一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统及方法与流程

本发明属于电力系统柔性直流输电，尤其涉及一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统及方法。

背景技术：

1、新能源发电系统经模块化多电平换流器型高压直流(modular multilevelconverter high voltage direct current,mmc-hvdc)输电系统联网送出，如大规模风电场经直流外送故障穿越场景，交流故障穿越期间对风电场影响较大，理论上有两种方法可解决此问题：一种是向风电机组发送指令使其迅速降低输出功率，另一种是使用耗能电阻来耗散盈余功率。第一种方法存在诸多问题，而基于动态耗能系统(dynamic brakingsystem,dbs)的交流故障穿越策略技术优势比较明显，其原理简单，动作迅速，设备数量少，总体设备投资和占地都大大减小，耗能性能良好，尤其是直流耗能装置可以布置在陆上换流站，由此海上平台可节省大量宝贵空间，且能够降低交流故障穿越期间对风电场的影响。

2、对于海上风电柔直送出系统，当陆上换流站所接入的交流电网故障时，在故障隔离或消除之前，因海上风电能量外送受阻，会导致直流输电系统过电压，影响设备安全运行，严重时将导致双端柔直换流站闭锁停机，甚至设备损坏。为防止上述情况导致系统停机，保证故障隔离或消除之后快速恢复供电，采用dbs耗能回路来消耗交流电网故障期间风电送出的部分功率，从而限制直流电压升高幅度，保证设备安全可靠运行，待故障消除后，快速恢复供电。当前，一般采用实时数字仿真系统(real time digital simulator，rtds)对dbs进行半实物测试；虽然能够准确地模拟实际电力电子级联设备的外特性和控制性能，但是，内部阀控制模型缺少可控充电过程，无法模拟柔直换流阀可控充电过程与dbs充电过程间的相互作用，导致模拟效果不理想。

3、由此可见，现有的模拟措施，由于内部阀控制模型缺少可控充电过程，无法模拟柔直换流阀可控充电过程与dbs充电过程间的相互作用，导致模拟效果不理想。

技术实现思路

1、本发明提供了一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统及方法，以解决现有的模拟措施，由于内部阀控制模型缺少可控充电过程，无法模拟柔直换流阀可控充电过程与dbs充电过程间的相互作用，导致模拟效果不理想的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术内容：

3、一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，包括：

4、阀控样机，所述阀控样机采用真实物理样机，用于对换流站中功率子模块进行控制；

5、至少两端换流站，各端换流站由实时数字仿真系统模拟构建，其中一端换流站与所述阀控样机相连；其余端换流站分别与对应的换流控保系统相连，所有换流控保系统均由实时数字仿真系统模拟构建；各端换流站的终端分别连接交流系统和新能源发电系统；

6、dbs及dbs控保系统，所述dbs及dbs控保系统由实时数字仿真系统模拟构建；各端换流站并联连接至所述dbs及dbs控保系统，用于通过直流转换开关接入模拟受端系统；

7、所述阀控样机能够对与其相连的换流站进行分时控制，从而配合换流站的启动、充电和切换过程，以实现直流耗能装置半实物测试环境的模拟。

8、进一步地，与所述阀控样机相连的换流站还连接有控保样机。

9、进一步地，各端换流站全部采用mmc-hvdc系统。

10、进一步地，所述实时数字仿真系统包括多个fpga单元；当所述模拟系统采用n端mmc-hvdc系统时，则采用5(n-1)+3个fpga单元实现n端换流站及对应换流控保系统的模拟构建。

11、进一步地，所述新能源发电系统采用海上风电系统。

12、进一步地，各端换流站的终端通过变压系统分别连接交流系统和新能源发电系统；其中，所述变压系统包括依次相连的隔离变压器和调压变压器。

13、进一步地，所述dbs及dbs控保系统中的dbs仿真模型由fpga单元采用substep建模方式构建得到；所述dbs及dbs控保系统中的dbs控保系统配置有直流转换开关，能够随着换流站切换过程实现等效位置改变。

14、一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统的运行方法，基于上述一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，包括如下步骤：

15、s1：启动与阀控样机相连的第一端换流站，通过第一交流系统为第一端换流站连带dbs进行交流充电，并由第一端换流站形成第一稳定直流电压；

16、s2：根据第一端换流站的第一相关参数设定第二端换流站的第二相关参数，启动第二端换流站，由第一端换流站形成第二稳定直流电压；

17、s3：待第二端换流站运行稳定后，闭锁并切换第一端换流站，使得第一端换流站作为新能源发电系统的系统侧运行，同时实现第一端换流站与第二端换流站的等效运行；

18、s4：重复s2和s3，将其余端换流站依次并网至模拟系统，并在模拟系统对dbs进行动态测试。

19、进一步地，所述第一稳定直流电压与所述第二稳定直流电压的压差不大于0.002pu。

20、进一步地，所述通过第一交流系统为第一端换流站连带dbs进行交流充电，具体包括对dbs进行不控充电和可控充电过程。

21、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

22、本发明提供了一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，本模拟系统包括阀控样机和实时数字仿真系统，实时数字仿真系统负责模拟测试环境中的至少两端换流站及对应的换流控保系统、dbs及dbs控保系统；阀控样机采用真实物理样机，负责对与其相连的换流站进行分时控制，从而配合换流站的启动、充电和切换过程，以实现直流耗能装置半实物测试环境的模拟；本模拟系统仅采用一端为真实物理样机的阀控样机，通过交流和直流转换开关改变系统拓扑，完成两端乃至多端换流站启动过程的模拟，构建出可用的dbs半实物测试环境，采用本系统能够有效模拟柔直换流阀可控充电过程与dbs充电过程间的相互作用，为测试提供了高精度仿真条件，提升了模拟效果，缩短了dbs控保设备研发周期。

