本發(fā)明涉及一種短路故障模擬裝置。

背景技術：

隨著全控型電力電子器件的發(fā)展和電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術得到迅速發(fā)展，已經(jīng)從理論研究、實驗室驗證階段發(fā)展到世界范圍內的工程應用階段。與常規(guī)直流輸電相比，柔性直流輸電系統(tǒng)以其靈活控制的技術優(yōu)勢可應用于大規(guī)模新能源接入、孤島供電、城市電網(wǎng)改造、電能質量改善等領域。

柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)，如圖1所示，為模塊化多電平單端換流器。本質上基于“等效模擬”的設計理念，實際物理模型等效替代實際柔性直流輸電工程中的一次設備，包括交直流常規(guī)一次設備和換流閥，物理模型的電壓等級和功率均成比例縮小，但控制接口與實際工程完全一致，物理動模系統(tǒng)的二次系統(tǒng)則與實際工程一致?；谌嵝灾绷鬏旊娢锢韯幽Ｏ到y(tǒng)，可實現(xiàn)控制保護系統(tǒng)、換流閥、一次設備運行與故障特性的實驗室研究和控制保護策略的驗證，以指導控制保護、換流閥及一次設備的設計、開發(fā)、試驗以及工程實施。

短路故障特性的模擬，是柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)的關鍵功能之一，可以基于此深入研究柔性直流輸電系統(tǒng)的短路故障發(fā)展過程、保護策略設計以及一次設備的電氣應力設計。然而實際的短路故障，對于柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)的一次設備而言仍存在安全風險，且短路恢復時間不可控。因此需要尋求一種合適的短路接入故障模擬裝置和方法，不僅能夠模擬多種故障類型，而且應實現(xiàn)短路故障時間的控制，也能夠實現(xiàn)交直流多區(qū)域、多工況的短路接入，既要保證短路故障接入時動模系統(tǒng)一次設備故障電流控制在安全的范圍內，又要保證動模系統(tǒng)與實際工程系統(tǒng)具有近似的短路故障特性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種短路故障模擬裝置，能夠模擬多種短路故障。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括一種短路故障模擬裝置，包括兩條故障模擬線路，第一故障模擬線路的一端和第二故障模擬線路的一端連接，并通過一條接地線路接地，所述接地線路上串設有接地開關，所述第一故障模擬線路的另一端和第二故障模擬線路的另一端分別為所述模擬裝置的兩個接入端；每一個故障模擬線路上均串設有至少一個模擬基本單元，所述模擬基本單元包括第一控制開關。

所述模擬基本單元還包括第二控制開關，所述第一控制開關和第二控制開關反向并聯(lián)設置。

模擬基本單元還包括與第一控制開關并聯(lián)設置的阻尼均壓線路。

每一個故障模擬線路上還均串設有可調阻抗。

所述可調阻抗由電阻值可調的可調電阻和電感值可調的可調電感串聯(lián)構成。

所述接地開關為機械開關。

模擬裝置中的控制開關為IGBT、IEGT和IGCT中的至少一種。

首先，通過控制第一故障模擬線路和第二模擬線路的導通或者關斷，以及控制接地開關的導通或者關斷，來模擬不同的故障類型，比如：當接地開關接地時，可模擬單點或者雙點接地故障，當接地開關斷開時，可模擬單點不接地故障或者雙點不接地故障，所以，該模擬裝置能夠有效模擬出多種故障，包括交流單相短路接地、相間短路、相間短路接地、閥短路、閥端(底)對地短路、直流單極接地、直流雙極短路、直流雙極短路接地故障等，滿足各種故障模擬的需求。通過更換模擬裝置接入的短路故障接入點的位置，可實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)交流場、直流場、換流器(閥)以及直流線路的多種短路故障工況的模擬。所以該裝置對柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)進行有效地故障模擬，可檢測柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)對各種故障的應對能力和排除故障的能力。

然后，根據(jù)短路故障接入點處的最大連續(xù)運行電壓，以及單個控制開關的額定工作運行電壓來確定一條模擬線路上需要串聯(lián)的模擬基本單元的數(shù)目，所以，根據(jù)實際需要可以靈活控制模擬線路上串設的模擬基本單元的數(shù)目，滿足不同電壓等級的短路故障接入點的短路故障的模擬。

而且，將短路故障模擬裝置接入動模系統(tǒng)短路故障接入點后，可以控制故障模擬線路上設置的控制開關的開通與關斷的時間，根據(jù)需要模擬的短路故障接入時間來設定控制開關的觸發(fā)持續(xù)時間，故障接入與恢復時間靈活可調，實現(xiàn)短路故障的靈活控制。

