電力電子技術在有載分接開關中應用研究

高桂英 ，董銳，夏小晴，侯瑞 ，董非

（1.內蒙古電力（集團）有限責任公司培訓中心，內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古電力集團綜合能源有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020）

有載分接開關在輸、配電領域具有調節電壓和無功功率的作用，具有便捷、高效的特點。調節過程伴隨燃弧及過渡損耗制約了其性能的進一步提高。真空開關式結構設計可以滿足對電弧的抑制，但截流過壓問題需要解決。機電混合式結構設計可以解決電弧及附加損耗問題，利用電力電子器件實現換流、抑制燃弧的同時，可以消除切換損耗。

本文針對機電混合式有載分接開關，開展了多平臺仿真研究，驗證了其工作原理及控制策略的可行性。

1 離線仿真

現代電力系統的發展與仿真技術密切相關，新技術、新研究成果的檢驗和論證無不先經過仿真系統測試和驗證。通常在針對某一電氣研究問題時，借助仿真平臺進行前期學習和了解，該平臺操作屬于離線仿真過程。因仿真僅在PC機上獨立運行，離線仿真過程受限于計算機性能、模型規模以及仿真步長等參數。模型規模過大或步長過小，可能會導致內存溢出現象。故離線仿真實際消耗時間與設置仿真時間不一致，這是與實時仿真系統之間最大的差異。具有代表性的離線仿真平臺或環境包括：Matlab/Simulink/Sim?PowerSystem，PSCAD，EMTP/ATP，PSIM，BPA，NETOMAC等。這些軟件平臺各有特點，如表1所示。針對仿真對象及研究內容，可選用不同平臺[1-5]。

表1 幾種電力系統離線仿真軟件匯總Tab.1 Summary of power system off-line simulation software

從統計情況來看，不同軟件側重點不同，在選擇仿真平臺時，一方面根據實際需求而定，另外也要考慮軟件操作的難易程度，再有就是軟件版權等問題也制約了平臺的選擇。Matlab平臺憑借功能強大，易于安裝等特點，使用頻次較高，可以滿足電氣領域的基本仿真需求。

1.1 模型搭建

機電混合式有載分接開關模型原理及時序如圖1所示。圖1中，K1～K4由switch代替，代表切換開關K在A，B兩抽頭之間的切換過程，S1，S2為背靠背并聯晶閘管，作為換流電子開關。

圖1 機電混合式有載分接開關仿真電路及工作時序圖Fig.1 Simulation circuit and working sequence diagram of EHOLTC

為保證負載不開路、繞組不短路，需要設置兩電子開關控制策略。機電混合式有載分接開關控制策略流程圖如圖2所示。通過判斷電子開關端部電壓、判斷切換階段，實現對電子開關觸發，完成負載電流的切換。

圖2 機電混合式有載分接開關控制策略流程圖Fig.2 Control strategy flow chart of EHOLTC

1.2 仿真結果

機電混合式有載分接開關仿真電路及工作時序圖如圖3所示。按照圖1b，首先驗證了K1～K4動作時序，如圖3a所示。各開關動作時間間隔暫任意給定，仿真結果與預期一致。圖3b為兩電子開關觸發信號及K1～K4各支路電流，切換方向為K1至K4。S1單元觸發信號由S2端部電壓作為判據控制，實現了提前引入，確保ik1至ik2的電流轉移，兩電子開關在電流過零處完成切換，通過設置延時，S2觸發信號在K4閉合后自動退出，驗證了控制策略的可行性。仿真結果表明了該結構可以抑制K1開斷燃弧工況。

圖3 機電混合式有載分接開關仿真電路及工作時序圖Fig.3 Simulation circuit and working sequence diagram of EHOLTC

2 半實物仿真

早期電氣設備的開發，需要在硬件、軟件兩部分同時完成后，方可對設備進行調試和實驗。該過程存在周期長、效率低的問題。隨著仿真技術的發展，在硬件開發之前，可在實際環境下單獨對軟件控制策略進行驗證和調控，以便及時發現問題、修改控制程序，該過程稱為快速控制原型（rapid control prototyping，RCP）半實物仿真；與該過程類似，當控制程序及控制電路制作完成后，為驗證功能的正確性，可無需連接實際設備，而通過接口與虛擬設備相連，構成原型控制器與虛擬功率設備的回路測試系統，稱為硬件在環路（hardware in the loop，HIL）半實物仿真；還有一種仿真系統，利用實際控制電路和功率設備，如逆變器單元等，通過虛擬仿真平臺控制器經功率放大器等放大設備與實際外設建立仿真系統，因加入了功放設備，故該仿真回路稱為功率硬件在環路（power hardware in the loop，PHIL）半實物仿真[6]。

