缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台

1.本发明涉及电力电子化电力系统建模技术领域，具体是涉及一种缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台。


背景技术：

2.缆系海底观测网是海洋资源开发、海洋国防建设的“国之重器”，是全球海洋科学勘探技术发展的前沿和制高点。与恒流海底观测网相比，恒压海底观测网因其系统扩展性强、功率转换效率高的优势，逐渐成为各国的主流建设方向。海底恒压观测网的研究和建设尚处于起步阶段，因此有必要发明一种准确可靠的缆系恒压海底观测网供电系统仿真实验平台。
3.目前海底观测网供电系统仿真实验平台所采用的技术手段比较单一，仿真实验平台内部各模块的设计不够详细准确、各模块与实际工程的参数结构也存在出入。具体来说，例如，cn201810471797公开了一种缆系海底观测网电力系统实验平台，该实验平台用若干个π型等值电路来代表海底观测网中的供电海缆，而实际上供电直流海缆的频变特性明显，若采用π型等值电路则无法精确反映故障场景下直流海缆的电磁暂态特性；另外，该实验平台的岸基电源和海底接驳盒的建模比较简单，未详细给出换流模块和相应的控制策略，故而存在无法模拟岸基电源控制过程的技术问题。曾祥君等人也提出了一种基于多端故障行波时差的观测网故障定位方法，用于仿真验证该方法的实验平台未对观测网分支单元进行准确建模，未记及分支单元内稳压二极管的行波畸变效应，从而使得该故障定位方法精度存在较大误差。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台，能够准确、可靠地仿真模拟缆系恒压海底观测网供电系统正常运行状态和故障时的电磁暂态过程。
5.本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台，包括岸基站电力模型和输配电模型，岸基站电力模型和输配电模型连接，输配电模型由主干光电复合海缆等效模型、分支单元模型、分支光电复合海缆等效模型、海底接驳盒电力模型、负载模型依次连接而成，岸基站电力模型和输配电模型的连接方式为下述方式中任一种；
6.第一种方式：岸基站电力模型有一个，输配电模型有三条，分别为第一输配电模型、第二输配电模型、第三输配电模型，第一输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于岸基站电力模型的输出接口，第二输配电模型、第三输配电模型共用同一个由主干光电复合海缆等效模型、分支单元模型依次连接而成的拓扑结构；第二输配电模型、第三输配电模型共用的主干光电复合海缆等效模型连接于第一输配电模型的分支单元模型上；
7.第二种方式：岸基站电力模型有两个，分别为第一岸基站电力模型、第二岸基站电
力模型，输配电模型有两条，分别为第一输配电模型、第二输配电模型，第一输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第一岸基站电力模型的输出接口，第二输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第二岸基站电力模型的输出接口，第一输配电模型的分支单元模型通过主干光电复合海缆等效模型与第二输配电模型的分支单元模型相连；
8.第三种方式：岸基站电力模型有两个，分别为第一岸基站电力模型、第二岸基站电力模型，输配电模型有四条，分别为第一输配电模型、第二输配电模型、第三输配电模型、第四输配电模型，第一输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第一岸基站电力模型的输出接口，第二输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第二岸基站电力模型的输出接口，第三输配电模型、第四输配电模型共用同一个由分支单元模型、分支光电复合海缆等效模型、海底接驳盒电力模型和负载模型依次连接而成的拓扑结构，共用的分支单元模型分别连接于第三输配电模型、第四输配电模型的主干光电复合海缆等效模型上，第三输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第一输配电模型的分支单元模型上，第四输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第二输配电模型的分支单元模型上。
