電力電子技術(shù)在有載分接開(kāi)關(guān)中應(yīng)用研究

高桂英 ，董銳，夏小晴，侯瑞 ，董非

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司培訓(xùn)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古電力集團(tuán)綜合能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

有載分接開(kāi)關(guān)在輸、配電領(lǐng)域具有調(diào)節(jié)電壓和無(wú)功功率的作用，具有便捷、高效的特點(diǎn)。調(diào)節(jié)過(guò)程伴隨燃弧及過(guò)渡損耗制約了其性能的進(jìn)一步提高。真空開(kāi)關(guān)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足對(duì)電弧的抑制，但截流過(guò)壓?jiǎn)栴}需要解決。機(jī)電混合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以解決電弧及附加損耗問(wèn)題，利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)換流、抑制燃弧的同時(shí)，可以消除切換損耗。

本文針對(duì)機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)，開(kāi)展了多平臺(tái)仿真研究，驗(yàn)證了其工作原理及控制策略的可行性。

1 離線仿真

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展與仿真技術(shù)密切相關(guān)，新技術(shù)、新研究成果的檢驗(yàn)和論證無(wú)不先經(jīng)過(guò)仿真系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證。通常在針對(duì)某一電氣研究問(wèn)題時(shí)，借助仿真平臺(tái)進(jìn)行前期學(xué)習(xí)和了解，該平臺(tái)操作屬于離線仿真過(guò)程。因仿真僅在PC機(jī)上獨(dú)立運(yùn)行，離線仿真過(guò)程受限于計(jì)算機(jī)性能、模型規(guī)模以及仿真步長(zhǎng)等參數(shù)。模型規(guī)模過(guò)大或步長(zhǎng)過(guò)小，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存溢出現(xiàn)象。故離線仿真實(shí)際消耗時(shí)間與設(shè)置仿真時(shí)間不一致，這是與實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)之間最大的差異。具有代表性的離線仿真平臺(tái)或環(huán)境包括：Matlab/Simulink/Sim?PowerSystem，PSCAD，EMTP/ATP，PSIM，BPA，NETOMAC等。這些軟件平臺(tái)各有特點(diǎn)，如表1所示。針對(duì)仿真對(duì)象及研究?jī)?nèi)容，可選用不同平臺(tái)[1-5]。

表1 幾種電力系統(tǒng)離線仿真軟件匯總Tab.1 Summary of power system off-line simulation software

從統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，不同軟件側(cè)重點(diǎn)不同，在選擇仿真平臺(tái)時(shí)，一方面根據(jù)實(shí)際需求而定，另外也要考慮軟件操作的難易程度，再有就是軟件版權(quán)等問(wèn)題也制約了平臺(tái)的選擇。Matlab平臺(tái)憑借功能強(qiáng)大，易于安裝等特點(diǎn)，使用頻次較高，可以滿足電氣領(lǐng)域的基本仿真需求。

1.1 模型搭建

機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)模型原理及時(shí)序如圖1所示。圖1中，K1～K4由switch代替，代表切換開(kāi)關(guān)K在A，B兩抽頭之間的切換過(guò)程，S1，S2為背靠背并聯(lián)晶閘管，作為換流電子開(kāi)關(guān)。

圖1 機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)仿真電路及工作時(shí)序圖Fig.1 Simulation circuit and working sequence diagram of EHOLTC

為保證負(fù)載不開(kāi)路、繞組不短路，需要設(shè)置兩電子開(kāi)關(guān)控制策略。機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)控制策略流程圖如圖2所示。通過(guò)判斷電子開(kāi)關(guān)端部電壓、判斷切換階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子開(kāi)關(guān)觸發(fā)，完成負(fù)載電流的切換。

圖2 機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)控制策略流程圖Fig.2 Control strategy flow chart of EHOLTC

