1、第 卷第期年月电力电子技术，基于电力电子变压器控制器仿真测试研究裴星宇朱龙臻，陈建福，高仕龙（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东珠海；广东电网有限责任公司直流配用电研宄中心，广东珠海；许继电气 股份 有限 公司，河南许昌）摘要：为了克服高压大容量应用 需求与 电力电子器件耐压通流能力低之间的矛盾，电力电子变压器通常采用数量较多的模块化变换器在不同端口以串并联方式组合，来匹配电压和容量 要求。高电压应用场景以及多数量功率模块拓 扑 结构，给电力电子变压器控制器的功 能测试带来了极 大压力，若 控制算法存在漏洞，极易造成一次设备损坏，安全隐 患较 大。为 解 决上述问题，此处基于实时数 字 仿
2、真（）系统设 计了多种电力电子变压器控制器测试方案，并选 取了其中一种较为简便的测试方 案，搭 建了控制器硬件 在环仿真平台对控制器的控制功 能进行仿真 测试，仿 真 结果验证了所提仿真测试 方 法的可行性和有效性。关键词：电力电子变压器；实 时 数 字仿真系统；控制器中图分类号：文献 标识码：文章编 号：（），（，）：，？，（），？，？：；：，（）类似于交流变压器对 交 流系 统的作用，电力电子变压器作为 不同电压等级直流母线互联必要环节，承担了电压变换 与功率枢纽的重要 作用，在能量路由器、柔性变电站、新能源直流汇集系统和直流输配电网络等高压大容量 应用场 景中扮演着重要角色。基金项目：南
3、方电网公司科技项目（）定 稿日期：作者简介：裴星宇（），男，高级工程师，研究方向 为智能电网、直流配用电技术。引言目前，对于电力电子变压器，学者们多专注于其功率 模块（模 块化变换器）拓扑结构和控制策略的理论研宄，通过选择合适的功率 模块拓扑 和控制方法，降低 设 备 损耗、提高设备效 率、降低设备成本以及拓宽应用范围。然而，对于电力电子变压器控制器功能验证方法的研宄却不多，往往通过搭 建实 际物理试验平台或者基于现场环境，但是上述功 能验证方法存在以下问题：高压大 容量试验器材选型难度大、运行 环境条 件要求严格、投资高，试验环境 建 设周期长；设备功率模块数目多，控制 算法设计出现漏洞易造
4、成连锁反应，导致一次设备损坏，存在 较 大安 全隐患吒鉴于上述原因，基于系统设计了多种电力电子变压器控制器测试方案，具有试验环境 建设周期短、风险可控性强、关键电气量观测录波能力基于电 力 电子变压器控制器仿真测试研究强等优势，并选取了其中一种较为简便的测试 方案，搭建了电力电子变压器控制器硬件在环仿 真平台对 控制 器的控制功能进行仿 真测试，仿真结果验证了所提仿 真测试方法的可行性和有效性。控制器测试方 案设计与 平台搭建电力 电子变压器系统 简介以双向两电平谐振型电力电子变压器为 例，对电力电子变压器系统进行简单介绍，系统 结构示意图如图所示，分为一次回路系统 和二次控制保护系统 两个部
5、 分。一次回路系统主要包含双向两电平谐振型功率模块、限流电感、高低压侧接触器、软启电阻以及电压、电流测量元件等一次设备，是电能 变换和功率 传输的硬件载 体；二次 控制保护系统主要包含电力电子变压器控制器以及 监控后台，用于控制设备实现各 项 基 本 功能。电 力子变压器。）变？拕器一父胃息？！后台椁 拟开入、功 率模块功率 模 块？量开出交互 信 息交互信 息高压侧卜本厂厂功 率 模块厂厂：圆功率模 块图电力 电子 直 流变压 器系统结构示意图电力电子变压器控制器作为整个系统的“大脑”，包含多种类型控制板 卡，如电源板、主控板、模拟 量采集 板、开入开出板、接口板。其中，电源板主要功能 是外
