ATP基本应用及六脉动桥TACS控制实现

1、ATP介绍及其基本应用1 ATP简介ATP（选择性暂态程序）是世界上应用最广的数字式仿真电磁暂态现象及电力系统机电能的软件。可以计算以时间为函数的变量对电力系统的影响。通常，使用积分的梯形规则来解系统元件在时域的微分方程。非零初始状态可自动由稳态矢量解决定，或由用户自行为某些元件输入。ATP提供许多模型，包括旋转电机，变压器，避雷器，电力电线/电缆。ATP程序可以模拟任意结构的复杂电力网络，也可分析控制系统，电力电子设备和一些非线性的元件。ATP程序可以模拟、分析对称或非对称干扰，例如接地、雷击，和任何形式的开关操作（包括阀的换流）。还支持相量网络的频率响应计算。目前，ATP包括以下元件：1)

2、 非耦合/耦合的线性、集中参数元件2) 分布参数和频域参数的电力电线/电缆3) 非线性元件：有饱和和磁滞特性的变压器，避雷器4) 普通开关，时间控制开关，电压控制开关，统计分布开关5) 阀（二极管和晶闸管）6) 三相同步电机，通用电机7) MODELS和TACS（控制系统的暂态分析，控制系统模块）ATP中的MODELS是用于分析和研究时变系统一种综合性的语言描述工具，许多模拟工具都支持它。MODELS允许用户任意定义控制元件和电路元件，并提供一个简单界面用于与其它ATP中的程序/模型连接。作为一种综合性的编辑工具，MODELS可以在时域或频域中处理仿真结果。2 ATPDraw入门在ATP中主要

3、用到ATPDraw，ATPDraw是基于Windows平台的、鼠标操作的、ATP专用的图形预处理程序。ATPDraw具有标准的Windows窗口布局。在ATPDraw中搭建电路，用户首先从菜单中选择元件搭建模型电路，然后程序会自动给未定义的节点命名及修正模型，并生成相应的ATP文件。用户搭建的电路可以是单相的，也可以是三相的。窗口操作ATPDraw使用标准的Windows用户界面。本章节分别介绍“主菜单”和“元件选择菜单”的基本功能，以及两个重要的窗口：“主窗口”和“元件对话框”。主窗口图2.1 “主窗口”，多个“电路窗口”和浮动的“元件选择菜单”ATPDraw for Windows程序与D

4、OS版本功能相似，“元件选择菜单”是隐藏的，在“电路窗口”空白处单击鼠标右键弹出该菜单。图2.1中主窗口内有两个电路窗口，ATPDraw支持多窗口，允许用户同时操作数个电路窗口，并提供在电路窗口之间复制信息的工具。电路窗口比实际屏幕大很多，可以使用滚动条来显示每个电路窗口。元件对话框从“元件选择菜单”中选择元件之后，在电路窗口中将出现一个由矩形框包围的电路元件。其上按住鼠标左键并拖动可移动元件图标，单击鼠标右键可旋转，单击空白区域可退出选择和放置对象。在未选择的电路对象上单击鼠标右键（或双击左键），将弹出“元件对话框”。例如单击一个RLC元件的图标，将会弹出如图.2所示的对话框。图2.2元件对

5、话框全部电路元件的“元件对话框”布局大致相同。用户在该窗口中输入元件所需的数据。对于标准元件，输入窗口的唯一不同就是数据和节点菜单区的数目。非线性分支元件除了一般“属性页”，还有“特性页”。在特性页中，可以对非线性特性和一些包含文件选项进行设定。输入窗口中输入的数值可以是实数或整数，实数可写成带有“E”或“e”的指数形式。当输入字符是非数值时，将显示“非法数值定义”的信息。合法数值样式：3.24e4，323E+02，32300，32.3e+3等。元件选择菜单图2.3 元件选择菜单此菜单提供了在电路窗口中插入新元件的选项，如图2.3所示。该菜单通常是隐藏的，在电路窗口的空白处单击鼠标右键，显示该

6、菜单。该菜单中所有的元件都可以选择。在浮动的菜单中选中某个元件后，该元件图标就显示在电路窗口中，且处于可移动的状态。最上面的4栏选项（从Probes & 3-phase 到Transformers）提供了测量仪，分相和换相元件，也包括了许多标准的ATP元件：线性和非线性的基本元件、开关、电源、变压器和设备。下一栏选项提供了MODELS和TACS组件。在TACS的下级菜单中有“关系线”选项，它能显示Fortran 语言表述的信息。最后一栏是用户自定元件以及频率元件的相关内容，本节中将简单介绍。2.4.1 测量仪和三相元件鼠标移动到Probes & 3-phase选项菜单后，出现的下级菜单如左图。