1.2 仿真結(jié)果

機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)仿真電路及工作時(shí)序圖如圖3所示。按照?qǐng)D1b，首先驗(yàn)證了K1～K4動(dòng)作時(shí)序，如圖3a所示。各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間間隔暫任意給定，仿真結(jié)果與預(yù)期一致。圖3b為兩電子開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)及K1～K4各支路電流，切換方向?yàn)镵1至K4。S1單元觸發(fā)信號(hào)由S2端部電壓作為判據(jù)控制，實(shí)現(xiàn)了提前引入，確保ik1至ik2的電流轉(zhuǎn)移，兩電子開(kāi)關(guān)在電流過(guò)零處完成切換，通過(guò)設(shè)置延時(shí)，S2觸發(fā)信號(hào)在K4閉合后自動(dòng)退出，驗(yàn)證了控制策略的可行性。仿真結(jié)果表明了該結(jié)構(gòu)可以抑制K1開(kāi)斷燃弧工況。

圖3 機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)仿真電路及工作時(shí)序圖Fig.3 Simulation circuit and working sequence diagram of EHOLTC

2 半實(shí)物仿真

早期電氣設(shè)備的開(kāi)發(fā)，需要在硬件、軟件兩部分同時(shí)完成后，方可對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。該過(guò)程存在周期長(zhǎng)、效率低的問(wèn)題。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，在硬件開(kāi)發(fā)之前，可在實(shí)際環(huán)境下單獨(dú)對(duì)軟件控制策略進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)控，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、修改控制程序，該過(guò)程稱為快速控制原型（rapid control prototyping，RCP）半實(shí)物仿真；與該過(guò)程類似，當(dāng)控制程序及控制電路制作完成后，為驗(yàn)證功能的正確性，可無(wú)需連接實(shí)際設(shè)備，而通過(guò)接口與虛擬設(shè)備相連，構(gòu)成原型控制器與虛擬功率設(shè)備的回路測(cè)試系統(tǒng)，稱為硬件在環(huán)路（hardware in the loop，HIL）半實(shí)物仿真；還有一種仿真系統(tǒng)，利用實(shí)際控制電路和功率設(shè)備，如逆變器單元等，通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)控制器經(jīng)功率放大器等放大設(shè)備與實(shí)際外設(shè)建立仿真系統(tǒng)，因加入了功放設(shè)備，故該仿真回路稱為功率硬件在環(huán)路（power hardware in the loop，PHIL）半實(shí)物仿真[6]。

以上三種半實(shí)物仿真區(qū)別在于控制器的實(shí)、虛或功率設(shè)備的實(shí)、虛。虛擬控制器+實(shí)際功率設(shè)備為RCP半實(shí)物仿真；實(shí)際控制器+虛擬功率設(shè)備為HIL半實(shí)物仿真；實(shí)際控制器+功率放大器+實(shí)際功率設(shè)備為PHIL半實(shí)物仿真。圖4可以清楚地說(shuō)明其間關(guān)系。

圖4 半實(shí)物仿真功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware-in-the-loop simulation function structure diagram

圖4中可以看出從初期的模型設(shè)計(jì)到最后的系統(tǒng)及調(diào)試，經(jīng)歷了RCP和HIL兩個(gè)半實(shí)物仿真階段。隨著技術(shù)的推進(jìn)，市場(chǎng)上可見(jiàn)的半實(shí)物仿真產(chǎn)品較多，其中dSPACE控制系統(tǒng)最為成熟。以DS1103 PPC控制器為例，內(nèi)部包含了Power PC和TMS320F240 DSP兩種控制單元。前者用于浮點(diǎn)運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)ADC，DAC和I/O功能，后者可實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的I/O輸出。該硬件設(shè)計(jì)保證了平臺(tái)功能的強(qiáng)大。由德國(guó)公司開(kāi)發(fā)的dSPACE系統(tǒng)基于Matlab/Simulink平臺(tái)，可與Matlab模型實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)RCP，HIL及PHIL測(cè)試環(huán)境。利用其ADC，DAC和I/O可完成與實(shí)際外設(shè)間的采樣、開(kāi)入、開(kāi)出等功能，光纖接口（GBIC）可作為上位機(jī)PC與dSPACE的通訊節(jié)點(diǎn)，完成模型Model向C代碼的轉(zhuǎn)換與下載，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)RCP功能。當(dāng)已有實(shí)際控制器電路時(shí)，更希望測(cè)試控制器功能，可利用dSPACE建立被控對(duì)象模型，同樣利用ADC，DAC和I/O接口與實(shí)際控制器通信，完成測(cè)試，實(shí)現(xiàn)HIL功能。