6、接电源后为控制器内其他板 卡正常运行提供所需要的电源；主控板主要 功能 为与其他 控制板卡通信进行数据交互与汇总，执行设备控制保护逻辑和算法；模拟量采集 板主要功能 为完成电气量采集及模 数转换；开入开出板主要功能 为向接触 器、断路器、隔离开关等下发控制命令并监测其开合状态；接口板主要功 能为下发 功率模 块 控制命令与监测其运行状 态。整个控制器对外通过 光纤或以太网连接远端监控后台，接收控制命 令、上传电力电子变压器的运行状态及设 备状况；对内与设 备本体所有的电压、电流测量元件通 过电气信号进行连接，采 集设 备电压、电流信息，与 所 有的功率模 块控制 单元通过光纤 连接通信，实现功
7、 率 模块控制与状态监测；功能上实现电力电子变压器的主要控制模式及一些辅助控制、保护控制等功 能。因此，电力电子变压器控制器的功能验证工作尤为重要。测试方案是实时数字仿真系统的简称，是一款能够实时进行电力系统暂态仿真的计算机系统，特色 在于电力系 统的运算法则 能被计算得足够快，可以持续地产生输出，这些输出结果真 实地代表了实际网络中的情形，因此能被直接地 连接到电气设备控制和保护装置上，用于对控保装置的调试和测试，使 得所开发的关键技术得到切实有 效的验证。根据第节的介绍可知，电力电子变压器 系统主要包含一次回路系统和二次控制保护系统。工作站作为用户接口，包含丰富电力系统元件，可实现一次系统
8、的图形化建模，满足一次系统的建 模需求，因此电力电子变压器一次回路系统可在环境下搭建为了平台能 与电气设备控制保护装置直接连接并进行数据交互，开 发了多种 不同类型接口板卡和通信接口，如 数字量输入接口板卡（）、数字量输出接口板卡（）、模拟量输出接口板卡（）、通信协议接口和通信协 议 接口。参考图所示的电力电子直流变压器系统结构，借助平台相关资源，根据控制器内控制板卡测试覆盖程度不同，设计了控制 板卡全接入、控 制 板 卡部分 接入和单主控板接入种 不同的接入测试方案，不同接入测试方案示意图如图所示。不同接入测试 方案硬件配置需求如表所示，其中括号内板卡为选配板卡，按需配置后剩余缺少板 卡可由
9、平台进行模 拟，相 关 数据通过通信接口进行 交互。上述电力电子变压器控制器的不同接入测试方案各 有优劣，控制 板卡全接入测试 方案优点为可以实现控制器内全控制板卡功 能验证，缺点为测试方案 所需硬件资源较多；控制板卡部分接入测试方案优点为测试方案所需硬件资源适中，缺点为只能实现控制器内部 分控制板 卡功能验证；单主控板接入测试方案优点为测试方案所需硬件较少，缺点为只能实现主控板功能验证。电力电子变压器控制器内主控板是实现设备控 制 保护逻辑和算法的关键执行环节，主控芯片内软件 代码将直接影响设备运行特性好坏，同时其 功能测试必须配合一次系统方可进行，而其 余 控制板卡通过 单板测试便能实现功
10、能验证。第卷第期年月电力 电子技术 ，除此之外，考虑 单主控板接入测试方案 所需硬件资源最 少，测试平台搭建简便，因此此 处选取 单主控板接入测试方案 开 展后续验证工作。电力 电子 变压器（）控制板卡部分接入电力电子变压器（）单 主控 板接入图不同接入测试方 案 示意图 表测试 方案硬件配置需 求 ；硬件需求控制板卡全接入控制板卡部分接入单主控板接入电源 板、主控板、电源板、主控板、控制器模拟量采集板、（模拟量采集板、开电源板、开入、开出板、接入、开出板、接口主控板口板板）平台机箱、机箱、，（，机箱）测试平台测试平台搭建工作 主要为在环 境下搭建设备一次回路仿真模型，以及通信数据合并与解析
