CN102780416B - 一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置及其系统，装置包括：变压器、换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂，变压器的一次侧三相绕组分别与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别与换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂上每个桥臂的功率单元支路相连，换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂均与负载相连。本发明装置的主电路拓扑结构中不含有相电抗器，相电抗值由交流侧变压器二次绕组提供，达到了减小设备体积、重量、设备成本、占地面积等目的。本发明系统通过变压器联接组别的搭配及变压器的电磁耦合可以提高系统性能，并解除电路拓扑中网侧与阀侧的直接电连接，减小系统阀侧故障时对网侧的冲击，具有很强的工程推厂和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种新型的基于MMC（Modualize Multi-level Convertor，模块化多电平变流器）和电磁耦合的柔性直流输电装置及其系统。该装置及其系统既可以用于柔性直流输电，也可以用于其它变流器场合，如拖动电机等。
背景技术
传统的基于MMC的模块化多电平换流器装置主电路结构如附图1所示，主要由电网1、交流侧的变压器2、换流阀3和负载4构成。其中换流阀2各桥臂串联的为功率单元SM。其中，电网1多为三相高压电网，变压器2主要升压或降压（由换流器2位于整流侧或回馈侧决定变压器2是降压还是升压）。其中的换流阀3由三相6个桥臂组成，每个桥臂又由n个功率单元SM和一个相电抗器L1串联成。其中，每个桥臂上的功率单元SM的个数由工程的电压等级及功率器件等条件决定，不同的工程n的值不同。
附图1所示模块化多电平换流器装置中的换流阀3有6个相同的桥臂，每个桥臂各有一个相电抗器L1，主要作用是抑制环流和降低故障电流的上升率。传统的基于MMC的柔性直流输电装置及其系统主要存在以下几个方面的问题：
1、相电抗器L1不可省略；
2、当负载4的阻抗很小时，要求换流阀3的相电抗器L1很大，这也使得相电抗器L1的体积、重量、成本成倍增加。
3、6个相电抗器L1一方面将占用大量场地面积，并增加设备的成本和场地土建成本；另一方面将增加设备布置和电缆走线的复杂度和美观度，并增加大量工作量。
发明内容
本发明的目的是针对传统的基于MMC的柔性直流输电装置及其系统主电路存在的技术问题，提供一种新型的基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置及其系统，以达到省略换流器各桥臂上相电抗器，而相应的相电抗器电抗值由变压器二次侧绕组提供的目的，能够满足换流器的各项性能要求，有效地降低柔性直流输电装置及其系统的体积和重量，减少装置的成本和占地面积。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置的技术实现方案，一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，包括：变压器和换流阀，换流阀又包括换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂。变压器的一次侧三相绕组分别与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别与换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂上每个桥臂的功率单元支路相连，换流阀与电网之间通过电磁耦合进行能量传递。换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂均与负载相连。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，变压器的一次侧三相绕组采用三角型接法与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂对应的功率单元支路之间。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置的另一种技术方案，变压器的一次侧三相绕组采用星型接法与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂对应的功率单元支路之间。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，变压器的二次侧三相绕组之间相互独立，二次侧三相绕组的每相绕组是单个绕组或是两个以上的多个绕组相互串联。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置包括两个以上的换流阀，两个以上的换流阀之间相互并联。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂上每个桥臂的功率单元支路均包括一个或两个以上相互串联的功率单元，功率单元采用半桥功率单元或是H桥功率单元。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，柔性直流输电装置包括三种工作状态：
（1）从三相交流侧的电网获得有功能量，并为负载侧提供单相交流或直流电源；
（2）从负载侧获得单相交流或直流电源能量，并为三相交流侧的电网提供有功能量；
（3）电网交流侧与负载侧之间无功能量的相互传递。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，当柔性直流输电装置从三相交流侧的电网获得有功能量，并为负载侧提供单相交流或直流电源时，负载为包括直流传输线路等直流负载或功率变换器中作为能量回馈用的网侧变换器装置、电机的驱动用变换器在内的换流器装置，或是包括单相交流电机在内的单相交流负载。