利用dSPACE的優(yōu)勢(shì)在于，其配套開(kāi)發(fā)軟件ControlDesk是綜合實(shí)驗(yàn)與測(cè)試平臺(tái)，能夠識(shí)別Matlab/Simulink模型。在進(jìn)行RCP建模時(shí)，只需將原模型中的功率回路刪去，留下控制策略部分。通過(guò)RTI（real-time interface）與Matlab建立連接，模型文件通過(guò)編譯成為dSPACE板卡可識(shí)別的C代碼，通過(guò)RTW（real-time workshop）完成代碼轉(zhuǎn)換和下載。在ControlDesk中繪制顯示模塊，包括示波器、數(shù)字表等，用于輸出監(jiān)視使用[7-8]。

通過(guò)了解目前市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品，匯總了幾種仿真平臺(tái)，信息如表2所示。

表2 幾種半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.2 Hardware-in-the-loop simulation function structure diagram

表2中列舉的平臺(tái)均可實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真，但作為半實(shí)物仿真的早期開(kāi)創(chuàng)者，dSPACE的市場(chǎng)占有率較高。

2.1 平臺(tái)搭建

利用DS1103 PPC Controller Board板卡，搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)如圖5所示。DS1103板卡共有20路主ADC通道、8路主DAC通道，50個(gè)主I/O接口，具有RS232，CAN等通訊接口。dSPACE系統(tǒng)作為控制回路，通過(guò)外設(shè)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)功率回路電流、電壓模擬量的采集，控制開(kāi)關(guān)以及電力電子器件通斷，實(shí)現(xiàn)切換工序。平臺(tái)設(shè)備參數(shù)為：自耦變壓器TDGC2J，安捷倫DSO7104A，正泰F4-22，MTC100-10[9]。

圖5 dSPACE仿真平臺(tái)工作結(jié)構(gòu)原理圖Fig.5 Working structure schematic diagram of dSPACE simulation platform

2.2 測(cè)試過(guò)程

在仿真平臺(tái)中完成系統(tǒng)控制策略的建模，不包含功率元件部分。

圖6a為通用DS1103BIT_OUT_I/O模塊屬性設(shè)置對(duì)話框，模型共用了8～15號(hào)8個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)，分別為K1～K4控制開(kāi)出量以及4路半導(dǎo)體器件觸發(fā)信號(hào)開(kāi)出量。因dSPACE的I/O模塊僅識(shí)別bool?ean變量信號(hào)，而內(nèi)嵌的Embedded Function程序輸出信號(hào)均為double型，故需要進(jìn)行變量類型轉(zhuǎn)換。圖6b選擇4路通道ADC1～ADC4對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了采樣處理，為便于后續(xù)分析，除了兩功率開(kāi)關(guān)單元端電壓之外，利用了CT對(duì)其兩支路電流進(jìn)行了采樣。ADC模塊要求采樣信號(hào)在±10 V以內(nèi)，程序計(jì)算過(guò)程中要注意進(jìn)行等比例還原，否則程序判定有誤。圖6c為DS1103DAC模塊屬性設(shè)置窗口。使用該模塊是為了方便外部對(duì)信號(hào)的監(jiān)視，被監(jiān)視信號(hào)為兩功率單元支路電流。輸出數(shù)據(jù)要考慮ADC口的10倍衰減以及CT變比，故確保與實(shí)際一致。

圖6 通用I/O，ADC及DAC屬性設(shè)置對(duì)話框Fig.6 Universal I/O，ADC and DAC property Settings dialog boxes

1）實(shí)測(cè)ACC動(dòng)作時(shí)序。設(shè)置了4個(gè)ACC開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)序，利用了模型庫(kù)RTI Blockset中的DS1103BIT_OUT_G1 I/O模型，將其中的1～4 Pin作為ACC的控制輸出端，5～6 Pin作為晶閘管單元觸發(fā)板輸入信號(hào)，再經(jīng)晶閘管觸發(fā)板輸出給晶閘管。圖7a為I/O模塊輸出的K1～K4開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序，幅值為3.3 V。該時(shí)序之間滿足K1～K4階梯關(guān)系，動(dòng)作時(shí)間間隔無(wú)特殊設(shè)定。切換方向由K4至K1。

