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运行监控
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表格输出－稳态开关电流统计
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大型电力系统中电力电子和ＦＡＣＴＳ装置 仿真软件包ＥＭＴＰＥ的研究与开发
林集明、陈珍珍
中国电力科学研究院 ２００３．９
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１．研究背景
(1)电力电子技术包括直流输电(HVDC)和灵活 交流输电(FACTS)技术,在我国电力系统中发 挥越来越大的作用。 (2) 现有的仿真软件如EMTP、PSCAD (EMTDC)、 NETOMAC、 SABER、SPICE 、MATLAB等很难全面满足大型电力系统中 电力电子与FACTS 发展的要求
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(3)PMC模块在FACTS仿真中的应用
----关键技术之四(续2)
ＥＭＴＰＥ仿真： 天广ＴＣＳＣ阻 天广 抗阶跃控制 响应图
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３．５ 操作过电压下的闪络率计算模块
----关键技术之五
在操作过电压ｕ作用下，单个绝缘的闪络率为：
（１）发现现有ＥＭＴＰｓ在电力电子仿真中出现 问题的主要原因之二
Ø 在模拟大型电力电子器件电路中，出现不
应有的时延
如有Ｎ个电力电子开关在动作上互为因果关 系，如开关Ｓ１动作导致Ｓ２动作… … ； 而在时间 上，这Ｎ个开关是同时动作的。 ＥＭＴＰｓ 中，它们在动作上存在 （Ｎ－１）？△ｔ （步长）时延，这对于电力电子仿真是不可接受的 。
３．８．１可控串联补偿电容器（ＴＣＳＣ）仿真
(1)TCSC主电路示意
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（２）ＴＣＳＣ阻抗调节特性仿真
伊冯 TCSC阻抗均匀 调节特性比较 调节 1— 命令容抗； 2 — 闭环控制容抗； 3— 开环控制容抗
伊冯ＴＣＳＣ阻抗阶跃 响应特性比较 响应
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3.4 研发FACTS仿真中的相量测量及控制模块
----关键技术之四
(1) 相量测量及控制模块(PMC)在FACTS仿 真中的作用
FACTS 主要控制电力系统相量 :电压电流基波 有效值及相位、基波阻抗、有功及无功功率等 均为基波相量或相量的运算结果，但EMTPs只 能给出离散的瞬时值，难以满足FACTS 仿真要 求。
----关键技术之二
（１）发现现有EMTPs在电力电子仿真中出 现问题的主要原因
Ø 无法近似模拟电力电子电路中出现冲激
函数
当电力电子器件关断电感电路或对电容 器突然充电，均可能出现类似于冲激函数的 情况。
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冲激函数定义
δ (t − t 0 ) 定义为： 对于 t = t0 时刻的单位冲激函数 单位
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2.研究目的 研发出功能强大的、大型电力系统 中电力电子和FACTS装置电磁暂态仿 真软件包EMTPE (ElectroMagnetic Transient & Power Electronics)
由国家自然科学基金会和原国家电力公司资助
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EMTPE应具备下列的功能
⑴能模拟各种电力电子器件的控制特性； ⑵能模拟大型电力系统网络中各种常规元件； √ ⑶具有准确、稳定的电力电子电磁暂态计算功能； ⑷满足ＦＡＣＴＳ仿真要求的相量测量及控制模块； ⑸适用于中文的视窗化工作平台和图形界面； ⑹能进行各种电力电子及ＦＡＣＴＳ装置的数字仿真
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普通晶闸管(EMTP有)
Ø 开发出大量全控型电力电子器件
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（２） 新增的全控型电力电子器件模型
----关键技术之三(续1)
（１） 可关断晶闸管（ＧＴＯ） （２） Ｐ沟道ＭＯＳ控制晶闸管（ＰＭＣＴ） （３） Ｎ沟道ＭＯＳ控制晶闸管（ＮＭＣＴ） （４） 静电感应晶闸管（ＳＩＴＨ） （５） 集成门极换向关断晶闸管（ＩＧＣＴ） （６） 大功率开关晶体管（ＧＴＲ） （７） 功率场效应管（ＰＭＯＳ） （８） 绝缘门极双极晶体管（ＩＧＢＴ） （９） 静电感应晶体管（ＳＩＴ） （１０） ＭＯＳ关断晶闸管（ＭＴＯ） （１１） 发射极关断晶闸管（ＥＴＯ）
∞ ∫− ∞ δ (t − t0 ) dt = 1 (当t ≠ t0 ) δ (t − t0 ) = 0