11、模型。在一次主回路建 模 时，考虑功 率 模块开关频率较高，为了满 足 仿 真 精度要 求 功 率 模块内元件需使小步长元 件库提供的模型进行建 模，而限流电感、接触器、软启电阻 等可使用常规元件库提 供的模型进行建模，功 率模块仿 真模型见图。通信 数据合 并 与 解析模型有两 种重要 作用，一种为将需要上传给控制器的电气量、开关量和状态量 进行数据重构，满足通信 协议和通信 规约要 求；另一种为 将控制器下发的控制命 令数据，解 析 成相应的控制指令，实现一次回路中接触器和电力电子开 关器件的控制，通信数据合 并与解析模型如图所 示。图功率模块仿 真 模型（信 数据解析模 型图通信数 据合
12、并 与解 析模 型 仿真验证启动仿 真电力电子变压器两端均接入有源网络时工作在电流源模式，可实现两个网络间潮流转移与互济。以电力电子 变压器工作在电流源模式为例介绍设 备启动流程：闭合低压 侧软启接触器；低压侧母线电容 充电完成后，闭合低压侧主接触器；低压侧桥移 相启动；高压侧母 线电容充电完成后，封 锁低压侧桥驱动脉冲；低压侧桥与高压侧桥同步 移相启动；使能功 率 模块高压侧 电流环 节执行软并网策 略；启动完成。设备启动流 程示意图见图。利用测试平台对控制器进行启动功能测试，设备启动过程仿 真 录波 见图，仿 真波形 从上到下依次为设 备高 压侧端口电压。？、功率模 块高压侧电容电压、功
13、率模块低压侧电容电压。、设 备 高压 侧直流电流，以及控制信号，控制信号 从上至下依次 为高压侧软启接触器分 合命令、高压侧主接基于电力电子变压器控制器仿真测试研究 图设备稳 态仿真录 波 停 机 仿真电力电子变压器工作在电流源模式 时 停机流程为：设备传输功 率朝 零 功率 方向控制；待设备传输功率降低至允许 停机功率 值后，封锁电力电子 开关器件驱动 脉冲；跳 开设备 两 侧接触器；停机完 成。设 备 停机流程意图如图所不。触器分合命令、低压侧软启接 触器分合命令、低压侧主接触器分合命令、功率模块桥 移相启动命令和高 压侧半 桥控制使能命 令。从仿 真 录波可见，电力电子变压器控制器 可以
14、按照预设的控制逻辑实现设备启动，同时启动 过程电压、电流等电气量变化平稳无较大冲击，符合预 期目标。低压侧母 线图设备启动流程示意图 三￥之，图设备启动过 程仿 真录波 稳态 仿真电力电子变压器控制器工作 在电流源模式，将其功率 指 令 值由反向满功率设置为正向满功率，设备稳 态仿真录波如图所示。可以看出，电力电子 变压器 可以根据控制器指令值改变调整自身传 输功率，且功率调 整过程中电压、电流等电气量变 化平稳无较大冲 击，符合预期目标。图设备停机流程示意图 利用 测试平台对控制器进行 停机功 能 测试，设 备 停机过程仿真录波如图所示。从仿真录波可以看出，电力电子变压器控制器可以按照预设的
15、停机逻辑先降低设 备传输功 率至零附近，再闭锁功率模块并跳开接触器，整个停机过程电压、电流等电气量变化平稳 无较大 冲击，符合预期目标。！图设备停机过程 仿真 录波 结论针对电力电子变压器控制器通过搭建 实际物理试验平台或 者基于现场环境存在测试环境建设周期长、风险可控性差 等问题，研究了基于的控制器硬件在环仿真 测试 方法，并开展了控制器硬件在环 仿真工作。仿真结果表明电力电子变压器控制器 可以实现设 备平 滑启停与功率调控，验证了该 控制器的控制功能开发以及测试方法的正确性和 有 效性，对电力 电子类装置的开发、调试环节 具有一定的参考价值。参考文献刘贝，涂春鸣，肖凡，等中低压直流变压器拓 扑 与控制综述电力自动 化设备，（）：杨 晓峰，郑琼林，林智钦，等用 于直流电 网 的大容量变换器研究综述电网技 术，（）：赵彪，安峰，宋强，等双有源桥式直流变压器发展与应用中国电机工程学报 ；徐彪，臧欣，欧阳帆，等基于实时数字仿真系统的小电流接地选线 装置性能测试湖 南电 力，（）：，李志勇，王伟，庄良文，等基 于小步长仿 真的配电 网行波选线装置动 模试验研宄电 力 系统 保护与控制，（）：？：、，