2）測(cè)試 S1，S2單元換流過(guò)程。圖 7b為上、下兩個(gè)晶閘管單元S1和S2之間的換流暫態(tài)波形。可以看出，按照控制時(shí)序，S1觸發(fā)信號(hào)開(kāi)通后經(jīng)延時(shí)關(guān)斷，在過(guò)零附近，判斷S1端部承受反壓，達(dá)到閾值后開(kāi)通S2觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)換流?？梢钥闯鯧1開(kāi)斷位置，電流自然轉(zhuǎn)移至S1單元，無(wú)燃弧過(guò)程，因ACC動(dòng)作存在振動(dòng)與干擾，導(dǎo)致K1開(kāi)斷前，S1電流有微弱波動(dòng)。

圖7 開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序及觸發(fā)信號(hào)與支路電流Fig.7 Switch action sequence，trigger signal and branch current

3）測(cè)試負(fù)載電流。圖8為RL負(fù)載下負(fù)載整體電流，在換流點(diǎn)處，電流幅值發(fā)生跳變。

圖8 負(fù)載電流切換波形Fig.8 Load current switching waveform

仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

3 實(shí)時(shí)仿真

實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)重要的在線仿真技術(shù)，具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)響應(yīng)和在線跟蹤、調(diào)節(jié)等功能，優(yōu)越于前述提到的離線仿真技術(shù)。在線仿真技術(shù)包括基于相似理論的以實(shí)際旋轉(zhuǎn)電機(jī)為代表的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真系統(tǒng)、數(shù)模混合實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。離線仿真技術(shù)是在數(shù)字計(jì)算機(jī)上為電力系統(tǒng)的物理過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)方法求解，進(jìn)行仿真研究的過(guò)程，其仿真速度與實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程不等。按照不同的動(dòng)態(tài)過(guò)程可分為電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真、中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真三類[10]。

在原理性仿真與半實(shí)物仿真的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證不同仿真平臺(tái)及方式之間的差異，構(gòu)建了Matlab/dSPACE/RTDS多平臺(tái)聯(lián)合仿真測(cè)試。RTDS（real time digital simulator）實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器是由加拿大曼巴托尼直流研究中心開(kāi)發(fā)的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，其并行硬件結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)人機(jī)界面的交互，是研究大規(guī)模電力系統(tǒng)運(yùn)行特性的有效手段。在利用RTDS開(kāi)發(fā)平臺(tái)RSCAD建立實(shí)際模型中，需要注意大步長(zhǎng)系統(tǒng)與小步長(zhǎng)系統(tǒng)的連接問(wèn)題。晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)屬于小步長(zhǎng)模型，將其與變壓器、線路、開(kāi)關(guān)等大步長(zhǎng)系統(tǒng)相連時(shí)，需要經(jīng)過(guò)VSC INTERFACE模塊，用于大小步長(zhǎng)之間的轉(zhuǎn)換。亦可通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)現(xiàn)大小步長(zhǎng)系統(tǒng)互聯(lián)[11]。

1）平臺(tái)搭建。所用RTDS為單RACK配置，1個(gè)WIF板卡（workstation interface card）、1個(gè)GPC板卡（giga processor card）、1個(gè)GTDI板卡（gigabit transceiver digital input card）、1個(gè) GTAO 板卡（gigabit transceiver analogue output card）。WIF卡用于RACK與外設(shè)的通訊，通過(guò)網(wǎng)口與PC相連，需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的IP地址建立連接。GPC卡是主處理器板卡，包含兩個(gè)IBM PPC750GX PowerPC processors，用于仿真過(guò)程網(wǎng)絡(luò)及邏輯計(jì)算單元，可解決54個(gè)節(jié)點(diǎn)及56個(gè)斷路網(wǎng)絡(luò)。GTDI卡用于外部設(shè)備連接RTDS的數(shù)字接口，包括64個(gè)光獨(dú)立輸入通道。GTAO板卡用于產(chǎn)生模擬信號(hào)，包括12個(gè)16位模擬輸出通道，可提供±10 V輸出信號(hào)。通過(guò)配置GPC卡的config file文件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)RTDS硬件的操作。設(shè)計(jì)平臺(tái)RSCAD用于完成模型構(gòu)建、運(yùn)行監(jiān)控和結(jié)果分析等操作，內(nèi)嵌了EMTP電磁暫態(tài)算法?？赏ㄟ^(guò)Draft模塊搭建系統(tǒng)模型，生成dft文件，保存模型內(nèi)容。圖9為RTDS硬件及軟件間基本結(jié)構(gòu)和關(guān)系圖。