当 t = t0 ， d(t − t0 ) → ∞ 冲激函数是从实际 中抽象出来的理论化信号 模型。能否足够精确地模 拟冲激函数，对电力电子 装置的仿真是非常重要的
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(1) 四重化三相桥STATCOM 结构— 之一
总结构示意图
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曲折变压器示意图
(2)四重化三相桥STATCOM 结构 — 之二
GTO组成的四重化三相二电平逆变器 接线图
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－－－－ 关键技术之五（续）
（１）采用ＥＭＴＰＥ随机仿真计算出的实际过电压概率 分布密度 g (u ) 计算闪络率 (2) 采用极数 计算绝缘放电的累计概率
F ( u ) = F (t ) = 1 2π
F (u)
∫
t
−∞
e
−
t2 2
dt
采用级数取代数值积分，减少小概率下误差：
1 1 F (u ) = F (t ) = + 2 2π (−1) k t 2 k +1 ∑ 2 k ⋅ (2k + 1) ⋅ k! k =0
(3)新老算法比较 --算例 2
(续1)
电容器电流 iC 的仿真结果（ ICDA-OFF, SRP-OFF）
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(3)新老算法比较
--算例 2
(续2)
电容器电流 iC 的仿真结果（ ICDA-ON, SRP-ON）
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(3)新老算法比较 --算例 1
ｉＤ１ 、ＶＴ１ 仿真结果 使用方法 : SRP-ON ICDA-ON
(续4)
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(3)新老算法比较
--算例 2
t = 0.005s 时，GTO S1断开 —V34 —> 1 V 时，电压控制开关 S2 闭合
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3.2 计算方法研究小结
----关键技术之二
小
结
对比计算表明，在许多电力电子仿真中， 只有同时采用ＩＣＤＡ 及 ＳＲＰ 法才能得到正确 的结果。
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3. 3电力电子开关器件模型的开发
----关键技术之三
(1) EMTPE中的电力电子器件模型
Ø 二极管 (EMTP有) Ø 半控型电力电子器件 :
∞
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３．６ 研发可视化工作平台和图形界面
－－－－ 关键技术之六
Ø Ø
采用可视化面向对象新技术和新方法； 开发适合中文Ｗｉｎｄｏｗｓ版的工作平台和图形接口与 分析软件； 提供了多任务、多窗口、多方式、多功能的人机界 面和操作环境； 集输入数据编辑、仿真计算、运行监控、结果处理 、图形输出与分析等多种功能于一体，方便用户使 用。 是本项目中工作量最大的二部份之一
3.关键技术
3.1 在常规元件方面, 采用EMTP (public domain) 的技术
Ø 利用其强大的电力系统常规元件仿真能力,减少
不必要的重复,保证研究工作的高起点
Ø 着重解决电力电子仿真中的关键问题，提高电力
电子仿真能力
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3.2 进行电力电子仿真计算方法研究
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3.2电力电子仿真计算方法研究
----关键技术之二（续）
(2)提出适用于电力电子仿真的新算法
Ø
提出改进的数值临界阻尼法(ICDA)解决冲 激函数的仿真问题。 提出同步响应法(SRP)解决电子开关响应中 的时延间题。 新算法不仅适用于电力电子也适用于常 规元件的电磁暂态仿真
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３．８形成大型电力系统中ＦＡＣＴＳ及电力电子 装置的数字仿真模型
－－－ 关键技术之七（续）
Ø Ø Ø Ø
可控串补TCSC 静止无功发生器 STATCOM 统一潮流控制器 UPFC 高压直流输电HVDC等
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(3)新老算法比较 --算例 1
ｉＤ１ 、ＶＴ１ 仿真结果 使用方法 : SRP-OFF ICDA-ON
(续2)
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(3)新老算法比较 --算例 1
ｉＤ１ 、ＶＴ１ 仿真结果 使用方法 : SRP-ON ICDA-OFF
(续3)
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