7、测量仪元件可用来测量电压，支路电流或TACS值。 其处理方式与其他元件不同。(1) Probe Volt图2.4 Probe & 3-phase通过“电压测量仪”可得到ATP文件中指定点的电压输出。所有的测量仪元件中都有 “测量仪”对话框，其中用户可指定测量仪连接的相数及测量哪一相。(2) Probe Branch Volt通过“电压支路测量仪”可得到ATP文件中指定支路的电压输出，在“测量仪”对话框中用户可指定连接的相数及测量哪一相。(3) Probe Curr通过“电流测量仪”可得到指定支路流过的电流，在“测量仪”对话框中用户可指定连接的相数及测量哪一相。(4) Probe Tacs通过“

8、TACS测量仪”可向ATP文件输出TACS输出信号。(5) Splitter分相元件作为单个三相点和三个一相点之间的转换器件。它没有数据，只有4个节点。它与其它标准组件一样，能被移动、旋转、选择、删除和复制，也可以导出。(6) Transp1 ABC-BCA换相元件1具有从相序ABC到BCA的换相功能。 Transp2 ABC-CAB换相元件2具有从相序ABC到CAB的换相功能。 Transp3 ABC-CBA换相元件3具有从相序ABC到CBA的换相功能。 Transp4 ABC-ACB 换相元件3具有从相序ABC到ACB的换相功能。(7) ABC reference若在电路中定义“maste

9、r” 点 的相序为ABC，则其它点都采用这个设置。(8) DEF reference若在电路中定义“master”点的相序为DEF，则其它点都采用这个设置。ABC和DEF参数组合可能出现在6相电路中。2.4.2 线性元件该菜单包括电阻、电容、电感等线性支路元件。下表给出了线性支路元件的名称、图标和简短描述。表2-1 线性元件在电路窗口中的元件图标上双击鼠标右键，显示“元件”对话框，在“属性” 页面中设置元件的数据参数和节点名称。“元件”对话框中有一个“帮助”按钮，点击该按钮可显示帮助文件，包括参数意义的描述，ATP Rule Book 相应章节的参考。图2-5(b)所示为普通的RLC开关的帮助

10、信息。图2-5(a) RLC支路元件的输入对话框图2-5(b) RLC支路元件的帮助信息 “元件”对话框的属性页面中，用户可在上方左边表格中设置数据参数，右边表格中设置节点名称。许多参数都有输入范围，把光标放在输入数据方框中，然后按Ctrl+F1可看到该参数的输入范围。若输入参数超出范围，当移动光标到别的输入框时，系统将显示错误信息提示框，点击OK按钮，关闭信息框，重新输入数据。2.4.3 非线性元件这个菜单的非线性元件如表2-2所示，除了TACS控制电阻器以外，其余元件都是非线性的。表22 非线性元件2.4.4 线路(1) 集中参数线路元件“集中参数线路元件”的下级菜单中有3种不同类型的线路

11、模型。所有的线路模型都是集中元件，与频率无关，见表2-3。RLC Pi-equiv.1线路模型是简单的，集中的，不对称型的等效模型，有类型1，2，3等；RL Coupled 51线路模型是简单的、集中的、不对称RL耦合的元件，有类型51，52，53等；RL Sym.51线路模型为三相对称的，可输入相序值，它是RL耦合线路模型的特殊应用。表23 集中参数的线路元件 (2) 线路分散元件“线路分散元件”的下级菜单有2种不同类型的线路模型可供选择。所有的线路模型都具有分布参数，与频率无关的特性。 1) Transp. lines -1该元件具有三相对称，分布参数和集中阻抗的特性（在ATP Rule-

12、Book中叫Clarke-type）。次级菜单有如下6种选项可供使用：表24 ATP中对称选项2) Untransposed lines (KCLee)非对称线路参数在ATPDraw外部产生。次级菜单有如下2种选项可供使用：表2-5 ATP中非对称线路选项(3) LCC使用该选项时必须首先选择导线的分裂数（19），具体如下表：表2-6 ATP中LCC选项(4) Read PCH file支持线路/电缆常数的ATP_LCC程序是一个完全独立的程序。在这个程序中，用户只需设定架空线或电缆的交叉部分和材料数据，程序就根据生成的ATP文件创建一个预编辑处理文件（PCH文件）。一般，ATPDraw能读这

