PSCAD中电力电子开关的性能.docx

1、PSCAD中电力电子开关的性能一、 关于输出电气量标么化的问题：Outputchanel中的单位栏中，选择pu对输出的是否为标么值没有影响，这里填写单位pu只能在图中显示出单位为pu单位，没有进行标么值的转化过程。若想取得标么值输出，有两个方法：方法一，在Outputchanel中的Scale Factor中填入所需转化的标么值的基准值倒数，因为这一因子是乘以输出结果，所得到的就是标么值输出了。方法二，采用multimeter组件，这一组件可以对输出的电压和有功功率取标么值，前提填写了对应的基准值。建议在使用过程中注意标么值的使用范围。目前已知发电机参数中，填写的是以自身容量为基准的标么值。在

2、将实际系统参数转化为仿真参数的时候需注意这一问题。二、 RMS两种输出格式的差别：RMS电压有两种输出格式，即模拟化和数字化，模拟化输出曲线叠加的有波纹，适合于对变化速度要求快的场合。而数字化输出的曲线没有波纹，输出很平滑，适合于控制环节使用。两者各有用途。以下开始分析PSCAD中电力电子元件的分析：1. Power Electronic Switch（电力电子器件）电力电子开关可以实现四种器件功能：二极管、晶闸管、GTO和IGBT。本组件代表了两状态电阻性开关并联一个可选的RC缓冲环节，如下所示：晶闸管、GTO和IGBT模型需要输入门极触发脉冲，可用于高频开关和脉宽调制电力电子电路中。可使用

3、“插值点的触发脉冲”组件实现插值触发脉冲。在仿真中，尤其是电压源转换或其它FACTS设备中，必须注意观测到的损耗是符合实际的。 在自换相的导通和关断（包括正向强制导通）期间，为了计算开关动作的确切时刻，自动采用了插值算法。但是要注意的是，使用门极信号的设备导通和关断时除非在输入参数中选择了“插值”，则不会自动采用插值算法。缓冲环节与电力电子器件并联，主要作用是缓解电压或电流的陡变，保护电力电子器件，其中电容和电阻的数值默认的为电阻5000、电容0.05F。缓冲器RC时间常数应反映于仿真的时间步长中，若RC时间常数小于仿真的时间步长，则RC可以不取任何值。2. Diode（二极管）二极管的导通和

4、关断状态由它两端电压和流经的电流所决定。正向电压、正向电流时导通。 二极管固有导通电阻很小和关断电阻很大。当其正向偏置且正向电压超过了输入参数“Forward Voltage Drop”时二极管导通。电流过零时二极管关断，直到再次偏置之前一直保持关断。 二极管的VI特性曲线如下所示： 为了计算器件动作的准确时刻，导通和关断事件都采用了插值算法。因此，导通发生在正向电压正好达到“Forward Voltage Drop”的时刻，而关断发生在电流正好到零的时刻。注意：反向恢复时间（即在关断后，恢复到允许一定的反向电流流过器件的时间）。如果导通电阻为零或小于开关阈值，则器件的导通状态就被视为理想短路

5、。3. Thyristor（晶闸管）晶闸管通常由门极收触发后保持导通，而根据器件自身的电压和电流情况决定何时关断。为了产生门极触发脉冲，需要外部的控制信号晶闸管导通电阻很小，关断电阻很大。其状态会在以下情况下发生改变：1. 器件两端的正向偏置电压大于或等于输入参数“Forward Voltage Drop”，且门极信号从0变为1。2. 器件两端的正向偏置电压大于或等于输入参数“Forward Voltage Drop”，且门极信号预置为1（即触发角为0，作为二极管使用）3. 正向偏置电压大于或等于输入参数“Forward Break-Over Voltage”。4. 关断时刻在器件电流的过零点

