（电力系统及其自动化专业论文）vschvdc系统控制保护策略的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 在对基于电压源型换流器( v s c ) 的直流输电( v s c h v d c ) 系统各部分功能 进行研究的基础上，建立了v s c h v d c 系统控制体系框架。考虑交流侧单相接地 短路故障，针对v s c h v d c 系统向有源、无源电网供电的情况分别进行分析，从 运行方式角度提出控制保护策略，并采用p s c a d e m t d c 软件进行了仿真，结果表 明所采用的控制保护策略实现了故障后非故障端热备用、故障端软关断的功能，具 有良好的抑制过电流、过电压的性能，并且提出了其它典型故障的控制保护策略。 对v s c h v d c 物理实验系统的监控部分进行了设计，为进一步的研究奠定了基础。 关键词：v s c h v d c ，控制体系，故障，保护，监控 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ef u n c t i o n so fe v e r yp a r to fv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r b a s e dh i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ( v s c - h v d c ) s y s t e m ，t h ef r a m e w o r ko fc o n t r o l s y s t e mo fv s c - h v d ci se s t a b l i s h e d a f t e ra n a l y z i n gt h ea cs i n g l ep h a s et og r o u n d f a u l tw h e nv s c h v d cs y s t e mc o n n e c t e dt op a s s i v en e t w o r ko ra c t i v en e t w o r k ，t h e c o n t r o la n dp r o t e c t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e di nv i e wo fo p e r a t i o nm o d e so fv s c ，a si s v e r i f i e db yt h es i m u l a t i o no np s c a d e m t d c ，t h es c h e m e sc a nr e a c ht h eg o a la f t e rt h e f a u l t st h a tt h ef a u l tt e r m i n a li ss t i l ls t a n d b y ，t h en o n - f a u l tt e r m i n a li ss o f t l yt u r n e do f f a n dr e s t r a i nt h eo v e r v o l t a g ea n do v e r c u r r e n ts u c c e s s f u l l y , m e a n w h i l e ，t h ec o n t r o la n d p r o t e c t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e dd u r i n go t h e rt y p i c a lf a u l t s m o n i t o r i n gs y s t e mo ft h e l a b o r a t o r ym o d e lo fv s c h v d ci sd e s i g n e d ，w h i c hi su s e f u lt of u r t h e rr e s e a r c h t h i sp r o je c ti ss u p p o r t e di np a r tb yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a n o 5 0 5 7 7 0 18 w a n gs o n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ig e n g y i n k e yw o r d s ：v s c - h v d c ，c o n t r o ls y s t e m ，f a u l t s ，p r o t e c t i o n ，m o n i t o r i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文v s c h v d c 系统控制保护策略的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兰苤刍 日期：塑墨 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：至摇导师签名： 启堍派 日期：之翌翌：鱼：竺 华北电力大学硕士学位论文 1 。