 所述阀模块包括两个反向串联的场效应管，两个所述场效应管的源极分别连接所 述电流传感器检测电路；两个所述场效应管的漏极分别连接所述电压传感器检测电路；两 个所述场效应管的栅极分别连接所述触发控制电路。
[0031] 每个所述场效应管反向并联稳压二极管；所述阀模块并联缓冲器。
[0032] 所述缓冲器包括串联的电阻和电容；所述缓冲器的两端分别与所述阀模块对应的 两个漏极连接。
[0033] 所述电流传感器检测电路包括两个连接的比较器1 ;其中一个比较器1的正极输 入端与另一个比较器1的负极输入端连接；相互连接的正负极输入端与非线性放大器1的 输出端连接；所述非线性放大器1的输入端通过电阻相互连接且所述输入端分别与对应的 两个所述场效应管连接；所述其中一个比较器1的负极输入端和另一个比较器1的正极输 入端分别通过电阻接地。所述电流传感器检测电路，利用检测跨接在电流检测元件输入端 电阻两端的压降以检测流过场效应管的电流值和极性。
[0034] 所述电压传感器检测电路包括两个连接的比较器2 ;其中一个比较器2的正极输 入端与另一个比较器2的负极输入端连接；相互连接的正负极输入端与非线性放大器2的 输出端连接；所述非线性放大器2的输入端与所述阀模块连接；所述其中一个比较器2的 负极输入端和另一个比较器2的正极输入端分别通过电阻接地；每个所述比较器2的输出 端分别与1个光耦合器1连接。
[0035] 所述触发控制电路包括2组依次连接的与门、脉冲展宽电路和或门1 ;所述2组中 的或门1通过或门2与缓冲器连接；所述缓冲器的输出端与所述场效应管的栅极连接；每 个所述与门的输入端分别与一个所述光耦合器1和一个用于将外部触发信号转换的光耦 合器2连接；每个所述或门1分别与一个所述比较器1的输出端连接；所述或门2与每个所 述比较器1的接地端连接；每个所述光耦合器1均与外部控制所述阀模块导通信号转换的 光耦合器3连接。
[0036] 所述电压传感器检测电路、电流传感器检测电路和触发控制电路通过电源电路提 供电源。
[0037] 当所述场效应三极管两端电压高于设置值，且同时接收到触发脉冲电压高于设置 值时，所述与门的两个输入为高电平，其输出为高电平，则场效应管立即导通；当触发脉冲 电压消失后，所述电流传感器检测电路检测流过场效应管的电流，当电流不为零时，所述或 门1的一个输入为高电平，则输出为高电平，场效应管持续导通不被中断；当导通电流低于 零时，场效应管将会被中断。如果场效应三极管电流过零后，场效应三极管两端反向电压作 用时间较短（小于400 μ s)，由于脉冲展宽为400 μ s，则场效应三极管在正向电压作用下即 使没有触发脉冲的情况下再次导通。。
[0038] -种阀板，所述阀板上设有包括上述技术方案的所述的模拟可控硅阀的低压物理 阀模型。
[0039] 阀的物理特性：1)单向导电，只能在阳极对阴极为正电压时，才单方向导通，不可 能有反向电流。2)导通条件是同时具备阳极对阴极为正电压和控制极对阴极加能量足够的 正向触发脉冲两个条件。3)阀的控制极无关断能力，只有当流经阀的电流为零时才能关断， 否则一直处于导通状态。4)可控硅阀电流过零后，若阀上反向电压作用时间较短则不能充 分满足其恢复阻断能力的要求，在正向电压作用下即使没有触发脉冲可控硅阀亦将再次导 通。
[0040] 本发明提出采用两只反向串联的大功率场效应三极管，对可控硅阀的工作特性 进行模拟制作。低压物理阀模型方框图如图1所示，其中有五个主要电路方框。原理图如 图2所示。
[0041] 仿真装置的物理阀模型采用场效应管模拟，为正确反映实际可控硅阀的上述物理 特性，将阀电流过零脉冲接入阀的触发脉冲回路，在该脉冲持续期间，若阀上施加了正向电 压即会导通，这样就能正确模拟实际可控硅阀的物理特性。
[0042] 低压物理阀板
[0043] 根据上述原理制作了低压物理阀板该模块除去两个按钮以外还有另外的控制器 和指示器，并附设有两只绿色和两只红色的发光二极管（LEDs)。当外部有触发信号时两绿 色的发光二极管亮；红色的发光二极管用于显示阀的运行工况，当阀有电流通过时红灯亮， 阀断红灯灭。
[0044] 采用低压物理阀模型建立了直流输电、静止无功补偿器（SVC)、可控串补（TCSC) 和可控并联电抗器（CSR)的低压物理模型。对物理阀的特性参数进行了实测。根据测量结 果，触发脉冲发出后，阀马上导通，其导通压降基本为零。低压物理阀模型的特性如表1所 示
[0045] 表1低压物理阀模型的特性
[0046]
【权利要求】
1. 一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：所述阀模型包括阀模块、用于 检测阀模块电流值和极性的电流传感器检测电路、用于检测阀模块电压值和极性的电压传 感器检测电路和用于控制所述阀模块导通的触发控制电路。