圖9 RTDS軟硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.9 RTDS software and hardware structure diagram

2）測(cè)試過(guò)程。本仿真過(guò)程中涉及了三個(gè)仿真平臺(tái)，Matlab/Simulink，dSPACE 和 RTDS，Mat?lab/Simulink用于仿真控制策略建模，含機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)工作過(guò)程時(shí)序控制、電力電子器件觸發(fā)信號(hào)控制等策略。dSPACE作為控制策略硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)，充當(dāng)控制電路，用于采集模擬信號(hào)與輸出控制信號(hào)。RTDS作為功率部分的模擬，取代實(shí)際功率回路設(shè)備，在RSCAD中建立功率回路模型，經(jīng)GTAO，GTDI等板卡，接收外設(shè)傳送的數(shù)字控制信號(hào)，以及輸出模型中各采樣點(diǎn)的模擬信號(hào)，完成RTDS板卡與dSPACE板卡之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)閉環(huán)仿真。仿真結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 Matlab，dSPACE和RTDS聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Joint simulation structure diagram of Matlab，dSPACE and RTDS

RTDS與dSPACE之間進(jìn)行數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的交互，完成采樣與驅(qū)動(dòng)控制；dSPACE與PC之間進(jìn)行控制策略設(shè)計(jì)、編譯及下載；RTDS與PC之間進(jìn)行功率回路的建模、仿真設(shè)置及輸出顯示等步驟，完成整個(gè)仿真過(guò)程的監(jiān)視及調(diào)節(jié)。

在上位機(jī)RSCAD中建立了變壓器、晶閘管組合、斷路器、交流源等模型，利用4個(gè)Breaker開(kāi)關(guān)模擬滑動(dòng)觸頭動(dòng)作過(guò)程。設(shè)置仿真步長(zhǎng)為50 μs。將dSPACE的兩路ADC和I/O通道與RTDS的GTAO和GTDI板卡對(duì)應(yīng)通道保持物理連接。利用實(shí)際控制電路對(duì)RSCAD平臺(tái)下功率回路開(kāi)關(guān)器件模型進(jìn)行信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)了RTDS實(shí)時(shí)仿真過(guò)程。

圖11a為RSCAD波形監(jiān)控的K1～K4支路一次切換電流波形。與圖11b中Matlab離線仿真波形對(duì)比可以看出，多平臺(tái)聯(lián)合仿真結(jié)果是可行的。三種仿真平臺(tái)中，半實(shí)物仿真平臺(tái)與實(shí)際最為接近，因被控對(duì)象為實(shí)際功率回路，離線仿真可以較為方便地實(shí)現(xiàn)初期思路驗(yàn)證，簡(jiǎn)單易行，實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)能夠檢驗(yàn)多設(shè)備間控制信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性及時(shí)效性，均具有理論分析價(jià)值。

圖11 仿真結(jié)果Fig.11 Simulation result

4 實(shí)測(cè)研究

在前述仿真基礎(chǔ)上，依據(jù)圖1所示拓?fù)浼伴_(kāi)關(guān)時(shí)序，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。主控電路采用了TI公司的F28335單元，電壓信號(hào)經(jīng)差分電路采樣進(jìn)入主控單元內(nèi)部AD，經(jīng)計(jì)算輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。SCR驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖變壓器結(jié)構(gòu)，門(mén)極電壓約為3.5 V。采用4路繼電器輸出驅(qū)動(dòng)ACC的時(shí)序動(dòng)作，設(shè)定各動(dòng)作時(shí)間為：t1=0.019 9 s，t2=0.034 9 s，t3=0.055 s，t4=0.080 9 s，t5=0.106 9 s，t6=0.123 s，t7=0.143 s。