1v s c h v d c 简介 1 1 1 直流输电的发展概况 第一章绪论 电力工业是从直流电开始的，发电、输电、用电都是直流电，直接由直流电源 送往直流负荷，故早期的直流输电不需要换流。但是这种形式不易变压，不能形成 大的电网，这与用电需求的增加、电网规模需求扩大相矛盾。随着三相交流发电机、 感应电动机和变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代。同时由于 变压器可以方便地改变交流电压，从而使交流输电和交流电网得到迅速发展并占据 统治地位。但是在输电领域，直流还有交流所不能取代之处，如高电压远距离大容 量输电的经济性与稳定性、电网之间非同步互联等。 在发电和用电的绝大部分为交流电的情况下，要采用直流输电，必须要解决换 流问题。因此直流输电的发展与换流技术的发展有密切关系，从这个角度直流输电 的发展可分为以下几个时期【1 】： ( 1 ) 汞弧阀换流时期 1 9 0 1 年发明的汞弧整流管只能用于整流，不能逆变。1 9 2 8 年研制成功具有栅 极控制功能的汞弧阀研制成功，它解决了逆变问题。大功率汞弧阀的问世使直流输 电成为现实。之后，1 9 5 4 年世界上第一个工业性直流输电工程( 果特兰岛直流工程) 在瑞典投入运行。当时技术比较落后，并且汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧 故障率高、可靠性比较低、运行维护不变，限制了直流输电的发展。 ( 2 ) 晶闸管换流时期 2 0 世纪7 0 年代以后，电力电子技术和微电子技术迅猛发展，高压大功率晶闸 管问世，晶闸管换流阀不存在逆弧问题，而且制造、试验、运行维护都比汞弧阀简 单方便，汞弧阀逐渐被淘汰，开始了晶闸管换流时期。此期间，微机控制与保护、 光电技术、水冷技术等新技术在直流输电工程中广泛应用，促进了直流输电技术的 进一步发展。 但是普通晶闸管作为换流器件的直流输电系统存在着一些固有的缺陷：逆变侧 换流器桥阀的换相要借助于交流系统提供的换相电流，因此直流系统的受端只能是 有源交流系统，无法向无源电网送电，无法向孤立负荷供电；当交流电网发生故障 或三相严重不对称等导致交流电势下降时，换流重叠角将增大，容易导致换相失败， 因此要保证换相可靠，受端交流系统必须具有足够的容量，需要大量无功补偿及滤 波设备。 1 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 新型半导体换流设备的应用 为了克服晶闸管不能控制关断的局限，更灵活方便的控制直流输电，人们一直 在研究具有自关断能力的可关断器件。2 0 世纪9 0 年代以后，具有可关断能力的新 型氧化物半导体器件一绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，i g b t ) 首先在工业驱动装置上获得广泛的应用，这种器件除能对开通时刻进行控制外，还 能对关断时刻进行控制，由此类元件组成的换流阀称为可关断换流阀。可关断换流 阀组成的自换相换流器，可以与无源系统连接进行换流。自换相换流器有电流源换 流器和电压源换流器两种。1 9 9 7 年第一个采用i g b t 组成的电压源型换流器的直流 输电( v s c h v d c ) 试验工程在瑞典投入运行，标志着直流输电技术开始了新的发 展。近期研制成功的集成门极换相晶闸管( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ， i g c t ) 和大功率碳化硅元件，在直流输电工程中也有很好的应用前景。 1 1 2v s c h v d c 系统的组成 1 9 9 0 年m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 等提出了用脉宽调制技术( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 控制的电压源换流器( v s c ) 进行直流输电( h v d c ) 的概念【2 j 。 由于采用了g t o 、i g b t 等全控型器件，换流器功能强、体积小，可减少换流站的 设备、简化了换流站的结构，并且v s c h v d c 系统具有可独立控制有功和无功功 率的优点，可以向无源网络送电，克服了传统h v d c 的本质缺陷，把h v d c 的优 势扩展到配电网，极大地拓宽了h v d c 的应用范围，具有广阔的应用前景。在此基 础上，a b b 公司提出了轻型直流输电( h v d cl i g h t ) 的概念【3 珥j 。 