13、些PCH文件，编译此文件，并根据Data Base Model程序的输出创建一个等价的.LIB文件。成功创建.LIB文件后，在电路窗口的中央出现LCC元件的图标。图2-6 编译对话框2.4.5 开关ATPDraw支持许多开关类型器件，如普通的时控或压控开关，用于建造二极管、电子管和可控硅开关模型的选项，以及统计/分类开关。下级菜单包括如下选项：表 2-7 ATP元件开关类型2.4.6 电源表2-8是“电源”下级菜单所包含的选项：表2-8 ATPDraw中的电源选项2.4.7 电机在ATPDraw中有2类电机：同步电机和通用电机。ATPDraw不支持平行或背靠背电机。所有的3相电机都是Y型连接。

14、表2-9 电机选项2.4.8 变压器它包括如下内容：表2-10 变压器选项在“元件”对话框的 “特性”页面中设定饱和变压器的非线性磁化特性。饱和变压器模型有一个如图2-2所示的输入窗口，在这个窗口中可指定饱和磁化支路。RMS标记表示非线性特性的形式。如果选中“元件”对话框的“属性”页面的Include characteristic选项，$Include框中引用的文件将被使用。这样就有3个可选择的输入格式： 流量/电流()（在输入窗口中，RMS标记等于0） （在输入窗口中，RMS标记等于1） 包含$Include中的参数如果RMS=1，在ATP文件中将自动计算“流量/电流”值。2.4.9 MOD

15、ELS除了标准元件以外，用户还能利用ATP中的MODELS仿真语言创建自己的模型。要创建自己的模型，需要有关MODELS语言的语法和基本结构的知识，具体见ATPdraw使用说明。2.4.10 TACS除了“Devices55-57”和“多线性Fortran”以外，其余的TACS在ATPDraw中都能使用。(1) Coupling to circuit表2-11 TACS的电路耦合(2) TACS电源表2-12 TACS电源(3) TACS传递函数表2-13 传递函数(4) TACS设备表2-14 TACS设备(5) Fortran表2-15 (a) 普通Fortran函数表2-15 (b) F

16、ortran 数学函数表2-15 (c) Fortran逻辑门2.4.11 用户自定元件“用户自定义元件”下级菜单有4个选项：(1) Library选择“库元件”插入预先确定的用户自定义对象LIB。它没有数据也没有节点。在电路中使用LIB，将在ATP文件的$Include声明中表现出来。用户需在include文件中留意内部节点的名称。在“元件”对话框的“用户自定义”选项中指定文件的名称和路径。(2) Ref. 1-ph选择Ref. 1-ph画出对象LIBREF_1，它是一个虚拟的不被写进ATP文件的对象。其目的是显示内部的.LIB库文件的连接关系，为单相元件。(3) Ref. 3-ph选择 R

17、ef. 3-ph将画对象LIBREF_3，它是一个虚拟的不被写进ATP文件的对象。其目的是显示内部的.LIB库文件的连接关系，为三相元件。(4) Files用户除了可以使用标准元件外，还可以自定义元件。要使用这个功能，用户需要有关的ATP数据模块化的知识。这一过程通常由下面2步组成： 用“对象”菜单中的“新建用户自定义元件”命令，创建一个新的.SUP文件。 创建一个包含元件描述的数据模块化的.LIB文件。2.4.12 频率元件该选项下的元件均与频率相关，包括以下内容：表2-16 频率元件选项3 六脉冲试验回路三相桥式全控整流电路的工作原理三相桥式相控整理电路如图3.1所示，仅在3个上管（T1、

18、T3、 T5）和3个下管（T4、T6、 T2）中上、下各有一个晶闸管处于通态时才能将某个线电压接通至负载，形成整流电压vD。晶闸管导通必须同时具备两个条件： 阳极-阴极之间外加正向电压 门极（控制极）与阴极之间被施加触发电流脉冲图3.1 三相桥式全控整流电路如果在图3.2(a)中在6个自然换向点1、2、3、4、5、6的wt=wt1、wt2、wt3、wt4、wt5、wt6时刻，对T1、T2、T3、T4、T5、T6施加触发脉冲，这时触发脉冲的起始时间就是自然换向点，延迟触发脚=0。从wt1开始a最正，T1承受正向电压，从wt1开始T1又被施加脉冲，在此之后的、时区共120期间，a电位最高，T1导通