2. 如权利要求1所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：所述阀模 块和触发控制电路均分别与所述电流传感器检测电路和电压传感器检测电路连接；所述阀 模块和触发控制电路连接。
3. 如权利要求1或2所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：所述 阀模块包括两个反向串联的场效应管，两个所述场效应管的源极分别连接所述电流传感器 检测电路；两个所述场效应管的漏极分别连接所述电压传感器检测电路；两个所述场效应 管的栅极分别连接所述触发控制电路。
4. 如权利要求3所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：每个所述 场效应管反向并联稳压二极管；所述阀模块并联缓冲器。
5. 如权利要求4所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：所述缓冲 器包括串联的电阻和电容；所述缓冲器的两端分别与所述阀模块对应的两个漏极连接。
6. 如权利要求3所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：所述电流 传感器检测电路包括两个连接的比较器1 ;其中一个比较器1的正极输入端与另一个比较 器1的负极输入端连接；相互连接的正负极输入端与非线性放大器1的输出端连接；所述 非线性放大器1的输入端通过电阻相互连接且所述输入端分别与对应的两个所述场效应 管连接；所述其中一个比较器1的负极输入端和另一个比较器1的正极输入端分别通过电 阻接地。
7. 如权利要求6所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：所述电压 传感器检测电路包括两个连接的比较器2 ;其中一个比较器2的正极输入端与另一个比较 器2的负极输入端连接；相互连接的正负极输入端与非线性放大器2的输出端连接；所述 非线性放大器2的输入端与所述阀模块连接；所述其中一个比较器2的负极输入端和另一 个比较器2的正极输入端分别通过电阻接地；每个所述比较器2的输出端分别与1个光耦 合器1连接。
8. 如权利要求7所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：所述触发 控制电路包括2组依次连接的与门、脉冲展宽电路和或门1 ;所述2组中的或门1通过或门 2与缓冲器连接；所述缓冲器的输出端与所述场效应管的栅极连接；每个所述与门的输入 端分别与一个所述光耦合器1和一个用于将外部触发信号转换的光耦合器2连接；每个所 述或门1分别与一个所述比较器1的输出端连接；所述或门2与每个所述比较器1的接地 端连接；每个所述光耦合器1均与外部控制所述阀模块导通信号转换的光耦合器3连接。
9. 如权利要求1所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：所述电压 传感器检测电路、电流传感器检测电路和触发控制电路通过电源电路提供电源。
10. 如权利要求8所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：当所述 场效应三极管两端电压高于设置值，且同时接收到触发脉冲电压高于设置值时，所述与门 的两个输入为高电平，其输出为高电平，则场效应管立即导通；当触发脉冲电压消失后，所 述电流传感器检测电路检测流过场效应管的电流，当电流不为零时，所述或门1的一个输 入为高电平，则输出为高电平，场效应管持续导通不被中断；当导通电流低于零时，场效应 管将会被中断；如果场效应三极管电流过零后，场效应三极管两端反向电压作用时间小于 400 μ s，由于脉冲展宽为400 μ s，则场效应三极管在正向电压作用下即使没有触发脉冲的 情况下再次导通。
11.如权利要求1或2所述的一种模拟可控硅阀的低压物理阀模型，其特征在于：所述 低压物理阀模型设置在低压物理阀板上。
【文档编号】G01R31/00GK104155554SQ201410416186
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】朱艺颖, 董鹏, 孙栩, 胡涛, 刘翀, 王薇薇, 习工伟, 谢国平 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院