6、（电压反向，电流未反向时，晶闸管还保持导通；电压正向，而电流反向时，晶闸管关断）。晶闸管的V-I特性如下所示: 在自换相的导通和关断（包括正向强制导通）期间，为了计算开关动作的确切时刻，自动采用了插值算法。但需要注意的是，是否插值计算到来的门极信号，用户有选择权。 本组件还模拟了息弧时间。因此，输入参数“Minimum Extinction Time”所定义的时间还未过去，而正向偏置电压又大于了输入参数“Forward Voltage Drop”，则晶闸管会重新导通。即使没有门极触发信号，这种情况也会发生。注意：二极管的反向恢复时间（即在关断后，恢复到允许一定的反向电流流过器件的时间）假定为零

7、。如果导通电阻为零或小于开关阈值，则器件的导通状态就被视为理想短路。4. GTO/IGBT GTO和IGBT模型本质上相同。GTO/IGBT通常由门极触发导通和关断。为了产生门极触发脉冲需要有外部的控制信号。 GTO/IGBT的特性与晶闸管非常相似，除了GTO/IGBT能在门极脉冲为0时关断器件，而不管器件是否受到了正向偏置电压。 GTO/IGBT模型的VI特性如下所示： 在自换相的导通和关断（包括正向强制导通）期间，为了计算开关动作的确切时刻，自动采用了插值算法。但需要注意的是，是否插值计算到来的门极信号，用户有选择权。5. Transistor其模型与GTO和IGBT一样。6. Inter

8、polation and Switching（插值和器件动作） 在指定的时间段内，电力网络的暂态仿真是一系列离散间隔（时间步长）网络方程的求解。EMTDC是固定时长的暂态仿真程序，因此仿真之前一旦选定就保持不变。 由于时间步长固定，网络事件如故障或晶闸管动作可能发生在这些离散时间点之中（如果不是刻意修正的话）。这就意味着如果器件动作处于时间步长间隔中的话，只有等到下一时间步长时程序才能体现出此事件。这一现象将导致不精确和不期望的器件动作延迟。在很多情况下，像断路器跳闸，一个事件步长的延迟（即50ms）不会造成什么后果。但是在电力电子电路仿真中，这样的延迟会导非常不精确的结果（即50ms在60H

9、z时大约为1电角度）。削减此延迟的一个方法是缩短时间步长，然而，这样会增加计算时间的开销，而且不一定能够给出精确的结果。另外一个办法就是采用变时间步长解法，如果发现了器件动作事件，程序将把事件步长分割为更小的步长。然而，这无法克服器件开合感性和容性电路时，由于电流和电压的微分所造成的伪电压和电流尖峰问题。 如果事件发生在时间步长内的话，EMTDC使用插值算法来寻找事件发生的确切时刻。这么做比缩短时间步长的方法结果更精确、计算速度更快，并且允许EMTDC在更大的事件步长下精确地模拟任何动作事件， 计算机理解释如下：1. 每一开关设备在被DSDYN子程序调用时，都自动将其动作标准加入到下拉列表中。

10、主程序在时间步长的终点求解电压和电流，而在时间步长的起点储存开关设备的状态。这些设备可通过直接定义时间点或电压、电流的变化水平来指定一个开关动作事件。2. 主程序确定动作的开关设备，标准基于它的开关条件率先得到满足，然后于动作的时间点处在此设备所处的子系统中插值所有的电压和电流。对应的支路合或断，需要对导纳矩阵重新进行三角分解。3. 然后，EMTDC求解全部已有变量，自插值点向前前进一个时间步长，求解所有节点电压。有必要再检查所有设备是否又出现了插入的开关动作，直至原始时间步长结束。4. 如果没有更多的开关事件，则进行最终的插值计算然后返回原始的时间步长序列。以上步骤可用下图表述:举例：根据图