本发明还另外具体提供了一种由前述基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置组成的基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统，该柔性直流输电系统包括：基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置、电网和负载。基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置包括变压器、换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂。变压器的一次侧三相绕组分别与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别与换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂上每个桥臂的功率单元支路相连，换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂均与负载相连。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统技术方案的进一步改进，变压器的一次侧三相绕组采用三角型接法与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂对应的功率单元支路之间。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统的另一种技术方案，变压器的一次侧三相绕组采用星型接法与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂对应的功率单元支路之间。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统技术方案的进一步改进，柔性直流输电装置包括三种工作状态：
A、从三相交流侧的电网获得有功能量，并为负载侧提供单相交流或直流电源；
B、从负载侧获得单相交流或直流电源能量，并为三相交流侧的电网提供有功能量；
C、电网交流侧与负载侧之间无功能量的相互传递。
作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统技术方案的进一步改进，当基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置从三相交流侧的电网获得有功能量，并为负载侧提供单相交流或直流电源时，负载为包括直流传输线路等直流负载或功率变换器中作为能量回馈用的网侧变换器装置、电机的驱动用变换器在内的换流器装置，或是包括单相交流电机在内的单相交流负载。
通过实施上述本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置及其系统的技术方案，具有以下技术效果：
（1）本发明提供的新主电路拓扑不含有相电抗器，其相电抗值由交流侧变压器二次绕组提供，从而达到了减小设备体积、重量、设备成本、占地面积等等目的。
（2）本发明提供的新主电路拓扑，通过变压器联接组别的搭配及变压器的电磁耦合可以提高系统的性能，并解除电路拓扑中网侧与阀侧的直接电连接，减小系统阀侧故障时对网侧的冲击。具有很强的工程推厂和应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统的基于MMC的柔性直流输电系统主电路的结构示意图；
图2是本发明基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置实施例1的系统结构框图；
图3是本发明基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置实施例1中的变压器连接结构示意图；
图4是本发明基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置实施例2的系统结构框图；
图5是本发明基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置实施例2中的变压器连接结构示意图；
图6是本发明基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置采用半桥功率单元模块的结构示意图；
图7是本发明基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置采用H桥功率单元模块的结构示意图；
图8是本发明基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置实施例3的系统结构框图；
图9是本发明基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置实施例4的系统结构框图；
图中：1-电网，2-变压器，3-换流器，4-负载，31-换流阀上桥臂，32-换流阀下桥臂，33-第二换流阀上桥臂，34-第二换流阀下桥臂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图2至附图9所示，给出了本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置的具体实施方式，包括：变压器2和换流阀，换流阀又包括换流阀上桥臂31和/或换流阀下桥臂32。变压器2的一次侧三相绕组分别与电网1的三相相连，变压器2的二次侧三相绕组分别与换流阀上桥臂31和/或换流阀下桥臂32上每个桥臂的功率单元支路相连，换流阀与电网1之间通过电磁耦合进行能量传递。换流阀上桥臂31和/或换流阀下桥臂32均与负载4相连。在具体实施方式当中，换流阀可以同时有换流阀上桥臂31和换流阀下桥臂32，也可以只有换流阀上桥臂31或换流阀下桥臂32中的一个桥臂。当换流阀同时有换流阀上桥臂31和换流阀下桥臂32时（此时主要用于柔性直流输电系统），换流阀包括3相共6个桥臂，各个桥臂均由n个功率单元串联，并不含有相电抗器。当换流阀只有换流阀上桥臂31或换流阀下桥臂32时（此时主要用作多电平变频器驱动如交流电机等负载），换流阀包括3相共3个桥臂，各个桥臂由n个功率单元串联，并不含有相电抗器。