一碎一 l 太一c i 去 = 一(1 奉一奉一(釜l、i = _ j_ j一j_ j_ j 号一 珥 i ，l 卜 - - 1 - 7一7 声 一 罨 s 1 5 0 1 0 0 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 1 0 o 7 5 5 o 2 5 0 0 - 2 5 - 5 o 7 5 1 0 o 1 s 图3 - 9 整流侧直流电压、无功功率 0 如 9 5 02 0 0 02 0 5 02 1 0 02 1 5 0 2 2 0 0 2 2 5 0 2 3 0 02 3 5 0 珧 图3 1 0 逆变f t j - - 相电压、c 相电流 3 3 2 2 控制保护策略的提出及仿真 2 0 秒c 相短路故障时，c 相电压为0 ，线电压阢6 、阮c 突然减小，忱口增大， 为了维持交流电压不变，调制度m 2 立即增大。因为设定的1 朋2 l ，如图可知， 故障后当m 2 = l 时，可以断定系统失控。 c 相对地短路，将会产生过电流。对于a 、b 相，由于调制度所2 增大，玩、 将会增大，相应的厶、厶也会增大，有可能产生过电压、过电流的可能。断路器 2 3 华北电力人学硕士学位论文 ；器 1 5 0 1 器 0 1 0 0 嚣 。2 5 0 1 1 1 0 10 0 0 9 0 0 0 7 0 o6 0 9 5 020 0 020 5 02 1 0 02 1 5 022 0 022 5 023 0 023 5 02 4 0 024 5 025 0 0 1 卜一 001020 3 04 050 6 070 8 09 0 1 00 t k 图3 - 1 1逆变侧线电压、调制度 拒动时，将产生长时间过电压、过电流，因此必须采取相应的控制保护措旆。 从仿真波形町见，逆变侧单相接地故障对整流侧的影响不太。 对于向无源侧供电。单相接地故障，断路器应立即动作切断故障相，防止长时 自j 过电流，防止故障的扩大。若断路器拒动，只能运用控制手段进行快速关断，使 整流侧正常t 作，逆变侧线电压按整定值调小到零。停止向负荷供电。 当c 相短路故障发生后，若逆变侧交流线电压整定值直接设定为0 ，仿真如图 3 一1 2 。 20 0 图3 - 1 2逆变侧线l u 压 |iim。|im s 华北电力大学硕+ 学位论文 故障后，通过逆变侧控制器设定整定值为0 ，但线电压达到0 后，系统并不能 长时间稳定。发生故障时，系统处于暂态调整过程，如果整定值变化过大，系统不 一定能过渡到新的稳定状态。因此，对于故障过程中的整定值设定，应该在系统的 承受能力内逐渐逼近设定目标，同理，有源网络供电发生故障时，在断路器拒动的 情况下，若要通过控制的方法切断v s c h v d c 故障端与交流系统的联系，也应该 采用柔性关断的控制方法。因此，本文提出了整流侧运行方式不变，逆变侧交流线 电压的整定值在系统的承受范围内尽快降低到0 值的柔性控制保护策略，仿真采用 的是线电压整定值沿斜率为5 的直线逼近0 。 采取控制保护策略后的仿真图见图3 1 3 、图3 1 4 、图3 1 5 。由仿真可知：控制 方式有效的抑制了故障相长时间过流，非故障相长时间过压、过流的可能，故障侧 实现软关断：非故障侧仍旧正常运行，并能及时的为该侧的交流系统提供无功支持， 仿真验证了策略的正确性。 童 鸢 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 1 0 0 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 - 2 5 0 15 02 o o2 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 t s 图3 1 3 整流侧直流电压、无功功率 3 4v s c h v d c 向有源网络供电单相接地故障的研究 3 4 1 分析模型 系统主电路模型如图3 1 6 所示，具体参数如下：整流侧交流系统基准电压 以1 = 1 3 8 k v ，整流侧变压器变比为1 3 8 k v 6 2 5 k v ，变压器额定容量岛= 1 0 0 m v a ( 选 作系统功率基准值) ，直流侧电容c l = c 2 = 5 0 0 l t f ，直流电缆长度1 0 0 k m ，逆变侧变 压器变比是6 2 5 k v 11 5 k v ，i g b t 开关频率为1 9 5 0 h z 。 2 5 一鼍茁_l岛 华北电力大学硕i 学位论文 副i # o 。 2 锄产i o 女r o 一岛g n 一静。一m m 。 5 ：- 2 器5 璐箍稿甜。 一1 0 0 1 5 0 。k 。垃4 如 翥燃黔即 一10 01 。 n 一 2 0 0 嚣 5 0 ； 。： 一1 。 ：蠹 11 0 10 0 09 0 08 0 07 0 。06 0 e05 0 04 0 03 0 02 0 0 1 0 00 0 9 5 020 0 020 5 02 1 0 02 1 5 022 0 022 5 023 0 023 5 024 0 024 5 025 0 0 s 图3 1 4 逆变侧三相电压、电流 02 0 025 03 0 03 5 0 4 o o45 l 一一一1 00 1020 30 4050607080 t l s 1 剞3 - l5 世变例线电爪、调制度 华北电力大学硕士学位论文 e 玉 i 一d 卜 li 图3 1 6向有源网络供电原理图 运行方式与控制器选取：整流侧采取面坐标系下定有功功率、定无功功率控 制器，有功功率整定值为7 5 m w ，无功功率整定值1 0 m v a r ，逆变侧采取由坐标系 下定直流电压、定无功功率控制器，直流电压整定值为1 2 0 k v ，无功功率整定值为 1 0 m v a r 。 