11、4-2所示，让我们考虑二极管导通，在电流过零时将关断。当DSDYN在t=1调用二极管子程序时，由于电流为正，所以没有发生开关动作。如果没有采用插值（或EMTDC关闭了插值功能），在t=2时得到相应解。此时，二极管子程序发现其自身电流为负，在随之的t=3时将器件关断。由此，二极管中这一过程中允许流过了反向电流。 EMTDC采用插值算法，当DSDYN在t=1调用二极管子程序时，由于电流为正器件处于导通状态。然而由于此支路可关断，其位于主程序中的相应列表中，列表中列出的支路需要检查其电流是否过零，如果过零则在时间步长的终点前切断此支路。 主程序在t=2处生成解，但是它还检查列表是否满足插值条件。由于

12、在t=2二极管电流解为负，主程序将计算电流的实际过零点。主程序还将插值计算此时间点处的所有电压和电流（即t=1.2），然后将二极管关断。 假设在此时间步长内没有更多的开关动作，主程序就计算出t=1.2和2.2（1.2t）时的电压，然后退回t=2处计算相应的电压，并将仿真重新设置回整数间隔的时间步长上。 注意：尽管二极管在t=1.2处关断，调用DSDYN和DSOUT仍仅在t=1, 2和3处，二极管中不会再出现反向电流。 主程序调用DSOUT，因此在t2处可以将电压和电流输出。然后在t=2调用DSDYN，而在t=3继续正常的求解。 在上述过程中进行的同时还有另一事件发生：在开关动作的同时程序会自动

13、设定一个颤振移除标志。只要无中断的半个时间步长插值完成后就清除这一标志（意思是指这半个时间步长内没有器件动作）。在上述例子中，这就意味着还要在t=1.7处进行插值（即1.2和2.2的中点处），在t=2.7处进行求解，然后像之前那样由最终的插值点返回求t=2.0时的解。 为了避免在一个时间步长内有过多的开关动作，还要将时间前进至少0.01%的步长然后求解。另外，任何两个（或多个）设备的开关动作间隔时间小于0.01%步长的话，就视为同时发生。 以一个简单的HVDC系统为例说明插值的应用，这里仿真时间步长为50s，对于整流侧常数alpha定值给出对应的不同测量值，如图4-4(a)和(b)所示。采用插

14、值算法的alpha测量值只有0.001的波动，而没有采用插值算法的触发结果的波动大于1。如此大的触发角波动（1或更大）会产生非特性谐波，从而阻止了对触发角的精细调节。在上述两个例子中，EMTDC自动地将晶闸管关断插入到其电流过零点处。 在以下情况时应用插值是有利的： 具有大量快速切换设备的电路； 带有浪涌避雷器的电路与电力电子设备连接； HVDC系统与易发生次同步谐振的同步机相联； 使用小信号波动法分析AC/DC系统，这时精细的触发角控制是必须的； 使用GTO与反向晶闸管构成的强制换相换流器； PWM电路和STATCOM系统； 分析具有电力电子设备的开环传递函数； 7. 6-Pulse Bri

15、dge（6脉波桥）6脉波桥模块如图所示，其有三相图和单相图两种显示方式。这一组件简洁地表征了直流变换器，其包括了一个6脉波格雷兹变换桥（可做整流器也可作逆变器）、一个内部的锁相震荡器、触发和阀闭锁控制、触发角和息弧角的测量。内部的每一个晶闸管也包含了RC缓冲器环节。6脉波桥主要有以下的外部输入和输出变量： ComBus：为内部锁相振荡器提供输入信号，此输入端通过Node Loop组件与换相母线相联。 AO：为变化器输入触发角 KB：输入闭锁或解锁控制信号 AM：触发角的测量值输出 GM：息弧角的测量值输出8. Static VAR Compensator（静止无功补偿器）这一组件表征的是一12