9.进一步，所述岸基站电力模型由三相交流电源、换流变压器、输入保护电路、输入电压电流检测电路、全桥型模块化多电平换流器、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成；所述三相交流电源用于表示陆地市电；所述换流变压器用于将低压交流电变换为全桥型模块化多电平换流器可利用的高压交流电；所述输入电压电流检测电路用于检测陆地市电提供的输入电压电流；所述输入保护电路通过输入电压电流检测电路检测的电压值来判断是否存在过压或欠压现象；所述全桥型模块化多电平换流器用于将陆地市电提供的工频交流电能变换为所需的高压直流电能；所述输出电压电流检测电路用于检测全桥型模块化多电平换流器的输出电压电流；所述输出保护电路通过输出电压电流检测电路检测的电压值来判断是否存在过压或欠压现象。
10.进一步，所述岸基站电力模型接地方式采用换流变压器
△
/yn接线，输出侧采用单极负极性输电方式。
11.进一步，所述主干光电复合海缆等效模型及分支光电复合海缆等效模型包括由里到外的缆芯真空层、缆芯导体层、内绝缘层、导电层和外绝缘层。
12.进一步，所述分支单元模型包括第一控制单元、第一取电单元、第一测量单元、第二控制单元、第二取电单元、第二测量单元、第三测量单元、第四测量单元，第一继电器开关、第二继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关；第一控制单元与第一取电单元相连，第一取电单元与第一测量单元相连，第二控制单元与第二取电单元相连，第二取电单元与第二测量单元相连，第一测量单元与第二测量单元通过并列布置的第一继电开关、第二继电开关连接，第一测量单元与并列布置的第一继电开关、第二继电开关间引出左支路，第三测量单元、第三继电器开关依次连接于左支路上，第二测量单元与并列布置的第一继电开关、第二继电开关间引出右支路，第四测量单元、第四继电器开关次连接于右支路上；第一取电单元连接于一条输配电模型的主干光电复合海缆等效模型上，第三继电器开关与第四继电器开关接于同一条输配电模型的分支光电复合海缆等效模型上，第二取电单元连接于另一条输配电模型的主干光电复合海缆等效模型上。
13.进一步，所述第一继电开关、第二继电开关的触点b和第三继电开关的触点a连接在一起，第一继电开关、第二继电开关的触点a和第四继电开关的触点a连接在一起，第三继
电开关的触点b和第四继电开关的触点b连接在一起。
14.进一步，所述第一取电单元、第二取电单元均包括两组反并联二极管和桥式整流电路，一组反并联二极管与另一组反并联二极管反向串联，桥式整流电路的一个输入端连接于一组反并联二极管一端，另一个输入端连接于另一组反并联二极管一端；第一控制单元、第二控制单元均包括滤波电路和控制器，控制器与滤波电路相连，滤波电路与桥式整流电路的输出端连接。
15.进一步，所述海底接驳盒电力模型由输入保护电路、输入电压电流检测电路、基于模块堆叠的同步整流变换器、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成；所述输入电压电流检测电路用于检测基于模块堆叠的同步整流变换器的输入电压电流；所述输入保护电路通过输入电压电流检测电路检测的电压值来判断是否存在过压或欠压现象；所述输出电压电流检测电路用于检测基于模块堆叠的同步整流变换器的输出电压电流；所述输出保护电路通过输出电压电流检测电路检测的电压值来判断是否存在过压或欠压现象。
16.进一步，所述基于模块堆叠的同步整流变换器由n个低压小功率dc/dc隔离变换模块以输入级串联、输出级并联的方式堆叠组成，n个低压小功率dc/dc隔离变换模块共用一个输入滤波电路。
17.进一步，所述基于模块堆叠的同步整流变换器采用基于峰值电流控制的单一控制策略。
18.与现有技术相比，本发明的优点如下：
19.本发明岸基站电力模型和海底接驳盒电力模型内部换流模块详细，控制策略清晰，分支单元采用新型的电力电子拓扑结构，光电复合海缆等效模型精确，输配电方式符合海底供电的实际工程情况；能够准确、可靠地仿真模拟缆系恒压海底观测网供电系统正常运行状态和故障时的电磁暂态过程，从而能够为海底电缆观测网供电系统的安全稳定分析、保护策略和复杂暂态特性学科方向的研究奠定良好的基础。
附图说明
20.图1是本发明实施例1的结构示意图。
21.图2是图1所示实施例的岸基站电力模型的结构示意图。
22.图3是图1所示实施例的全桥型模块化多电平换流器的结构示意图。
23.图4是图1所示实施例的主干光电复合海缆等效模型及分支光电复合海缆等效模型的结构示意图。
24.图5是图1所示实施例的分支单元模型的结构示意图。
25.图6是图1所示实施例的控制单元及取电单元的结构示意图。
26.图7是图1所示实施例的海底接驳盒电力模型的结构示意图。
27.图8是图1所示实施例的基于模块堆叠的同步整流变换器的结构示意图。
28.图9是本发明实施例2的结构示意图。
29.图10是本发明实施例3的结构示意图。
30.图11是本发明实施例3岸基站电力模型输出电压u
dc
、输出电流i
dc
的仿真示意图。
31.图12是本发明实施例3分支单元模型测量单元测量电压u
br
、u
bi
、u
sp