3 4 2 整流侧交流c 相2 o 秒单相接地故障 3 4 2 1 故障仿真图 整流侧c 相2 0 秒发生单相接地故障，假设故障是永久性金属接地故障，交流 侧断路器拒动，未采取任何控制保护策略仿真如图3 1 7 、图3 1 8 。 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 ，1 0 _；1un、n1从从厂 2 5 03 0 0 t s 图3 1 7整流侧直流有功、无功功率 3 4 2 2 控制保护策略的提出及仿真 当整流侧c 相接地故障，整流侧输送的有功功率迅速减小，为了维持输送的有 功功率不变，整流侧电容放电，整流侧直流电压迅速减小，带动逆变侧直流电压也 2 7 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 8 6 4 2 2 4 6 8 o 1 -li_ 2：、p荟审 怎、i 童_ 华j 匕电力人学硕十学位论文 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 一卜、 jli w 、 4 0 3 0 2 0 1 0 蝌 0 1 0 2 0 一3 0 舶 图3 1 8 逆变侧直流电压、无功功率、万角 迅速下降，逆变侧定直流电压控制器为了维持逆变侧直流电压增大荡角，当调整龟 角不能维持直流电压时，整个系统不可控，失去稳定。因此需采取控制保护措施， 防止故障扩大。 采取的策略：整流侧有功功率、无功功率按某种曲线逐渐较小到0 ，进行软关 断，仿真采用的是有功功率、无功功率沿斜率5 的直线减小到o ；逆变侧仍定直流 电压、无功功率运行，并且整定值不变，此时逆变侧正常工作，仍能为其连接交流 系统提供无功支持，起到s t a t c o m 的作用。 采取控制保护策略后的仿真如图3 1 9 、图3 2 0 。整流侧交流单相接地短路故障 后，成功地实现了软关断，防止了故障的扩大；逆变侧正常工作，维持了直流线路 的直流电压不变，仍能为该侧交流系统提供无功支持，仿真验证了策略的正确性。 3 4 3 逆变侧交流c 相5 0 秒单相接地故障 3 4 3 1 故障仿真图 2 8 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 5 0 5 n 5 0；5；筋加12仉：兮 1 1 1 1 1 1 1 1 专qv 华北电力大学硕十学位论文 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 4 0 04 5 0 6 0 5 0 4 0 耄 3 0 委 2 0 q 1 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0 u s 1 3 5 o 1 3 0 0 1 2 5 0 1 2 0 0 1 1 5 0 弩1 1 0 0 鸢1 0 5 0 1 0 0 o 图3 1 9 整流侧有功、无功功率 1 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 04 0 04 5 0 1 5 02 0 02 3 0 03 5 0 4 0 04 5 0 t s 图3 2 0 逆变侧直流电压、无功功率 逆变侧c 相5 0 秒发生单相接地故障，假设故障是永久性金属接地故障，交流 侧断路器拒动，未采取任何控制保护措施的仿真见图3 2 1 、图3 2 2 。 3 4 2 2 故障过程分析及控制保护策略的提出 2 9 i，i，毛 加们。仲 耋 华北电力人学硕l 学位论文 神脚懒脚 5 5 08 5 090 095 01 00 0 ，v 删州帖删籼酬 5 oo o s 图3 2 1 整流倒有功、无功功率 卜 删嗍删枷一嘶枷枷m 哟 _ j 4 s o | 45 彳 5c o5s ob 们引0 o o - 州州m 州川一。p 。中_ 翻咖m i 5o o 55 0 6o o6s o70 075 08o o85 09o o95 0 1 00 0 ， 图3 2 2 逆变侧直流电压、 己功功率 当逆变侧c 相接地故障逆变侧交流电压u 减小丁是巩减小，故障瞬间， 逆变侧触发扣和调制度不变，战逆变侧直流电压巩。2 减小，由于逆变侧定直流电压 运行，逆变侧摔制器增大确，当调整j 角水能维持卣2 | ；c 电压时，整流侧、逆变例控 制器失去控制作川，整个系统不可控，失去稳定。凼此需采取控制保护措施，防止 战障扩大。 采l l _ ( 的策略：故障后整流例定有功功j 缸、定无功功率转变为定直流线路电堰、 定正功功率控制，为了小使整流侧产牛较人的波动，直流线路f u 爪、无功j j j 牢楚定 3 ( ) h 蚰j叻柏柏。 t 华北电力大学硕十学位论文 值选取故障前的值。