19、；从wt2开始c最负，T2承受正向电压，从wt2开始T2又被施加脉冲，在此之后的、时区共120期间，c电位最负，T2导通。所以在第时区a相上管T1和c相下管T2同时导通，故整流电压d=ac，类似分析可得到其他5只开关管的通、断状态。如果6个晶闸管的施加触发脉冲的时刻都从各自然换向点wt1、wt2、wt3、wt4、wt5、wt6延迟一个控制角，例如=30，如图3.2(b)所示，那么在wt= wt1+时T1被触发之前的时区中，T5、T6已在导电，d=cb。从开始wt1，尽管a最正，但是延迟触发脚a=30时，在wt1到wt1+a (wt1+30)期间，T1未被触发而仍处于断态，因此T5、T6仍继续导

20、通，这是的整流电压仍为线电压cb而不是ac。图3.2 (a) 三相桥式全控整流电路=0时的波形图3.2 (b) 三相桥式全控整流电路=30时的波形六脉冲试验回路仿真模型的建立在ATP中建立的六脉冲试验回路，如图33所示，该试验回路由两部分组成：主电路以及阀控单元，虚线框中是主电路，剩余部分是控制回路。下面将简单介绍该试验回路中用到的部分ATP元件。图3.3 六脉冲试验回路及其控制回路仿真模型中部分ATP元件介绍在ATP可以通过TACS实现控制系统，TACS是Transient Analysis of Control Systems的缩写，意思是控制系统的暂态分析，它直接向用户提供那些一般模拟计

21、算机具有的模型，它是ATP的核心部分。TACS的功能象一台模拟计算机，加入了逻辑和代数处理后更加通用。TACS常用来模拟HVDC换流器、静补控制器以及与旋转电机相关的控制回路。(1) 内部信号源TACS信号源是一种信号发生器，它可以用作系统中其他块或者元件的输入。有一些信号源是内部的TACS信号源，当它们作为其他块或者元件的输入时，只需要像其他元件的输入量一样填入信号源的名字即可。下面以交流AC_02为例：节点：图3.4 内部信号源Output signal =参数：Ampl.幅值Freq.频率Hz Fi相位deg.T_sta、T_sto信号源的起始与结束时间(2) TACS控制开关图3.5

22、TACS控制开关以TACS控制的TAPE11中可控硅阀为例：节点：ANO阳极(+)CAT阴极(-)GRID栅极信号参数：Vig最小点火电压Ihold最小维持电流Tdeion去游离时间 图3.6 TAPE11可控硅阀的参数设定CLOSED(3) DEVICE58受控积分器图3.7 受控积分器DEVICE58节点：OUT输出信号IN1、IN2、IN3、IN4、IN5输入信号Contr.控制信号名Reset有名复位值参数：Type类型（88-Inside；98-Output；99-Input）（99：本组器件的输入量为TACS信号源或本组其它器件的输出值；98：本组器件的输出量仅可以做EMTP的接口

23、变量，但不能作其它块的输入，只能作为本组其它原件的输入；88：上述两组已为剩下的属于本组，只有当输入和输出要送到前面两组不允许连接的系统器件上时，才采用本组）Gain增益值D0、D1参数(4) DEVICE54脉冲传输延时器图3.8 脉冲传输延时器DEVICE54节点：OUT输出信号OUT(t)=sum(inputs)(t-delay-Delay)，其中delay为固定延时值；Delay为有名延时值（可选择）IN1、IN2、IN3、IN4、IN5输入信号Delay有名延时值参数：Type类型（88-Inside；98-Output；99-Input）delay固定延时值(s)T_on、T_of

24、f信号的初始值。仿真模型工作原理六脉冲试验回路仿真模型由主电路以及其控制电路组成。(1) 主电路主电路由以下几个部分构成：交流电源（TYPE14）；换流变压器采用三相饱和变压器（Saturable_ 3phase）；换流阀仅由TACS控制的TPYE11型开关和RLC构成的阻尼回路构成；负载由一个大电感（1H）与电阻串联而成。(2) 阀控单元控制电路由TACS元件构成，包括两个部分：单触发脉冲产生模块和双触发脉冲延时模块。在该仿真模型中，对于六脉冲桥的阀控采用按相比较的控制策略，晶闸管触发采用双触发方式。从系统的交流母线测量A、C两相电压，作为阀控系统的输入信号，并且以线电压UAC的起始点作为触发脉冲的基准点。将正弦波转换为对应的三角波，通过三角波与给定的触发角a信号进行比较产生单触发脉冲。单触发脉冲经过延时之后形成双脉冲，每隔600触发一次晶闸管阀，确保每个周期内每个阀导通1200。在ATP中建立的单脉冲产生模块主要采用TYPE58受控积分器来产生三角波，如图3.9所示。