以上三種半實物仿真區別在于控制器的實、虛或功率設備的實、虛。虛擬控制器+實際功率設備為RCP半實物仿真；實際控制器+虛擬功率設備為HIL半實物仿真；實際控制器+功率放大器+實際功率設備為PHIL半實物仿真。圖4可以清楚地說明其間關系。

圖4 半實物仿真功能結構圖Fig.4 Hardware-in-the-loop simulation function structure diagram

圖4中可以看出從初期的模型設計到最后的系統及調試，經歷了RCP和HIL兩個半實物仿真階段。隨著技術的推進，市場上可見的半實物仿真產品較多，其中dSPACE控制系統最為成熟。以DS1103 PPC控制器為例，內部包含了Power PC和TMS320F240 DSP兩種控制單元。前者用于浮點運算，可實現ADC，DAC和I/O功能，后者可實現PWM信號的I/O輸出。該硬件設計保證了平臺功能的強大。由德國公司開發的dSPACE系統基于Matlab/Simulink平臺，可與Matlab模型實現無縫對接，實現RCP，HIL及PHIL測試環境。利用其ADC，DAC和I/O可完成與實際外設間的采樣、開入、開出等功能，光纖接口（GBIC）可作為上位機PC與dSPACE的通訊節點，完成模型Model向C代碼的轉換與下載，進而實現RCP功能。當已有實際控制器電路時，更希望測試控制器功能，可利用dSPACE建立被控對象模型，同樣利用ADC，DAC和I/O接口與實際控制器通信，完成測試，實現HIL功能。

利用dSPACE的優勢在于，其配套開發軟件ControlDesk是綜合實驗與測試平臺，能夠識別Matlab/Simulink模型。在進行RCP建模時，只需將原模型中的功率回路刪去，留下控制策略部分。通過RTI（real-time interface）與Matlab建立連接，模型文件通過編譯成為dSPACE板卡可識別的C代碼，通過RTW（real-time workshop）完成代碼轉換和下載。在ControlDesk中繪制顯示模塊，包括示波器、數字表等，用于輸出監視使用[7-8]。

通過了解目前市場現有產品，匯總了幾種仿真平臺，信息如表2所示。

表2 幾種半實物仿真平臺對比數據Tab.2 Hardware-in-the-loop simulation function structure diagram

表2中列舉的平臺均可實現半實物仿真，但作為半實物仿真的早期開創者，dSPACE的市場占有率較高。

2.1 平臺搭建

利用DS1103 PPC Controller Board板卡，搭建半實物仿真平臺如圖5所示。DS1103板卡共有20路主ADC通道、8路主DAC通道，50個主I/O接口，具有RS232，CAN等通訊接口。dSPACE系統作為控制回路，通過外設接口實現對功率回路電流、電壓模擬量的采集，控制開關以及電力電子器件通斷，實現切換工序。平臺設備參數為：自耦變壓器TDGC2J，安捷倫DSO7104A，正泰F4-22，MTC100-10[9]。

圖5 dSPACE仿真平臺工作結構原理圖Fig.5 Working structure schematic diagram of dSPACE simulation platform

2.2 測試過程

在仿真平臺中完成系統控制策略的建模，不包含功率元件部分。

圖6a為通用DS1103BIT_OUT_I/O模塊屬性設置對話框，模型共用了8～15號8個I/O節點，分別為K1～K4控制開出量以及4路半導體器件觸發信號開出量。因dSPACE的I/O模塊僅識別bool?ean變量信號，而內嵌的Embedded Function程序輸出信號均為double型，故需要進行變量類型轉換。圖6b選擇4路通道ADC1～ADC4對輸入信號進行了采樣處理，為便于后續分析，除了兩功率開關單元端電壓之外，利用了CT對其兩支路電流進行了采樣。ADC模塊要求采樣信號在±10 V以內，程序計算過程中要注意進行等比例還原，否則程序判定有誤。圖6c為DS1103DAC模塊屬性設置窗口。使用該模塊是為了方便外部對信號的監視，被監視信號為兩功率單元支路電流。輸出數據要考慮ADC口的10倍衰減以及CT變比，故確保與實際一致。

圖6 通用I/O，ADC及DAC屬性設置對話框Fig.6 Universal I/O，ADC and DAC property Settings dialog boxes

1）實測ACC動作時序。設置了4個ACC開關的動作時序，利用了模型庫RTI Blockset中的DS1103BIT_OUT_G1 I/O模型，將其中的1～4 Pin作為ACC的控制輸出端，5～6 Pin作為晶閘管單元觸發板輸入信號，再經晶閘管觸發板輸出給晶閘管。圖7a為I/O模塊輸出的K1～K4開關動作時序，幅值為3.3 V。該時序之間滿足K1～K4階梯關系，動作時間間隔無特殊設定。切換方向由K4至K1。