逆变侧定直流线路电压、定无功功率控制转变为定有功功率、 定无功功率控制，有功功率、无功功率整定值是由该侧故障前的值逐渐减小到0 ， 并且控制过程要在系统稳定允许的范围内尽量快速，本文采取的是有功功率、无功 功率整定值沿斜率为一5 的直线逼近0 。 3 4 2 3 采取控制保护策略后的仿真波形 逆变侧5 0 秒单相接地短路故障后，采取控制保护策略后的仿真如图3 2 3 、图 3 2 4 。整流侧、逆变侧均改变运行方式，故障端软关断，防止了故障的扩大，非故 障端正常工作，维持了直流线路的直流电压不变并且仍能为该侧的交流系统提供无 功功率支持，仿真验证了策略的正确性。 4 5 05 o o5 5 06 o o6 5 07 o o7 5 0 8 o o8 5 09 o o9 5 01o o o 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 o 一2 0 4 0 一6 0 一8 0 4 5 05 o o5 5 06 o o6 5 07 o o7 5 08 o o8 5 09 o o9 5 01o o o 图3 2 3整流侧直流电压、有功、无功功率 3 5 其它典型故障保护策略的提出 3 5 1 向无源网络供电 逆变侧交流单相断线故障，此时v c s h v d c 触发方式没有改变，逆变交流侧 的出口电压没有改变，所以非故障相的电压、电流没有改变，故障相靠近v s c 的线 3 l o o o o o o o o 4 2 o 8 6 4 2 华北电力大学硕士学位论文 3 0 o 2 5 o 2 0 o 1 5 o 1 0 o 0 5 o o o o 9 5 o 9 0 o 8 5 o 4 5 05 o o5 5 06 o o6 。5 07 o o7 5 08 o o8 5 09 o o9 5 01o o o t vp - uq u，uo v 口u u u t s 图3 2 4 逆变侧直流电压、有功、无功功率 路仍然存在电压，并且和故障前相比没有改变，系统仍能够正常工作，不会产生过 电压、过电流，如果负荷是单相负荷，负荷能正常工作。负荷是三相负荷，则应该 停止工作。c 相在2 0 秒发生断线故障仿真如图3 2 5 、图3 2 6 。 逆变侧发生两相短路故障、三相接地短路故障的控制保护策略：整流侧定直流 电压不变，逆变侧交流线电压定按照某一曲线逐渐减小为0 ，逆变侧进行软关断， 防止器件的损坏、故障的扩大。 整流侧交流系统发生故障，整流侧、逆变侧v s c 快速闭锁，停运整个v s c h v d c 系统，防止故障扩大化。 直流线路发生断线故障。整流侧运行方式不变，仍然稳定直流线路电压，并为 该侧的交流系统提供无功支持；逆变侧快速闭锁。 直流线路发生短路故障，直流电容快速放电，产生较大的过电流，电容容易损 坏，除了直流线路安装避雷器快速放电外，从运行方式上整流侧v s c 改变其运行方 式为逆变工作方式，减小短路电流。 3 2 o o o o o o o o o o 6 5 4 3 2 ， 卅之4 零i _ _ q o o o o o o o o o o o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 华北电力大学硕十学位论文 童 窖 墨 1 5 0 1 0 0 童5 0 0 一 一5 0 - 1 0 0 1 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 一0 4 0 1 季一一 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 t s 图3 2 5 整流侧直流电压、无功功率 9 4 01 9 6 01 9 8 02 0 0 0 2 0 2 02 0 4 02 0 6 02 0 8 0 t s 图3 2 6 逆变侧三相电压、电流、线电压 3 5 2 向有源网络供电 有源网络供电时，交流侧发生故障均可采取类似3 4 节提出的单相短路故障控 制保护措施。若定有功功率侧交流故障，进行软关断控制，定直流电压侧正常工作， 维持故障前的值，为该侧交流系统提供无功支持：若定直流电压侧故障，定有功功 率侧转变为定直流线路电压，并且直流线路电压整定值应该选取该侧故障前的值， 而原来定直流线路电压侧转变为定有功功率控制，并且有功功率整定值是由故障前 的值沿某一曲线逐渐减小到0 ，进行软关断。 直流线路断线故障，两侧v s c 均工作在定直流线路电压运行，并且电压定值选 取故障前的值，两侧均能够正常工作，为交流侧提供无功功率，起到s t a t c o m 的 作用。 直流线路发生短路故障，两侧v s c 均改变为逆变运行方式，减小直流线路短路 3 3 0 o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 4 2 0 8 6 4 2 0 5 5 o 5 0 5 1 1 1 1 1 - 1 1、j、| 华北电力人学硕士学位论文 电流，保护器件不被损坏。 3 6本章小结 本章针对v s c h v d c 系统向无源网络、有源网络供电两种情况，以交流单相 接地短路故障为分析重点，提出了交流侧短路故障的控制保护策略，既故障端软关 断，非故障端正常工作的运行方式，仿真验证了策略的正确性，并且提出了交流侧 两相短路、三相短路、直流线路短路、断线故障的控制保护策略，由于时间有限， 仿真将在后续的研究中进行。 