16、脉波TSC/TCR静止无功补偿系统。此模型中包括了SVC系统的变压器，其一次侧为星形接线、二次侧为三角形接线。用户可以选择SVC吸收无功（感性运行）和发出无功（容性运行）的限制，也即TSC容量段的数目。每一相等的容量段的额定容量由总的限制容量除以容量段的数目而得到。静止无功补偿器包括以下外部的输入和输出变量： CSW：电容器投切信号，1表示投入一组电容，-1表示切除一组电容。 AO：Alpha的定值，只有在选择了Firing Pulses From: | Internal PLO才有效。 KB：闭锁和解锁信号，0表示闭锁TCR，1表示解锁。 FPD：三角形连接的TCR的触发数组（6个元素），只

17、有在选择了Firing Pulses From: | External才有效。 FPS：星形连接的TCR的触发数组（6个元素），只有在选择了Firing Pulses From: | External才有效。 NCT：输出TSC投入的电容器组数目。 ICP：栓锁电容器投切信号CSW，在所有的投切过程结束后将CSW信号置为零。9. Interpolated Firing Pulses（插值点的触发脉冲）这一组件返回一个二元数组，包括触发脉冲和晶闸管、IGBTs和GTOs插值导通关断时刻所必须的插值时间标签。第一个元素信号为0或1，表示实际的门极控制信号。第二个元素为插值的时刻。组件的输出是基于输

18、入信号H和L的比较得出的。L通常是触发角定值，H则来自于锁相振荡器或者与之等同的环节（将触发角定值与电压信号的实时相位即锁相环节的输出相比较，当时间步长前进到t与tt之间有器件动作，也即触发角定值位于这两点之间时，就运用插值算法进行计算，并输出触发信号。否则就输出0）。 如图所示thetaY1是锁相器的输出信号，在于order1触发角定值信号比较后，决定出了触发信号gy1的触发时刻。同样地，gy1的关断信号也是如此得出得，不过依赖于此组件的OFF部分。此组件可以为以下元件生成定时的触发脉冲。 单个GTO/IGBT； 6脉波GTO/IGBT桥； 单个晶闸管； 6脉波晶闸管桥。需要注意的是，若使用

19、的是GTO或IGBT，则此组件还提供了对OFF信号的输入信号比较。10. Generic Current Control（通用的电流控制）直流输电仿真这一组件模拟了通用的电流或极控制。在实际的HVDC系统中，这一组件的两个输入电流定值和息弧角期望值可由系统的保护性需求诸如“依赖于电流限制的电压”所处理生成。然而电流控制仍是直流连接运行的一个重要特性，这是因为阀限制了过电流能力。电流定值限制要确保换流器电流保持在安全的运行水平上。通常对于某极上的每一阀组，电流控制器都提供一个触发角的期望值。于是，电流控制器也可称之为“极控制器”。输入到电流控制器的电流定值由某些额外的控制、保护和限制条件所调节，

20、以确保稳态和暂态的功率控制和系统保护。 此模型实现两种功能。第一，借由电流定值（CO）和电流测量值（CD）之间的误差，通过比例积分控制器生成alpha定值。第二，生成息弧角（gamma）的误差信号（DGE），在电流测量值小于电流定值时，它能增大gamma的期望值。电流定值可由一些其它控制包括“依赖电流限制的电压”输入给极控制器，而电流期望值可由“主功率控制”而来。HVDC电流测量值通常取自于极中的平波电抗器或者与阀组串联的某直流支路，取出的电流在此组件中进行控制。直流传感器往往都有一个响应时间，可能是延迟时间或者是滞后函数也或者是两者的结合，其时间常数一般取0.55.0ms。另外，还需用滤波器

21、滤除基波外的谐波，如6次或12次谐波。电流边界（CM）输入参数通常是固定值。换流器在正常运行工况下控制电流时，CM取0。如果正常运行工况下换流器没有控制电流，则需对逆变器设置CM为正值（大约为0.1pu），对整流器设置CM为负值（大约为-0.1pu）以强制换流器建立起直流电压。两端或多端直流连接配置中的某一换流器都以这种方式决定电压，而对其它换流器施以零电流边界的电流控制。电流边界的作用是修正电流定值，从而换流器控制直流电流以适应不同的传输水平，而不是试图以电流控制换流器达到这一目标。强制换流阀的触发角期望值置于alpha允许的最大值上，结果是阀组控制器的gamma控制替代了触发角定值控制。此