2）測試 S1，S2單元換流過程。圖 7b為上、下兩個晶閘管單元S1和S2之間的換流暫態波形。可以看出，按照控制時序，S1觸發信號開通后經延時關斷，在過零附近，判斷S1端部承受反壓，達到閾值后開通S2觸發信號而導通，實現換流。可以看出K1開斷位置，電流自然轉移至S1單元，無燃弧過程，因ACC動作存在振動與干擾，導致K1開斷前，S1電流有微弱波動。

圖7 開關動作時序及觸發信號與支路電流Fig.7 Switch action sequence，trigger signal and branch current

3）測試負載電流。圖8為RL負載下負載整體電流，在換流點處，電流幅值發生跳變。

圖8 負載電流切換波形Fig.8 Load current switching waveform

仿真結果驗證了模型設計的準確性。

3 實時仿真

實時仿真系統作為電力系統重要的在線仿真技術，具有系統動態實時響應和在線跟蹤、調節等功能，優越于前述提到的離線仿真技術。在線仿真技術包括基于相似理論的以實際旋轉電機為代表的電力系統動態模擬仿真系統、數模混合實時仿真系統、全數字實時仿真系統。離線仿真技術是在數字計算機上為電力系統的物理過程建立數學模型，用數學方法求解，進行仿真研究的過程，其仿真速度與實際系統的動態過程不等。按照不同的動態過程可分為電磁暫態仿真、機電暫態仿真、中長期動態過程仿真三類[10]。

在原理性仿真與半實物仿真的基礎上，為了驗證不同仿真平臺及方式之間的差異，構建了Matlab/dSPACE/RTDS多平臺聯合仿真測試。RTDS（real time digital simulator）實時數字仿真器是由加拿大曼巴托尼直流研究中心開發的電力系統實時數字仿真系統，其并行硬件結構可實現大規模實時仿真運算。通過實時調整參數，實現動態人機界面的交互，是研究大規模電力系統運行特性的有效手段。在利用RTDS開發平臺RSCAD建立實際模型中，需要注意大步長系統與小步長系統的連接問題。晶閘管驅動信號屬于小步長模型，將其與變壓器、線路、開關等大步長系統相連時，需要經過VSC INTERFACE模塊，用于大小步長之間的轉換。亦可通過設置節點電壓實現大小步長系統互聯[11]。

1）平臺搭建。所用RTDS為單RACK配置，1個WIF板卡（workstation interface card）、1個GPC板卡（giga processor card）、1個GTDI板卡（gigabit transceiver digital input card）、1個 GTAO 板卡（gigabit transceiver analogue output card）。WIF卡用于RACK與外設的通訊，通過網口與PC相連，需要設置對應的IP地址建立連接。GPC卡是主處理器板卡，包含兩個IBM PPC750GX PowerPC processors，用于仿真過程網絡及邏輯計算單元，可解決54個節點及56個斷路網絡。GTDI卡用于外部設備連接RTDS的數字接口，包括64個光獨立輸入通道。GTAO板卡用于產生模擬信號，包括12個16位模擬輸出通道，可提供±10 V輸出信號。通過配置GPC卡的config file文件，可以實現對RTDS硬件的操作。設計平臺RSCAD用于完成模型構建、運行監控和結果分析等操作，內嵌了EMTP電磁暫態算法。可通過Draft模塊搭建系統模型，生成dft文件，保存模型內容。圖9為RTDS硬件及軟件間基本結構和關系圖。

圖9 RTDS軟硬件結構圖Fig.9 RTDS software and hardware structure diagram

2）測試過程。本仿真過程中涉及了三個仿真平臺，Matlab/Simulink，dSPACE 和 RTDS，Mat?lab/Simulink用于仿真控制策略建模，含機電混合式有載分接開關工作過程時序控制、電力電子器件觸發信號控制等策略。dSPACE作為控制策略硬件執行機構，充當控制電路，用于采集模擬信號與輸出控制信號。RTDS作為功率部分的模擬，取代實際功率回路設備，在RSCAD中建立功率回路模型，經GTAO，GTDI等板卡，接收外設傳送的數字控制信號，以及輸出模型中各采樣點的模擬信號，完成RTDS板卡與dSPACE板卡之間的數據交換，實現整個閉環仿真。仿真結構如圖10所示。

圖10 Matlab，dSPACE和RTDS聯合仿真結構圖Fig.10 Joint simulation structure diagram of Matlab，dSPACE and RTDS