3 4 华北电力大学硕1 学位论文 第四章v s c h v d c 物理实验系统监控部分的设计 41v s c h v d c 实验系统简介 对v s c h v d c 系统的深入研究离不开对v s c h v d c 的理论分析以及对于 v s c h v d c 系统稳、暂奄的仿真。但足，为了能够验证理论研究和仿真结果的征确 性，建立一套灵活、完整的v s c h v d c 物理实验模型是非常必要的，并在此基础 上将实验结果与仿真结果相对照，爿能够验证对v s c h v d c 系统理论分析是雨正 确、有效，在同内没有实际工程的情况f ，v s c h v d c 实验室系统的研究很有意义。 实验系统的硬件电路主要包括主电路、控制电路两部分，示意图如图4 1 所示， 实物图见图4 - 2 。 图4 - 1v s c h v d c 实验模拟系统示意图 a ) 土电路与控制系统( b ) 变压器o 换流电机器 蚓4 - 2v s c h v d c 实验装置系统 华北电力大学硕士学位论文 主电路由三相交流电源、变压器、v s c 、直流线路、电抗器等组成。v s c h v d c 实验系统整流侧由市电( 3 8 0 2 2 0 v ) 经过调压器和y d 接线的变压器变换成线电压 为4 5 v 的电压，然后依次接入空气开关，然后通过三相电感( 5 m h ) 接入三相i g b t 桥( s k m 7 5 g d l 2 4 d ) ，i g b t 桥的直流侧接有直流电容( 2 0 0 0 p f ，两个1 0 0 0 1 t f 并 联) ，逆变侧主电路与整流侧完全一样，两者通过直流线路联接在一起。 控制电路包括模拟调理电路、主控板和驱动电路三部分。模拟调理电路将主电 路中的大电流大电压信号经霍尔传感器转换和调理为合适的电压信号( o 3 3 v ) 后送 入主控板，主控板是以t i 公司的d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 为核心扩展而成的，其上 的a d 采样模块对调理板送来的信号进行采样，然后按照相应的控制策略进行计算， 最终得到由d s p 送出的6 路p w m 脉冲，这些脉冲还需要通过送入驱动电路模块 ( s k h l 6 1 ) 进行放大和光电隔离后才能接到i g b t 触发端子上进行触发。表4 1 为实 验系统的主要参数。 表4 1 实验系统参数 项目参数 三相交流电源线电压有效值 三相变压器变比( y d 接线) 交流滤波电感 单侧直流电容 直流侧电压 开关管 驱动模块 主控：占片 电压霍尔传感器 电流霍尔传感器 38 0 2 2 0 v 8 6 ：1 5 m h 2 0 0 0uf 1 0 0 v s k m 7 5 g d12 4 d s k h l 6 l t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a h e c 5 0 0 v - f 6 c s m 0 5 0 l t 4 2 数据采集系统配置 4 2 1p c i 9 1 1 8 数采卡介绍 本文所采用的数据采集为台湾凌华公司的p c i 9 118 h g 数据采集卡。p c i 9 118 系 列数据采集卡是一族功能强大的高速多功能p c i 总线数据采集卡，如图4 3 所示， 能用于w i n d o w s 或d o s 编程环境下。这一家族中的所有成员都具有共同的架构与 核心特性。它们是用于高速、无间隔数据采集应用的理想采集卡产品。数据可以通 过总线主控d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接内存存取) 方式无间隔、连续高吞 3 6 华北电力人学硕十学位论文 j 止率( 即使是大量数据) 地传输，并且每个通道采样参数可人工置，如：信号模 式( 单端或差分) 、信号增益、采样频率、通道号、采样点数等等。 f * c 啪p a t t b l e h m t r 4 m 埘 1 8 0 0 图4 - 3p c i 9 1 1 8 系列数据采集卡 p c i 9 1 1 8 特性： ( 1 ) 3 2 位p c i 总线，即插即片j ；1 2 位或1 6 位分辨率 ( 2 ) 最高3 3 3 k h z a d 采样频率 ( 3 ) 1 6 个单端或8 个差动模拟量输入通道 ( 4 ) 单极性或积极性输入 ( 5 ) 突发方式扫描 ( 6 ) 可编程增益选择： ( i ) 1 、2 、4 、8 ( 9 1 1 8 d g h r ) ( i i ) 1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 ( 9 1 1 8h g ) ( 7 ) 两个1 2 位高速模拟量输出通道 ( 8 ) 4 个数字量i o 通道 目4 4 数据采集 丁作流程图 ( 9 ) 三种a d 触发源：软件触发、町编程定时器触发与外部脉冲触发 ( 1 0 ) 5 0 一p i ns c s i i i 连接器 ( 1 1 ) 紧凑的半长卡结构 p c i 一9 1 1 8 支持v b 、v c + + 、d e l p h i 等多种编程语言，并且它为用户提供多种驱 动包，有基于w i n d o w s 系统的d l l 库，也有跟其它软件( l a b v i e w ，d o s y l a b 等) 连接的接口包，方便 ，_ ：、灵活性使其r 泛被脚用。