22、时的gamma等于换流阀所能达到的最小gamma定值上。若息弧角（gamma）控制激活的话，则不能再对换流器进行电流控制。在整流器中，负的电流边界会强制触发角置于最小值上，以使得其丧失对电流的控制能力。输入参数“电流误差的斜率”控制了电流误差控制的增益。如果此值为零，则DGE为零。对整流器来说DGE取零值是正常的。另外整流器中gamma控制是不激活的，则DGE会取一较小的值。通用电流控制组件的外部输入变量如下： CD：直流电流响应（恒为正），单位p.u.； CO：直流电流定值（恒为正），单位p.u.； DA：alpha期望值，单位rad; DGE：dleta gamma的误差，单位rad。11

23、. Generic Gamma Control（通用的gamma控制）直流输电仿真这一组件模拟了通用的息弧角（gamma）控制。当换流器反向运行时，如果息弧角过小的话会引起换相失败。通过对息弧角gamma进行控制以避免出现这一情况。此控制器的输入是6脉波或12脉波换流器的gamma测量值。为了避免换相失败，在通用的gamma控制组件中对gamma测量值进行处理，包括以下内容： 修正gamma测量值使其等于基波交流信号上一周期观测到的最小值。 如果gamma测量值变化剧烈，则启动暂态的控制过程，或者交流波形出现畸变。在这种情况下，gamma期望值会增加几度。gamma控制器的输出是触发角期望定值

24、（AO），将其与由每极的电流控制器得到的触发角期望值进行对比。触发角的实际定值选择这两个相比中的最小的。对逆变器而言，当alpha定值增加到对应的gamma定值小于其gamma期望值时，将转为gamma控制。 Gamma期望值也可以由“极控制器”的电流误差控制来修正。输入参数是delta gamma的误差（DGE）。稳态情况下它是零，正常情况下不会启动去修正gamma期望值。 标么直流电流的测量值CD用于探查直流电流的异常增加，如果此时阀组运行于逆变器状态则有可能导致换相失败。如果伴随着直流电流的增加gamma的定值没有有效增加则CD可能为零。相似地，如果换流器运行于整流器状态，则gamma控

25、制无效，且CD为0.0。此时只有在直流电流的暂态增量超出输入参数定义的电流增量水平的情况下，gamma控制才是有效的。选定的电流增量水平需足够确保gamma控制不会对正常的直流电流波动有响应。通用gamma控制组件的外部输入和输出如下所示： DA：alpha期望值，单位rad； DGE：delta gamma的误差，单位rad； G：阀组的gamma测量值，单位rad； CD：直流电流测量值（恒正），单位p.u.； AO：输出给阀的alpha定值，单位rad。12. Voltage Dependent Current Limits（依赖于电流限制的电压） 本组件返回一个电压依赖性电流限制，对它

26、有两种初始化方法，一是在直流电压测量值跌落于定值以下时触发计数器，二是通过延迟函数。究竟采用何种方法，取决于输入参数“Delay or Lag Function”。 大多数直流输电系统必须将以下情况的影响最小化，包括大电流抽出、注入功率因数低的交流系统。对于短路比低的换流器，交流电压将会崩溃。电压依赖性电流限制主要用于直流连接，防止设备在此情况下运行过长时间。识别出崩溃的直流电压后，将每一组换流阀的电流控制器定值减小到极限，即0.20.5pu。有两种电压依赖性电流限制函数，延迟或滞后函数。它们之间有轻微的不同。为了避免电压依赖性电流限制运行于颤振状态或者频繁的投入/切除，输入参数“Volts