的仿真示意图。
32.图13是本发明实施例3分支单元模型测量单元测量电流i
br
、i
bi
、i
sp
的仿真示意图。
33.图14是本发明实施例3海底接驳盒电力模型输入电压u
jb
、输出电压u
jb-o
的仿真示意图。
34.图中，21—缆芯真空层，22—缆芯导体层，23—内绝缘层，24—导电层，25—外绝缘层。
具体实施方式
35.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
36.实施例1
37.参照图1，本实施例缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台为单端链式拓扑结构，包括岸基站电力模型和输配电模型，岸基站电力模型和输配电模型连接，其中：输配电模型由主干光电复合海缆等效模型、分支单元模型、分支光电复合海缆等效模型、海底接驳盒电力模型、负载模型依次连接而成，岸基站电力模型和输配电模型的连接方式为：岸基站电力模型有一个，输配电模型有三条，分别为第一输配电模型、第二输配电模型、第三输配电模型，第一输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于岸基站电力模型的输出接口，第二输配电模型、第三输配电模型共用同一个由主干光电复合海缆等效模型、分支单元模型依次连接而成的拓扑结构；第二输配电模型、第三输配电模型共用的主干光电复合海缆等效模型连接于第一输配电模型的分支单元模型上。
38.参照图2，岸基站电力模型由三相交流电源、换流变压器、输入保护电路、输入电压电流检测电路、全桥型模块化多电平换流器、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成。三相交流电源用于表示陆地市电，其中三相交流电源额定输出电压为u_ac；换流变压器用于将低压交流电变换为全桥型模块化多电平换流器可利用的高压交流电，其中换流变压器变比为tf_ra；输入电压电流检测电路用于检测陆地市电提供的输入电压电流；输入保护电路通过输入电压电流检测电路检测的电压值来判断是否存在过压或欠压现象；全桥型模块化多电平换流器用于将陆地市电提供的工频交流电能变换为所需的高压直流电能，其中全桥型模块化多电平换流器额定直流电压为u_mmc，额定容量为s_mmc；输出电压电流检测电路用于检测全桥型模块化多电平换流器的输出电压电流；输出保护电路通过输出电压电流检测电路检测的电压值来判断是否存在过压或欠压现象。全桥型模块化多电平换流器的具体结构如图3所示。
39.岸基站电力模型接地方式采用换流变压器
△
/yn接线，输出侧采用单极负极性输电方式；该结构符合观测网供电实际工程的输配电方式。岸基站电力模型中全桥型模块化多电平换流器采用直流电流控制策略。全桥型模块化多电平换流器具有器件一致触发的动态均压要求低、输出电压波形品质高等诸多优点，采用直流电流控制策略能实现有功、无功功率控制及内环电流解耦。
40.参照图4，主干光电复合海缆等效模型及分支光电复合海缆等效模型包括由里到外的缆芯真空层21、缆芯导体层22、内绝缘层23、导电层24和外绝缘层25，其中，缆芯真空层21、缆芯导体层22、内绝缘层23、导电层24、外绝缘层25的半径分别为r_cv、r_cc、r_ii、r_c、r_io，缆芯导体层22、导电层24的电阻率分别为r_cc、r_c，缆芯导体层22、内绝缘层23、导电层24、外绝缘层25的相对磁导率分别为p_cc、p_ii、p_c、p_io，光电复合海缆等效模型用于模拟光电复合海缆的电气量运行工况。
41.岸基站电力模型与分支单元模型间的主干光电复合海缆等效模型，分支单元模型与分支单元模型间的主干光电复合海缆等效模型为光电复合海缆-主缆，分支单元模型与海底接驳盒电力模型间的分支光电复合海缆等效模型为光电复合海缆-支缆。各条光电复合海缆-主缆的长度相同，均为l_bb；各条光电复合海缆-支缆的长度相同，均为l_spur。
42.参照图5，分支单元模型包括第一控制单元、第一取电单元、第一测量单元、第二控制单元、第二取电单元、第二测量单元、第三测量单元、第四测量单元，第一继电器开关prn.1、第二继电器开关prn.2、第三继电器开关prn.3、第四继电器开关prn.4，第一控制单元与第一取电单元相连，第一取电单元与第一测量单元相连，第二控制单元与第二取电单元相连，第二取电单元与第二测量单元相连，第一测量单元与第二测量单元通过并列布置的第一继电开关prn.1、第二继电开关prn.2连接，第一测量单元与并列布置的第一继电开关prn.1、第二继电开关prn.2间引出左支路，第三测量单元、第三继电器开关prn.3依次连接于左支路上，第二测量单元与并列布置的第一继电开关prn.1、第二继电开关prn.2间引出右支路，第四测量单元、第四继电器开关prn.4次连接于右支路上；第一取电单元连接于一条输配电模型的主干光电复合海缆等效模型上，第三继电器开关prn.3与第四继电器开关prn.4接于同一条输配电模型的分支光电复合海缆等效模型上，第二取电单元连接于另一条输配电模型的主干光电复合海缆等效模型上。