数据采集卡采集数据嫂件的工作 流程如图4 4 所示。 422 采集的信号 考虑到实际工程l 卜_ ，中性点选取比较阳难，所采集的信号是v s c 所连接交流侧 a b 、b c 线i 乜压仉乩。，而不是a 、b 、c 再相电、，电流信o j 选耻a 、b 相电流 曩毫一 华北电力大学硕十学位论文 厶、6 ，且况线跖米集且汛甩j 盘、且流电流1 百亏。v s c - h v d c 买验系统口j 以认为甩 压、电流是对称的。因此，可以归算出各相电压、电流，归算公式见式( 4 1 ) h = 孚+ 孕 u 6 = 一丁u a b + 丁u b c ( 4 - 1 ) lu c = 一u 口一u 6 ii ，= 一，。一， 4 2 3 信号调理电路设计 一般而言，所有能够在计算机控制下完成数据采集和控制任务的板卡产品都称 为d a q 产品【4 们。d a q 系统的基本任务是物理信号的产生与测量，但是要使计算机 系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换为电信号( 电压或者电 流信号) 有时受到d a q 卡对输入信号幅值要求的限制，不能把被测信号直接连接 到d a q 卡，而必须使用信号调理辅助电路，先将信号进行一定的处理。 实验系统中所用的d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 器件，要求输入信号幅值在0 3 3 v 。 如果超过3 3 v ，就有可能烧坏d s p ，因此必须要有合适的信号调理电路，为了节省 布线空间，数据采集卡的输入信号也选取经过调理电路输出的信号。 所用的数据采集电路整体框图如图4 5 所示，待测信号经过传感器实现强弱电 之间的隔离，运算放大电路保证测量系统输出电压不受d s p 采样电路的影响。通过 上述电路后测量信号电压降至1 6 5 v 以内，然后通过一个1 6 5 v 的直流偏置电路， 以使输出信号幅值在0 3 3 v 以内，并在输出端加上3 3 v 稳压二极管，确保调理后 的信号幅值不超过3 3 v ，由于误差的影响，实际直流偏置的具体数值需要实验得到， 对于数据采集来说可以从软件设计上消去直流偏置的影响。 删信号一l 麓h 蕊h 嘉鎏h 篓卜一号 图4 5数据采集电路框图 信号调理电路的实验波形如图4 7 所示：信号调理电路实现对电压电流向d s p a d 转换模拟输入的变换，示波器2 通道中波形来自于经过电磁变压器及电压传感 器后的市电，经过对4 6 所示电路中可变电阻器的调节，调节输出波形如图4 7 中1 通道所示，其大小限制在o 3 3 v 之间，并加上稳压管以保证d s p 信号输入安全。 4 3 实验室监控系统软件设计 3 8 华北电力人学硕士学位论文 4 3 1l a b v i e w 介绍 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，它是一种用图标代码来代替编程语言创建应用程 序的开发工具，在基于文本的编程语言中，程序的执行依赖于文本所描述的指令， 而l a b v i e w 使用数据流编程方法来描述程序的执行，是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，简称n i ) 的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最 强的图形化软件开发集成环境。 图4 6 信号调理电路图 图4 7 信号调理电路输入及输出信号波形图 l a b v i e w 支持v x i p x i u s b i e e e l 3 9 4 等先进测试总线，支持v i s a ( v i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) ，sc p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m i n g i n s t r u m e n t s ) ，i v i ，d a t a s o c k e t 等各种虚拟仪器软件标准，并且l a b v i e w 本身事实 上也已经成为图形化编程语言的工业标准。l a b v i e w 的库函数包括数据采集、g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s 通用总线接口) 和串口仪器控制，数据显示、分析、 处理与存储等。为了便于调试，l a b v i e w 还带有传统的程序开发调试工具，例如可 以设置断点，可以单步执行，也可以激活程序的执行过程，以动画方式查看数据在 程序中的流动【4 1 。4 2 1 。 