基于RTDS 的動態(tài)電壓調節(jié)器控制器的半實物仿真試驗

唐鴻奎，張彥兵，王小凱

（1.國網河南省電力公司許昌供電公司，河南 許昌 461000；2.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000；3.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

動態(tài)電壓調節(jié)器是具備補償有功功率能力的補償裝置，當電網系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，能在1~2 ms 之內產生補償電壓，消除電壓諧波和電壓波動與閃變對負載的影響，保證敏感負荷的安全可靠運行[1-3]。目前動態(tài)電壓調節(jié)裝置在開發(fā)、調試階段大多是基于廠區(qū)內物模平臺進行的，物模平臺調試方法試驗效率相對低下，調試周期較長。采用半實物仿真試驗方法，可以彌補物模平臺的不足之處，能夠以更高效、便捷的試驗方法完成產品的開發(fā)、調試，具有較好的經濟效益[4-7]。為驗證“動態(tài)電壓調節(jié)器控制器”在不同負載類型及不同負載電流工況下的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)性能，基于RTDS 實時數字仿真系統(tǒng)開展半實物仿真試驗。

1 半實物仿真試驗概述

半實物仿真試驗方法是一種采用實時數字仿真器（如RTDS）和電力設備控制與保護裝置（以下簡稱：控保裝置）搭建閉環(huán)測試環(huán)境并進行一系列試驗的方法，如圖1 所示。目前也是大容量電力電子設備通行的測試方法，可以較充分、詳實的考核控保裝置的動態(tài)特性。相比于物模試驗方法，該試驗方法具有考核全面、環(huán)境建設周期短、測試自動化率高、重復性好、安全系數高等優(yōu)點，廣泛應用于交直流輸電控保裝置、新能源控制器、電能質量治理裝置的開發(fā)調試和整機測試環(huán)節(jié)。

圖1 典型半實物仿真試驗系統(tǒng)

電力電子類設備控制器的開發(fā)環(huán)節(jié)一般為：理論研究及可行性分析階段、樣機開發(fā)階段、樣機聯(lián)調階段、實際系統(tǒng)聯(lián)調階段、投運及運維階段，如圖2 所示，其中樣機聯(lián)調階段是驗證控制器性能的重要環(huán)節(jié)。目前聯(lián)調方法分為模擬仿真聯(lián)調（及物模仿真）和半實物數字仿真聯(lián)調，而半實物數字仿真聯(lián)調更具有競爭力，試驗環(huán)境建設周期短、仿真性能優(yōu)越、風險可控系數高，在柔性交直流輸電類控制設備的開發(fā)、調試及試驗環(huán)節(jié)得到了廣泛應用。

圖2 電力電子類設備控制器開發(fā)環(huán)節(jié)

2 仿真試驗環(huán)境建設

試驗系統(tǒng)結構如圖3所示，在RTDS中搭建交流等值電網、旁路柜、兩電平逆變器一次系統(tǒng)和不同比例的交流負載，根據逆變器控制單元模擬量采集通道的量程，對系統(tǒng)電壓、電流值進行一定比例的縮小，由GTAO板卡輸出，通過GTDI板卡采集逆變器發(fā)出的逆變器觸發(fā)脈沖。逆變器控制器采集RTDS仿真器發(fā)出的電壓、電流二次值，并發(fā)出觸發(fā)脈沖，控制逆變器運行狀態(tài)。

圖3 動態(tài)電壓恢復控制器仿真試驗結構圖

圖4 所示為動態(tài)電壓恢復器裝置應用場景一次系統(tǒng)結構圖，在RTDS 仿真器中完成等值交流電源、旁路柜、儲能柜、功率柜和敏感負荷的仿真建模，RTDS 通過GTDI 板卡實時采樣控制器的PWM 觸發(fā)脈沖，驅動功率柜中的逆變器單元，完成控制器與逆變器的閉環(huán)控制仿真。

圖4 動態(tài)電壓恢復器一次系統(tǒng)結構圖

電網正常運行狀態(tài)下，敏感負荷由電網供電，當動態(tài)電壓恢復器檢測到電網電壓發(fā)生閃變時，通過晶閘管切斷電網回路并通過逆變器輸出交流電壓，完成敏感負荷的快速轉供。通過半實物仿真試驗平臺可以便捷地開展不同負荷工況下控制器控制參數的優(yōu)化工作。

3 仿真算例

采用RTDS實時仿真器與動態(tài)電壓恢復器控制器搭建半實物仿真平臺，模擬電網電壓發(fā)生電壓跌落故障，控制器監(jiān)測交流電網電壓跌落后，快速將下級負荷取電回路由電網切換至動態(tài)電壓恢復器。當電網電壓恢復時，經預設延時，再次將下級負荷取電回路切換至電網。圖5為試驗錄波圖，其中圖5（a）為電網電壓跌落區(qū)間錄波圖，圖5（b）為電網電壓恢復期間錄波圖，圖5（c）為電網電壓跌落及恢復區(qū)間錄波圖。

圖5 試驗錄波圖

UpSA、UpSB、UpSC為電網側三相電壓一次測量值，IpSA、IpSB、IpSC 為電網側三相電流一次測量值，UpPCCA、UpPCCB、UpPCCC為負荷側三相電壓一次測量值，IpPCCA、IpPCCB、IpPCCC為動態(tài)電壓恢復器三相橋臂電流一次測量值，UpPCC_rms_pu 為負荷側三相電壓有效值的標幺值，QF1為雙向晶閘管的導通狀態(tài)。分析試驗錄波圖可知，電網電壓跌落時，動態(tài)電壓恢復器能夠快速切斷電網供電回路，并將負荷轉供至動態(tài)電壓恢復器；電網電壓恢復時，動態(tài)電壓恢復器控制器能夠平滑的退出，并將負荷轉供至電網回路。

4 結語

采用半實物數字實時仿真的試驗方法開展電力電子類裝置控制器的調試工作，試驗環(huán)境建設周期短、自動化程度高、風險可控?；赗TDS 實時仿真平臺，對動態(tài)電壓恢復器的一次系統(tǒng)進行建模，通過采集板卡與控制器形成閉環(huán)連接。試驗結果表明電網電壓發(fā)生跌落和恢復期間，控制器能夠快速地實現負荷供電回路的切換，切換過程平滑過渡，對電力電子類裝置的開發(fā)、調試環(huán)節(jié)具有一定的參考價值。