43.第一继电开关pr n.1、第二继电开关pr n.2的触点b和第三继电开关pr n.3的触点a连接在一起，第一继电开关pr n.1、第二继电开关pr n.2的触点a和第四继电开关pr n.4的触点a连接在一起，第三继电开关pr n.3的触点b和第四继电开关pr n.4的触点b连接在一起。
44.第一取电单元用于给第一控制单元供电，第二取电单元用于给第二控制单元供电，各控制单元通过程序控制各继电开关的闭合或断开来连接或断开各分支单元模型所连的主干光电复合海缆等效模型或分支光电复合海缆等效模型，可以用于改变海底观测网拓扑结构、实现线路故障时切断故障支路。
45.第一控制单元控制第一继电器开关prn.1、第二继电器开关prn.2、第三继电器开关prn.3的闭合和断开，第二控制单元控制第一继电器开关prn.1、第二继电器开关prn.2、第四继电器开关prn.4的闭合和断开，比如，左边故障，第一控制单元控制第一继电器开关prn.1、第二继电器开关prn.2、第三继电器开关prn.3断开，右边连接支缆运行；右边故障，第二控制单元控制第一继电器开关prn.1、第二继电器开关prn.2、第四继电器开关prn.4断开，左边连接支缆运行；支缆故障，第一控制单元控制第三继电器开关prn.3断开，第二控制单元控制第四继电器开关prn.4断开。
46.第一继电器开关prn.1、第二继电器开关prn.2、第三继电器开关prn.3、第四继电器开关prn.4均为真空电磁型继电器，启动前均处于断开状态。
47.参照图6，第一取电单元、第二取电单元均包括两组反并联二极管和桥式整流电路，一组反并联二极管与另一组反并联二极管反向串联，桥式整流电路的一个输入端连接于一组反并联二极管一端，另一个输入端连接于另一组反并联二极管一端；第一控制单元、第二控制单元均包括滤波电路和控制器，控制器与滤波电路相连，滤波电路与桥式整流电路的输出端连接，桥式整流电路的输出经过滤波电路处理后再给控制器供电。
48.参照图7，海底接驳盒电力模型由输入保护电路、输入电压电流检测电路、基于模
块堆叠的同步整流变换器、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成，输入电压电流检测电路用于检测基于模块堆叠的同步整流变换器的输入电压电流；输入保护电路通过输入电压电流检测电路检测的电压值来判断是否存在过压或欠压现象；输出电压电流检测电路用于检测基于模块堆叠的同步整流变换器的输出电压电流；输出保护电路通过输出电压电流检测电路检测的电压值来判断是否存在过压或欠压现象。
49.其中，基于模块堆叠的同步整流变换器额定容量为s_src；参照图8，基于模块堆叠的同步整流变换器由n个低压小功率dc/dc隔离变换模块以输入级串联、输出级并联的方式堆叠组成，n个低压小功率dc/dc隔离变换模块共用一个输入滤波电路；本实施例中n为5，低压小功率dc/dc隔离变换模块由2个双管正激换流器在输入端串联、输出端并联组成，共用同一输出滤波电路。海底接驳盒电力模型中采用基于模块堆叠的同步整流变换器，基于峰值电流控制提供同步pwm信号，各低压小功率双管正激换流器受同步信号驱动，实现自然均流、均压。
50.海底接驳盒电力模型中基于模块堆叠的同步整流变换器采用基于峰值电流控制的单一控制策略。
51.负载模型为恒阻抗模型，用于模拟以海底科学观测仪器为代表的海底用电负荷。
52.输入电压电流检测电路的电气量检测单元、输出电压电流检测电路的电气量检测单元、分支单元的测量单元中的电压检测、电流检测分别采用霍尔电压传感器、霍尔电流传感器。
53.实施例2
54.参照图9，本实施例缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台为双端环形两节点拓扑结构，与实施例1的区别仅在于：岸基站电力模型和输配电模型的连接方式为：岸基站电力模型有两个，分别为第一岸基站电力模型、第二岸基站电力模型，输配电模型有两条，分别为第一输配电模型、第二输配电模型，第一输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第一岸基站电力模型的输出接口，第二输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第二岸基站电力模型的输出接口，第一输配电模型的分支单元模型通过主干光电复合海缆等效模型与第二输配电模型的分支单元模型相连。其余同实施例1。
55.实施例3