本发明主电路拓扑结构中交流侧的变压器2为三绕组变压器，通过电磁耦合使系统网侧与阀侧无直接电连接。三绕组的变压器2有9个输入输出端子，一次侧为三角型接法或星型接法，输入端子数为三个，分别为R、S、T；二次侧各相绕组独立，输出端子为六个，分别是A、B、C、a、b、c。
如附图6和附图7所示，换流阀上桥臂31和/或换流阀下桥臂32中的功率单元进一步采用半桥功率单元或是H桥功率单元。
下面分别介绍本发明的四个实施例。
实施例1
如附图2所示的实施例1，变压器2网侧的一次侧三相绕组采用三角型接法与电网1的三相相连。相比传统方案，实施例1由于在换流器的各个桥臂上没有相电抗器，其阻抗直接做到了变压器2的内部。
换流阀分别由换流阀上桥臂31和换流阀下桥臂32组成。换流阀上桥臂31和换流阀下桥臂32分别有4个接线端子，其中3个用于连接变压器2的三相输出，另一个用于连接直流侧的负载4。
如附图3所示，变压器2一共有9个输入、输出端子，一次侧采用三角型接法，二次侧三个绕组相互独立，并提供六个端子分别连接换流器的6个桥臂。
其中，变压器2可以对阀侧及网侧谐波进行隔离，并减小阀侧故障时对网侧的冲击。负载4连接于换流阀上桥臂31和换流阀下桥臂32的输出端子上。负载4的类型可以是纯阻感性能耗负载，也可以是换流器装置。
电路的主要工作状态主要有以下三种：
A、从三相交流侧获得有功能量，并为负载侧提供单相交流或直流电源。
当负载4为单相交流负载时（如：单相交流电机），本发明装置可以使三个桥臂并联产生同相位的多电平单交流电压，为单相交流负载（如：单相交流电机）提供单相交流电源。而当负载4为直流负载时，本发明装置可以为直流电机提供直流电源，可以是拖动直流电机，也可以是为直流电网提供电源（直流输电的前端变流站）。
B、从负载侧获得单相交流或直流电源能量，并为三相交流侧提供有功能量。
当负载4为单相交流负载时（如：单相交流发电机，或电动机发电态运行回馈能量时），负载可以通过该装置回馈能量到三相交流电网侧；
而当负载4为直流负载时，可以要求电能从直流侧通过该装置流向三相交流电网侧，比如直流输电的后端变流站(将直流转换成交流)。
C、交流侧与负载侧无功能量的相互传递。
在A、B两种工作状态中都伴随着无功能量的相互交换。
当装置从三相交流侧获得有功能量，并为负载侧提供单相交流或直流电源时，其负载可以是直流传输线路等直流负载，也可以是功率变换器中作为能量回馈用的网侧变换器装置、电机的驱动用变换器等换流器装置、还可以是单相交流电机等单相交流负载。
在本实施例中，换流阀上桥臂31和换流阀下桥臂32中的功率单元可以任意选择如附图6或附图7所示的半桥单元模块或H桥单元模块。
实施例2
如附图4所示为本发明提供的第二种实施方案。该方案在电路拓扑结构上与实施例1基本相同，唯一的区别在于本方案中变压器2的一次侧联接方式为星型接法。其中，变压器2的主电路示意图如附图5所示。
实施例3
如附图8所示为本发明提供的第三种实施方案。该方案在实施例2的基础上，其中变压器2的一次侧联接方式为星型接法。但是，换流阀仅包括换流阀上桥臂31，此时主要用于柔性直流输电系统。此时，换流阀包括3相共3个桥臂，各个桥臂由n个功率单元串联，并不含有相电抗器。变压器2的输入、输出端子数减少为7个，可以是将输入、输出端子数为9个的变压器2的输出端子a、b、c直接短接做为一个输出端子O。
实施例4
如附图9所示为本发明提供的第四种实施方案。根据负载4的功率等级要求，换流阀可以并联，或任意增加桥臂的个数。如附图9所示，此时前端的变压器2为多绕组变压器，可以是移相，也可以不移相）。实施例4中采用两个换流阀并联，包括换流阀上桥臂31、换流阀下桥臂32、第二换流阀上桥臂33和第二换流阀下桥臂34共12个桥臂。
此外，变压器2的二次侧各绕组相互独立，并且二次侧绕组每相可以是单个绕组，也可以是多个绕组串联。同时，根据负载4的功率及电压等级，换流阀中各个桥臂所包含的功率单元个数也可以是任意多个进行配置。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (13)
1.一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，其特征在于，包括：变压器（2）和换流阀，所述换流阀又包括换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）；所述换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）的每个桥臂均由n个功率单元串联而成；所述变压器（2）的一次侧三相绕组分别与电网（1）的三相相连，所述变压器（2）的二次侧三相绕组不通过相电抗器，而直接分别与换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）上每个桥臂的功率单元支路相连，换流阀与电网（1）之间通过电磁耦合进行能量传递；所述换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）均与负载（4）相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，其特征在于：所述变压器（2）的一次侧三相绕组采用三角型接法与电网（1）的三相相连，所述变压器（2）的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）对应的功率单元支路之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，其特征在于：所述变压器（2）的一次侧三相绕组采用星型接法与电网（1）的三相相连，所述变压器（2）的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）对应的功率单元支路之间。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，其特征在于：所述变压器（2）的二次侧三相绕组之间相互独立，二次侧三相绕组的每相绕组是单个绕组或是两个以上的多个绕组相互串联。
5.根据权利要求4所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，其特征在于：所述基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置包括两个以上的换流阀，两个以上的换流阀之间相互并联。