3 9 华北电力人学硕士学位论文 由于l a b v i e w 采用基于流程图的图形化编程方式，因此也被称为g 语言 ( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) 。与其它编程语言相同，g 语言既定义了数据类型、结构类型、 语法规则等编程语言的基本要素，也提供了包括断点设置，单步调试和数据探针在 内的程序调试工具，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。 l a b v i e w 最大的优势表现在两方面：一方面是编程简单、易于理解、上手快、 效率高；另一方面，l a b v i e w 针对数据采集，以及控制、信号分析和数据处理等任 务，提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，就可免去自己编写程序的繁 琐，而且l a b v i e w 作为开放的工业标准，提供了各种接口总线和常用仪器的驱动 程序，是一个通用的软件开发平台。目前，l a b v i e w 在包括航空、航天、通信、汽 车、半导体、生物医学等世界范围的众多领域得到广泛的应用。 基于l a b v i e w 的这些特点，选择l a b v i e w 作为主机控制侧的软件平台。 4 3 2 模拟信号的重要参数 本实验系统采用数据采集卡是为了使各电量信号可以直接在主机上显示并处 理信息，以便对实验系统工作状态的监测以及进行上位机控制。 对于电力系统的电量采集，一般是将电流、电压等模拟量转化为数字量。模拟 信号的重要参数主要有： 1 ) 一次扫描( as c a n ) ：对信道表中的所有信道的一次采集或读数； 2 ) 扫描数( n u m b e ro f s c a n st oa c q u i r e ) ：从信道表中所有信道读数的次数； 3 ) 样数( n u m b e ro f s a m p l e s ) ：从一个信道采集的数据点数； 4 ) 扫描率( s c a nr a t e ) ：每秒从各信道采集的数据点数： 5 ) 信道时钟率( c h a n n e lc l o c kr a t e ) ：从信道表中的一系列信道采集数据的时间 间隔。 为了更好地控制模拟输入，需要了解信号数字化过程中分辨率、范围、增益等 参数对采集信号质量的影响。 a ) 分辨率 分辨率就是用来进行模数转换的位数，a d 的位数越多，分辨率就越高，可区 分的最小电压就越小。分辨率要足够高，数字化信号才能有足够的电压分辨能力， 才能比较好地恢复原始信号。目前分辨率为8 位的采集卡属于较低的，1 2 位属中档， 1 6 位的卡就比较高了。 b ) 电压范围 电压范围由a d 能数字化的模拟信号的最高和最低的电压决定。般情况下， 采集卡的电压范围是可调的，所以可选择和信号电压变化范围相匹配的电压范围以 4 0 华北电力大学硕士学位论文 充分利用分辨率范围，得到更高的精度。比如，对于一个3 位的a d ，在选择0 1 0 v 范围时，它将1 0 v 八等分；如果选择范围为一1 0 v 至i j + 1 0 v ，同一个a d 就得将2 0 v 分为8 等分，能分辨的最小电压就从1 2 5 v 上升到2 5 0 v ，这样信号复原的效果就 更差了。 c ) 增益 增益主要用于在信号数字化之前对衰减的信号进行放大。使用增益，可以等效 地降低a d 的输入范围，使它能尽量将信号分为更多的等份，基本达到满量程，这 样可以更好地复原信号。因为对同样的电压输入范围，大信号的量化误差小，而小 信号时量化误差大。当输入信号不接近满量程时，量化误差会相对加大 模拟采集的方式有单点采集和波形采集：前者又分为两种：1 ) 、单信道、单点 模拟输入( v i a is a m p l ec h a n n e l ) ，即从一个信道采集_ 个数据，这种操作不需要 任何缓存或定时；2 ) 、多信道、单点模拟输入( v i a is a m p l ec h a n n e l s ) ，即每次由多 个信道每信道采集一个数据。后者在需要从一个或多个信道读取多个数据时使用， 也可分为两种：其一是使用简单缓存技术采集波形，波形采集的另一种方式为使用 循环缓存技术采集波形。 利用l a b v i e w 进行数据采集的程序模型如图4 8 所示。 图4 8 数据采集程序模型 1 ) 数据的初始化 主要在a ic o n f i g 和a is t a r t 模块中进行，设置数据采集卡采集数据时的缓存大 小和采样频率。 2 ) 数据的连续采集 数据由a ir e a d 读出，并且通过循环程序进行循环采集，经过采集数据处理传 到示波器( w a v e f o r m ) 中显示，直到停止采集。由a ic l e a r 模块把任务i d 废除， 从而将采样所用的内存缓存区和其它资源释放。 4 3 3 程序流程 程序设计中程序的流程设计是至关重要的，好的流程可以使得程序的可读性 强，运行可靠性高，要设计的数据采集程序的流程图如图4 - 9 。 4 1 华北电力大学硕士学位论文 图4 - 9 数据采集程序流程图 4 3 4 基于l a b v i e w