另外，該模擬裝置應用廣泛，不但可應用于基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)，同樣可以應用于基于單個器件或器件串聯(lián)的兩電平、三電平的電壓源換流器的柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)；并且，既適用于單端系統(tǒng)、雙端系統(tǒng)，也適用于多端系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)原理示意圖；

圖2是柔性直流輸電系統(tǒng)交直流短路故障接入點示意圖；

圖3是短路故障模擬裝置電路結構示意圖；

圖4是短路故障模擬流程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。

對于給定的柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)，以圖1所示的基于半橋式子模塊的模塊化多電平換流器為例，在接入短路故障模擬裝置之前，需明確動模系統(tǒng)電氣主參數(shù)、系統(tǒng)運行方式與參數(shù)，以及在給定的短路工況下常規(guī)一次設備、換流閥組考慮一定裕量之后的最大短路電流耐受能力，以及柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)上的短路故障接入點的最大連續(xù)運行電壓。由于柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)屬于現(xiàn)有技術，那么該動模系統(tǒng)中的各種參量的設定同樣屬于現(xiàn)有技術，這里不再說明。

圖2中，在柔性直流輸電系統(tǒng)中設置有多個交直流短路故障接入點，每一個短路故障接入點都有相應的短路故障工況，所以，將模擬裝置對應接入到該柔性直流輸電系統(tǒng)中的交直流短路故障接入點上可實現(xiàn)短路故障工況的模擬，并且，通過改變接入的短路故障接入點的位置，可實現(xiàn)交流場、換流器(閥)、直流場以及直流線路等不同區(qū)域的多種短路故障工況的模擬。

如圖3所示，短路故障模擬裝置的電路結構中，包括兩條故障模擬線路，其中，第一故障模擬線路的一端為該模擬裝置的接入端1，第二故障模擬線路的一端為該模擬裝置的接入端2。第一故障模擬線路的另一端與第二故障模擬線路的另一端連接，并且通過一條接地線路接地，該接地線路上串設有接地開關K。該接地開關K的類型不唯一，可以是電控開關，也可以是機械開關，但是為了節(jié)約成本，在本實施例中，開關K設置為機械開關。

第一故障模擬線路上串設有可調短路過渡阻抗和n個模擬基本單元，n≥1；同樣地，第二故障模擬線路上也串設有可調短路過渡阻抗和模擬基本單元。第一故障模擬線路和第二故障模擬線路上的模擬基本單元的個數(shù)均是可調的，根據(jù)實際情況增加和減少。本實施例中，第一故障模擬線路和第二故障模擬線路上的模擬基本單元的個數(shù)相同，都包括n個，但是，作為其他的實施例，兩者上的模擬基本單元的個數(shù)也可以不相同。

對于其中任意一個模擬基本單元，包括第一控制開關和第二控制開關，這兩個控制開關反向并聯(lián)設置，并且串設在對應的故障模擬線路上。這兩個控制開關為電控型可關斷器件，比如現(xiàn)有的全控型器件IGBT、IEGT和IGCT。而且，對于整個模擬裝置來說，第一故障模擬線路上包括n個第一控制開關和n個第二控制開關，第二故障模擬線路上同樣包括n個第一控制開關和n個第二控制開關，所以，該模擬裝置總共包括4n個控制開關，這4n個控制開關可以全部是IGBT、IEGT和IGCT中的一種，也可以是由IGBT、IEGT和IGCT中的至少兩種混合構成。

本實施例中的每個模擬基本單元均包括兩個反向并聯(lián)設置的可關斷器件，反向并聯(lián)設置的可關斷器件在沒有觸發(fā)信號的條件下，具有雙向阻斷能力，在有觸發(fā)信號的條件下，具有雙向導通能力，保證了該模擬基本單元既可實現(xiàn)直流短路故障的模擬，又可實現(xiàn)交流短路故障的模擬。當然，如果每個模擬基本單元中只設置一個控制開關，并且模擬線路上的所有的控制開關均同向串聯(lián)，由于在這種情況下模擬線路只能夠單向導通，那么，該模擬裝置只可以實現(xiàn)部分直流短路故障的模擬。

如果n≥2，即故障模擬線路上包括多個模擬基本單元，串聯(lián)的模擬基本單元的個數(shù)由系統(tǒng)中的短路故障接入點的電壓與可關斷器件的耐受電壓確定。

而且，為保證可關斷器件的串聯(lián)靜態(tài)和動態(tài)均壓特性，每個模擬基本單元中需設置有阻尼均壓回路，該阻尼均壓回路與對應模擬基本單元中的任意一個可關斷器件并聯(lián)設置，如圖3所示。