56.参照图10，本实施例缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台为双端环形三节点拓扑结构，与实施例1的区别仅在于：岸基站电力模型和输配电模型的连接方式为：岸基站电力模型有两个，分别为第一岸基站电力模型、第二岸基站电力模型，输配电模型有四条，分别为第一输配电模型、第二输配电模型、第三输配电模型、第四输配电模型，第一输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第一岸基站电力模型的输出接口，第二输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第二岸基站电力模型的输出接口，第三输配电模型、第四输配电模型共用同一个由分支单元模型、分支光电复合海缆等效模型、海底接驳盒电力模型和负载模型依次连接而成的拓扑结构，共用的分支单元模型分别连接于第三输配电模型、第四输配电模型的主干光电复合海缆等效模型上，第三输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第一输配电模型的分支单元模型上，第四输配电模型的主干光电复合海缆等效模型连接于第二输配电模型的分支单元模型上。其余同实施例1。
57.本发明以实施例3的缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台进行试
验，按实施例3的双端环形三节点拓扑结构搭建缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台。调整岸基站电力模型、主干光电复合海缆等效模型、分支光电复合海缆等效模型、海底接驳盒电力模型、负载模型的具体参数，以达到“岸基站电力模型输出电压、输出电流分别达到额定值ur、ir，且输出电流波动率小于3％、输出电压波动率小于5％”的目标。
58.在pscad/emtdc软件搭建该仿真实验平台，并给出仿真实验录波以验证本发明所示仿真实验平台的正确性。
59.在pscad/emtdc软件上搭建本发明实施例3中缆系恒压海底观测网供电系统电磁暂态仿真实验平台，其中，海底观测网供电系统关键参数、光电复合海缆等效模型的频变参数模型参数分别如表1、表2所示。
60.表1海底观测网供电系统关键参数
[0061][0062][0063]
表2.光电复合海缆等效模型的频变参数模型参数
[0064]
参数符号数值缆芯真空层半径r_cv1.145mm缆芯导体层半径r_cc2.560mm内绝缘层半径r_ii8.510mm导电层半径r_c9.120mm外绝缘层半径r_io9.900mm缆芯导体层电阻率r_cc6.4e-5
ω
·
mm导电层电阻率r_c2.2e-4
ω
·
mm缆芯导体层相对磁导率p_cc9.0788内绝缘层相对磁导率p_ii1导电层相对磁导率p_c1外绝缘层相对磁导率p_io1
[0065]
在pscad/emtdc上仿真得出实验录波如图11至图14所示，其中仿真步长为25us。本发明选择自仿真开始后10s至12s作为示意图时段，岸基站电力模型输出电压u
dc
、输出电流i
dc
的仿真示意图如图11所示；分支单元模型的测量单元测量电压u
br
、u
bi
、u
sp
的仿真示意图如图12所示，分支单元模型的测量单元测量电流i
br
、i
bi
、i
sp
的仿真示意图如图13所示，其中，第一测量单元测得电气量u
br
、i
br
，第二测量单元测得电气量u
bi
、i
bi
，第三测量单元、第四测量单元测得电气量u
sp
、i
sp
；第一输配电模型的海底接驳盒电力模型输入电压u
jb
、输出电
压u
jb-o
的仿真示意图如图14所示。
[0066]
本发明公开的缆系恒压海底观测网供电系统仿真实验平台由岸基站电力模型、主干光电复合海缆等效模型、分支单元模型、分支光电复合海缆等效模型、海底接驳盒电力模型和负载模型组成，岸基站电力模型接地方式采用换流变压器
△
/yn接线，输出侧采用单极负极性输电方式。在控制策略方面，岸基站电力模型中全桥型模块化多电平换流器采用直流电流控制策略，海底接驳盒电力模型中基于模块堆叠的同步整流变换器采用基于峰值电流控制的单一控制策略，二者相互协同。
[0067]
本仿真实验平台的岸基站电力模型和海底接驳盒电力模型内部换流模块详细，控制策略清晰，分支单元采用新型的电力电子拓扑结构，光电复合海缆等效模型精确，输配电方式符合海底供电的实际工程情况；能够准确、可靠地仿真模拟缆系恒压海底观测网供电系统正常运行状态和故障时的电磁暂态过程，从而能够为海底电缆观测网供电系统的安全稳定分析、保护策略和复杂暂态特性学科方向的研究奠定良好的基础。
[0068]
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
[0069]
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。