6.根据权利要求1-3、5中任一权利要求所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，其特征在于：所述换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）上每个桥臂的功率单元支路均包括一个或两个以上相互串联的功率单元，所述功率单元采用半桥功率单元或是H桥功率单元。
7.根据权利要求1-3、5中任一权利要求所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，其特征在于，所述柔性直流输电装置包括三种工作状态：
A、从三相交流侧的电网（1）获得有功能量，并为负载（4）侧提供单相交流或直流电源；
B、从负载（4）侧获得单相交流或直流电源能量，并为三相交流侧的电网（1）提供有功能量；
C、电网（1）交流侧与负载（4）侧之间无功能量的相互传递。
8.根据权利要求7所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，其特征在于：当柔性直流输电装置从三相交流侧的电网（1）获得有功能量，并为负载（4）侧提供单相交流或直流电源时，负载（4）为包括直流传输线路的直流负载或功率变换器中作为能量回馈用的网侧变换器装置、电机的驱动用变换器在内的换流器装置，或是包括单相交流电机在内的单相交流负载。
9.一种由权利要求1所述的基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置组成的基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统，其特征在于，包括：基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置、电网（1）和负载（4）；基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置包括变压器（2）、换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）；所述变压器（2）的一次侧三相绕组分别与电网（1）的三相相连，所述变压器（2）的二次侧三相绕组分别与换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）上每个桥臂的功率单元支路相连，所述换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）均与负载（4）相连。
10.根据权利要求9所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统，其特征在于：所述变压器（2）的一次侧三相绕组采用三角型接法与电网（1）的三相相连，所述变压器（2）的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）对应的功率单元支路之间。
11.根据权利要求9所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统，其特征在于：所述变压器（2）的一次侧三相绕组采用星型接法与电网（1）的三相相连，所述变压器（2）的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂（31）和/或换流阀下桥臂（32）对应的功率单元支路之间。
12.根据权利要求9-11中任一权利要求所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统，其特征在于，所述柔性直流输电装置包括三种工作状态：
A、从三相交流侧的电网（1）获得有功能量，并为负载（4）侧提供单相交流或直流电源；
B、从负载（4）侧获得单相交流或直流电源能量，并为三相交流侧的电网（1）提供有功能量；
C、电网（1）交流侧与负载（4）侧之间无功能量的相互传递。
13.根据权利要求12所述的一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电系统，其特征在于：当基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置从三相交流侧的电网（1）获得有功能量，并为负载（4）侧提供单相交流或直流电源时，负载（4）为包括直流传输线路的直流负载或功率变换器中作为能量回馈用的网侧变换器装置、电机的驱动用变换器在内的换流器装置，或是包括单相交流电机在内的单相交流负载。
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| CN101692579A (zh) * | 2009-09-27 | 2010-04-07 | 荣信电力电子股份有限公司 | 基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法 |
| CN201674411U (zh) * | 2010-04-26 | 2010-12-15 | 哈尔滨九洲电气股份有限公司 | 一种全桥三电平控制的变流装置 |
| CN102630369A (zh) * | 2009-11-26 | 2012-08-08 | 株式会社日立制作所 | 电力转换装置 |
-
2012
- 2012-08-15 CN CN201210289069.1A patent/CN102780416B/zh active Active
Patent Citations (3)
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| CN101692579A (zh) * | 2009-09-27 | 2010-04-07 | 荣信电力电子股份有限公司 | 基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法 |
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