27、for Applying Limit (Von)”的幅值必须小于“Volts for Removing Limit (Voff)”。在讨论同一极性的直流线路电压测量值时，输入Von和Voff也是必要的。如果负极电压可靠测量值为负值时，Von和Voff也必须为负值。在输入参数Von到Voff两个电压水平的过渡上，有两种模式可供选择。它们分别是滞后特性，或者直线斜率特性。选择那种主要取决于输入参数“Hysterisis”和“Straight Line”。这一组件在大多数电压依赖性电流限制应用中有效。经常用于整流器和逆变器上。应用中需必须注意协调两端换流器特性使得电压能够恢复。举个例子如果说，逆变器

28、的特性是企图控制比整流器所产生的更大的电流，则直流连接可能锁定在逆变器触发角限值最小值上而不能恢复。更为复杂的电压依赖性电流限制可以通过此组件的串联得到。电压依赖性电流限制组件有以下外部输入和输出: VD：直流侧测量电压（负极取负值），单位kV； CI：电流定值（恒正），单位p.u.； CO：电流定值输出（恒正），单位p.u.。13. Minimum Gamma Measurement（gamma的最小测量值）此组件测量输入的gamma信号，输出上一完整基波周期中的gamma最小值。输出每隔30电角度（即1/12周期）更新一次，因此此组件的输出就是过去12个30时间段中的最小值。它的最大输出是

29、。14. CCCM Controller for Rectifier（整流器的联合协调控制器） 本组件模拟了采用联合协调控制方法（Combined Coordinated Control Method, CCCM）的直流系统电压依赖电压定值的特性。CCCM对每一处直流站的直流电流和直流电压进行联合和协调控制。15. CCCM Contoller for Inverter（逆变器的联合协调控制器） 本组件模拟了采用联合协调控制方法（Combined Coordinated Control Method, CCCM）的直流系统电压依赖电压定值的特性。CCCM对每一处直流站的直流电流和直流电压进行联

30、合和协调控制。 整流器和逆变器的联合协调控制器组件都模拟了采用两河协调控制方法的直流系统电压依赖电压定值的特性。CCCM对每一处直流站的直流电流和直流电压进行联合和协调控制。向CCCM控制器中加入一些特殊的代数函数，以协调输入和生成直流电压定值（整流器侧，逆变器侧）和直流电流定值（整流器侧，逆变器侧）。以上框图中的字母和下标的含义如下：“U”代表直流电压，“I”代表直流电流，“P”代表直流功率。下标“o”代表定值，下标“d”代表测量值。所有信号都以直流额定基准电压、电流和功率取了标么值。下标“r”和“i”分别指的是信号的位置位于整流器侧和逆变器侧。Gamma（）是息弧角，而，其中的指的是触发角

31、。直流电压和电流的定值由一些特殊的代数函数所生成，再与它们的测量值进行比较，得到的误差值输入给PI控制器，在每一处直流站点，PI控制器都可以独立生成触发角定值。需要注意的是上图中与CCCM控制器相联的PI控制器并不包含在CCCM组件中，需要用户单独添加。运用CCCM控制器的关键整流器实质上是作为功率控制器运行，而逆变器则是作为电阻控制器在运行。电压依赖性电流定值限制（VDCOL）环节也可以植入到CCCM控制器组件的那些特殊代数函数中，结果换流器的特性如下图说是。CCCM控制方法的特性对薄弱网架非常有益，此类网络不仅为了稳定性需要快速的功率恢复，还要求在采用息弧角控制时可以更高效。比例积分控制器的增益和时间常数必须在大信号扰动下进行参数优化。这可以通过试验或者多路运算特性找到最好的定值。需要注意的是Manitoba HVDC研究中心有限公司没有对外宣布CCCM控制方法模型的有效性和准确性。可将它作为兴趣和培训所用。16. Effective Gamma Measurement（有效的gamma测量值）本组件可以计算6脉波逆变器的有效gamma。所谓的有效gamma是指电压刚过零的阀的gamma角。本组件包括以下外部输入和输出： VV（6）：晶闸管电压的6元素测