實(shí)測(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序及兩S單元換流暫態(tài)波形如圖12所示。K1～K4開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序與圖7a仿真結(jié)果一致，實(shí)測(cè)電壓約為3.3 V。圖12b中換流前后S1與S2單元電流分別為12 A和6 A，與圖7b基本一致。因ACC動(dòng)作存在分散性，導(dǎo)致每次實(shí)測(cè)各開(kāi)關(guān)動(dòng)作位置不盡相同，但不影響對(duì)工作原理的判定。另外，K1開(kāi)斷處無(wú)明顯燃弧過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了消弧切換，與理論分析一致。將兩SCR換流暫態(tài)放大后，如圖13a所示?？梢钥闯鰞蒘單元換流存在一定延時(shí)，約為0.5 ms，該時(shí)間為S1延時(shí)關(guān)斷與S2延時(shí)開(kāi)通時(shí)間之和，由器件固有屬性決定，可通過(guò)使用動(dòng)態(tài)性能較好的器件予以縮短。圖13b為兩S單元電流及端部電壓分布情況，可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)刻的辨識(shí)。K1開(kāi)斷后，S1出現(xiàn)電流，S1端部電壓存在一定干擾，與K1接觸電阻有關(guān)。兩單元換流后，S1承受級(jí)繞組電壓，S2為器件通態(tài)壓降；待K2開(kāi)斷，S1端部電壓衰減為零。K4閉合后，S2端部電壓開(kāi)始衰減，與理論分析一致。

圖12 實(shí)測(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)序及換流波形Fig.12 Switch timing and diverter current waveforms measured

圖13 電流、電壓分布波形Fig.13 Waveforms of current and voltage distribution

通過(guò)仿真與樣機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證了電力電子技術(shù)在有載分接開(kāi)關(guān)設(shè)備中應(yīng)用的可行性。為證明該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所在，搭建了常規(guī)有載分接開(kāi)關(guān)實(shí)測(cè)平臺(tái)，結(jié)構(gòu)和控制時(shí)序與機(jī)電混合式樣機(jī)一致，僅將SCR替換為過(guò)渡電阻即可。相同工況下，再次測(cè)試了切換波形。兩樣機(jī)平臺(tái)中過(guò)渡元件的損耗及開(kāi)關(guān)燃弧損耗數(shù)據(jù)如圖14所示。

圖14 過(guò)渡元件損耗及開(kāi)關(guān)燃弧損耗波形Fig.14 Transition component loss and switching arc loss waveform

共測(cè)試了三種負(fù)載工況，因負(fù)載電流的差異決定了數(shù)據(jù)的不同。圖15a中過(guò)渡電阻損耗數(shù)據(jù)縮小了90%后仍高于SCR損耗，表明了電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。圖15b中僅給出了常規(guī)有載分接開(kāi)關(guān)開(kāi)斷燃弧損耗，當(dāng)加入SCR器件后，基本無(wú)燃弧工況。

5 結(jié)論

本文基于常規(guī)有載分接開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理，介紹了離線仿真、半實(shí)物仿真以及實(shí)時(shí)仿真等平臺(tái)的基本概念、組成及各自特點(diǎn)，分類匯總對(duì)比了各類仿真軟件。完成了機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)的離線仿真、半實(shí)物仿真及實(shí)時(shí)仿真計(jì)算。搭建了常規(guī)開(kāi)關(guān)及機(jī)電混合式開(kāi)關(guān)試驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)測(cè)了兩平臺(tái)的切換時(shí)序及切換暫態(tài)參數(shù)，對(duì)比了機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果，具有較好的一致性。計(jì)算了常規(guī)開(kāi)關(guān)與機(jī)電混合式開(kāi)關(guān)過(guò)渡元件損耗及開(kāi)關(guān)燃弧能量數(shù)據(jù)，確定了機(jī)電混合式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能最佳。