PSCAD中电力电子开关的性能

7. 6-Pulse Bridge（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：
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：
举例： 根据图 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。
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；
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。 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:

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Fra Baidu bibliotek征的是一 12 脉波 TSC/TCR 静止无功补偿系统。此模型中包括了 SVC 系
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。
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。
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 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。
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 t＝2 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。
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。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。
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 （1.2＋∆t）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。
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（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:
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 50μs， 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。
5. Transistor
其模型与 GTO 和 IGBT 一样。
6. Interpolation 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 60Hz 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。
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 5000Ω、电容 0.05μF。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。
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。
2. Diode（二极管）
二极管的导通和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 V－I 特性曲线如下所示：
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“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。