可調短路過渡阻抗是為了確保柔性直流輸電物理動模系統(tǒng)的常規(guī)一次設備及換流閥組的安全而設置的，可調短路過渡阻抗能夠根據(jù)實際需要調節(jié)輸出阻抗值。在本實施例中，可調短路過渡阻抗由可調電感和可調電阻串聯(lián)實現(xiàn)。若常規(guī)一次設備及換流閥組能夠耐受金屬性短路故障電流，則可調節(jié)短路過渡阻抗為零，直接模擬短路故障；否則，需根據(jù)設備短路電流耐受能力核算允許的最大短路電流，根據(jù)該短路電流設計最優(yōu)短路過渡阻抗值，從而確定可調電感和可調電阻值；短路過渡阻抗的選取原則為盡可能地小，使得短路故障特性與系統(tǒng)實際短路故障特性盡可能的接近，最小值由短路故障接入點最大耐受短路電流確定；短路過渡阻抗中的電阻與電感的取值配比，由短路故障接入點短路故障電流上升率及穩(wěn)態(tài)故障電流確定。

上述對該模擬裝置的結構進行了說明，但是，在實際應用時，為了保證故障模擬的順利進行，需要首先對模擬裝置中的器件按照實際情況進行選型，選型的依據(jù)具體如下：

根據(jù)設備(圖2中的短路故障接入點)允許的最大短路電流及短路時間完成可關斷器件的選型。

根據(jù)設備(圖2中的短路故障接入點)最大連續(xù)運行電壓，以及所選擇的單個可關斷器件的額定工作運行電壓，確定一條模擬線路上需要串聯(lián)的模擬基本單元，即可關斷器件的數(shù)目。

根據(jù)設備(圖2中的短路故障接入點)最大耐受短路電流、短路電流上升率以及穩(wěn)態(tài)短路電流初步計算短路過渡阻抗的電感與電阻值，通過仿真對所選擇的短路過渡阻抗進行校核，使得在給定的短路工況下短路故障特性盡可能地接近實際短路故障特性，同時保證短路故障期間設備的安全。

為了便于攜帶，該短路故障模擬裝置可以設計為移動式，而且根據(jù)短路故障接入點位置的不同，可實現(xiàn)交流場、換流器、直流場及直流線路的多種短路故障工況。

根據(jù)兩條故障模擬線路上的可關斷器件和接地機械開關的通斷，實現(xiàn)包括交流單相短路接地、相間短路、相間短路接地、閥短路、閥端(底)對地短路、直流單極接地、直流雙極短路、直流雙極短路接地故障等交直流短路故障工況的模擬。比如：若接地機械開關斷開，通過控制兩條模擬線路上的可關斷器件的同時通斷，可控制非接地短路故障的模擬；若接地機械開關閉合，通過控制其中一條模擬線路上的可關斷器件的通斷，可模擬單點接地短路故障；若機械接地開關閉合，通過控制兩條模擬線路上的可關斷器件的同時通斷，可模擬雙點短路接地故障。另外，當模擬單點接地短路故障時，將該模擬裝置的其中一個接入端連接系統(tǒng)中的短路故障接入點，控制該接入端對應的模擬線路上的可關斷器件的通斷實現(xiàn)短路故障模擬，而另一個接入端由于不參與故障模擬，所以，該另一個接入端可以接入到另外的短路故障接入點，也可以閑置，當接入到另外的短路故障接入點時，需要保證該接入端對應的模擬線路上的可關斷器件關斷。

具體參見表1，表1給出了不同短路故障模擬工況下的兩個短路故障模擬線路上的可關斷器件與機械接地開關的配置方案，其中，觸發(fā)表示可關斷器件導通，不觸發(fā)表示可關斷器件關斷。

表1

需要模擬的短路故障工況確定后，根據(jù)表1所示的兩個短路模擬線路與機械接地開關的配置方案，操作機械接地開關使其處于正確的開關狀態(tài)。根據(jù)需要模擬的短路故障接入時間，設定短路模擬線路中的可關斷器件的觸發(fā)持續(xù)時間。

完成以上系統(tǒng)配置與參數(shù)設定后，將短路故障模擬裝置接入待模擬的動模系統(tǒng)短路故障接入點，接入方式是將模擬裝置的兩個接入端分別對應接入到兩個動模系統(tǒng)短路故障接入點上，啟動動模系統(tǒng)并按照既定的控制模式與運行方式穩(wěn)定運行后，通過專門的控制設備——短路故障模擬控制系統(tǒng)的人機操作界面(或監(jiān)控后臺)下發(fā)短路觸發(fā)指令，進行既定的短路故障的模擬。完整的短路故障模擬流程如附圖4所示。

以上給出了具體的實施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。本發(fā)明的基本思路在于上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導，設計出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費創(chuàng)造性勞動。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護范圍內。