23、优选地，本发明中，在与阀控样机相连的换流站上增加了控保系统，可采用与阀控样机独立设置的控保样机，也可以采用控保样机与阀控样机集成于一体的控保系统；控保系统的设置增强了模拟系统的安全性和稳定性；控保系统能够在换流站运行过程中进行实时监控和保护，确保测试过程的顺利进行。

24、优选地，本发明中，采用mmc-hvdc(模块化多电平换流器高压直流输电)系统作为各端换流站的技术方案，提高了换流站的效率和可靠性；mmc-hvdc系统具有波形质量好、谐波含量低、易于扩展和模块化的优点，适用于高压直流输电领域。

25、优选地，本发明中，通过配置多个fpga(现场可编程门阵列)单元来实现n端mmc-hvdc系统的模拟构建，提高了系统的灵活性和可扩展性。fpga单元能够高速并行处理复杂算法，确保仿真系统的实时性和准确性。

26、优选地，本发明中，将新能源发电系统设定为海上风电系统，使得测试环境更加贴近实际应用场景，海上风电系统作为直流输电系统的重要负载之一，其特性和运行状态对直流输电系统的性能有着重要影响。

27、优选地，本发明中，通过在各端换流站的终端与交流系统和新能源发电系统之间设置变压系统，具体包括隔离变压器和调压变压器，实现了电压的灵活转换和调节。这有助于确保系统在不同工况下的稳定运行，并提高系统的适应性。

28、优选地，本发明中，dbs及dbs控保系统中的dbs仿真模型由fpga单元采用substep建模方式构建得到，提高了模型的精度和实时性；同时，dbs控保系统配置有直流转换开关，能够随着换流站切换过程实现等效位置改变，增强了系统的灵活性和可靠性。

29、本发明还提供了一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统的运行方法，基于上述直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，本运行方法能够有效模拟换流站的启动、充电和切换功能，通过逐步启动和切换换流站的方式，以及保证换流站直流电压等效运行的方式，实现了对直流耗能装置及其控保系统的全面测试；本方法具有操作简便、测试效果好的优点，能够有效评估直流耗能装置的性能和可靠性。

30、优选地，本发明中，将第一稳定直流电压与第二稳定直流电压的压差控制在不大于0.002pu，确保了换流站在切换过程中的电压稳定性，这样有助于减少电压波动对系统的影响，提高系统的稳定性和可靠性。

31、优选地，本发明中，第一交流系统为第一端换流站连带dbs进行交流充电的具体过程包括不控充电和可控充电阶段，这一过程有助于确保dbs在启动前处于安全状态，并在充电过程中逐步建立稳定的直流电压，为后续的测试工作奠定基础。

技术特征：

1.一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，其特征在于，与所述阀控样机相连的换流站还连接有控保样机。

3.根据权利要求1所述的一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，其特征在于，各端换流站全部采用mmc-hvdc系统。

4.根据权利要求3所述的一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，其特征在于，所述实时数字仿真系统包括多个fpga单元；当所述模拟系统采用n端mmc-hvdc系统时，则采用5(n-1)+3个fpga单元实现n端换流站及对应换流控保系统的模拟构建。

5.根据权利要求1所述的一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，其特征在于，所述新能源发电系统采用海上风电系统。

6.根据权利要求1所述的一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，其特征在于，各端换流站的终端通过变压系统分别连接交流系统和新能源发电系统；其中，所述变压系统包括依次相连的隔离变压器和调压变压器。

7.根据权利要求1所述的一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，其特征在于，所述dbs及dbs控保系统中的dbs仿真模型由fpga单元采用substep建模方式构建得到；所述dbs及dbs控保系统中的dbs控保系统配置有直流转换开关，能够随着换流站切换过程实现等效位置改变。

8.一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统的运行方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统的运行方法，其特征在于，所述第一稳定直流电压与所述第二稳定直流电压的压差不大于0.002pu。

10.根据权利要求8所述的一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统的运行方法，其特征在于，所述通过第一交流系统为第一端换流站连带dbs进行交流充电，具体包括对dbs进行不控充电和可控充电过程。

技术总结
本发明公开了一种直流耗能装置半实物测试环境模拟系统及方法，包括阀控样机和实时数字仿真系统，实时数字仿真系统负责模拟测试环境中的至少两端换流站及对应的换流控保系统、DBS及DBS控保系统；阀控样机采用真实物理样机，负责对与其相连的换流站进行分时控制，从而配合换流站的启动、充电和切换过程，以实现直流耗能装置半实物测试环境的模拟；本模拟系统仅采用一端为真实物理样机的阀控样机，通过交流和直流转换开关改变系统拓扑，完成两端乃至多端换流站启动过程的模拟，构建出可用的DBS半实物测试环境，能够有效模拟柔直换流阀可控充电过程与DBS充电过程间的相互作用，为测试提供了高精度仿真条件，提升了模拟效果，缩短了DBS控保设备研发周期。

技术研发人员：翟党国,任军辉,刘大鹏,李颖,王文萃
受保护的技术使用者：西安西电电力系统有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5