RTDS與dSPACE之間進行數字信號與模擬信號的交互，完成采樣與驅動控制；dSPACE與PC之間進行控制策略設計、編譯及下載；RTDS與PC之間進行功率回路的建模、仿真設置及輸出顯示等步驟，完成整個仿真過程的監視及調節。

在上位機RSCAD中建立了變壓器、晶閘管組合、斷路器、交流源等模型，利用4個Breaker開關模擬滑動觸頭動作過程。設置仿真步長為50 μs。將dSPACE的兩路ADC和I/O通道與RTDS的GTAO和GTDI板卡對應通道保持物理連接。利用實際控制電路對RSCAD平臺下功率回路開關器件模型進行信號控制，實現了RTDS實時仿真過程。

圖11a為RSCAD波形監控的K1～K4支路一次切換電流波形。與圖11b中Matlab離線仿真波形對比可以看出，多平臺聯合仿真結果是可行的。三種仿真平臺中，半實物仿真平臺與實際最為接近，因被控對象為實際功率回路，離線仿真可以較為方便地實現初期思路驗證，簡單易行，實時仿真平臺能夠檢驗多設備間控制信號傳輸的準確性及時效性，均具有理論分析價值。

圖11 仿真結果Fig.11 Simulation result

4 實測研究

在前述仿真基礎上，依據圖1所示拓撲及開關時序，搭建了實驗樣機。主控電路采用了TI公司的F28335單元，電壓信號經差分電路采樣進入主控單元內部AD，經計算輸出驅動信號。SCR驅動電路采用脈沖變壓器結構，門極電壓約為3.5 V。采用4路繼電器輸出驅動ACC的時序動作，設定各動作時間為：t1=0.019 9 s，t2=0.034 9 s，t3=0.055 s，t4=0.080 9 s，t5=0.106 9 s，t6=0.123 s，t7=0.143 s。

實測開關動作時序及兩S單元換流暫態波形如圖12所示。K1～K4開關動作時序與圖7a仿真結果一致，實測電壓約為3.3 V。圖12b中換流前后S1與S2單元電流分別為12 A和6 A，與圖7b基本一致。因ACC動作存在分散性，導致每次實測各開關動作位置不盡相同，但不影響對工作原理的判定。另外，K1開斷處無明顯燃弧過程，實現了消弧切換，與理論分析一致。將兩SCR換流暫態放大后，如圖13a所示。可以看出兩S單元換流存在一定延時，約為0.5 ms，該時間為S1延時關斷與S2延時開通時間之和，由器件固有屬性決定，可通過使用動態性能較好的器件予以縮短。圖13b為兩S單元電流及端部電壓分布情況，可實現對開關動作時刻的辨識。K1開斷后，S1出現電流，S1端部電壓存在一定干擾，與K1接觸電阻有關。兩單元換流后，S1承受級繞組電壓，S2為器件通態壓降；待K2開斷，S1端部電壓衰減為零。K4閉合后，S2端部電壓開始衰減，與理論分析一致。

圖12 實測開關時序及換流波形Fig.12 Switch timing and diverter current waveforms measured

圖13 電流、電壓分布波形Fig.13 Waveforms of current and voltage distribution

通過仿真與樣機設計驗證了電力電子技術在有載分接開關設備中應用的可行性。為證明該拓撲結構的優勢所在，搭建了常規有載分接開關實測平臺，結構和控制時序與機電混合式樣機一致，僅將SCR替換為過渡電阻即可。相同工況下，再次測試了切換波形。兩樣機平臺中過渡元件的損耗及開關燃弧損耗數據如圖14所示。

圖14 過渡元件損耗及開關燃弧損耗波形Fig.14 Transition component loss and switching arc loss waveform

共測試了三種負載工況，因負載電流的差異決定了數據的不同。圖15a中過渡電阻損耗數據縮小了90%后仍高于SCR損耗，表明了電力電子技術實現了結構優化。圖15b中僅給出了常規有載分接開關開斷燃弧損耗，當加入SCR器件后，基本無燃弧工況。

5 結論

本文基于常規有載分接開關結構及工作原理，介紹了離線仿真、半實物仿真以及實時仿真等平臺的基本概念、組成及各自特點，分類匯總對比了各類仿真軟件。完成了機電混合式有載分接開關的離線仿真、半實物仿真及實時仿真計算。搭建了常規開關及機電混合式開關試驗樣機，實測了兩平臺的切換時序及切換暫態參數，對比了機電混合式有載分接開關的仿真與實測結果，具有較好的一致性。計算了常規開關與機電混合式開關過渡元件損耗及開關燃弧能量數據，確定了機電混合式拓撲結構性能最佳。