CN102983586B - 一种基于三电平电压源换流器的hvdc兼upfc系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于三电平电压源换流器的HVDC兼UPFC系统，包括换流装置(1、2、11)、接地电路(3、12)、开关(4)和直流输电线(13)；换流装置(1)与换流装置(2)构成UPFC，换流装置(1)与换流装置(11)构成HVDC。本发明的HVDC和UPFC共用一个换流装置，节省了工程建设成本与投资，提高了设备的利用率，便于集中管理与控制，并且可改善其网侧波形品质。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种基于三电平电压源换流器的HVDC兼UPFC系统。
背景技术
在分布式发电、可再生能源、智能电网技术迅速发展的新形势下，柔性直流输电技术为弥补传统高压直流输电技术的不足提供了新的途径。传统的采用半控器件晶闸管的高压直流输电，交流侧需要无功补偿装置，逆变侧需要非常强大的电源进行有源逆变，否则会产生换相失败。柔性直流输电采用基于可关断器件的电压源换流器，具有关断电流的能力，应用PWM技术进行无源逆变，对受端系统容量没有要求，解决了传统直流输电向无源负荷点送电的难题；能够独立控制有功、无功等，具有良好的控制灵活性；潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，方便构成直流多端系统。
柔性直流输电装置采用基于可关断器件的电压源换流器，具有关断电流的能力，应用PWM技术进行无源逆变，对受端系统容量没有要求，解决了传统直流输电向无源负荷点送电的难题；能够独立控制有功、无功等，具有良好的控制灵活性。其主电路拓扑采用两个电压源换流器(VSC)直流侧并联的方式，其中一台换流器交流侧直接或通过变压器与系统并联，直流侧连接输电线，到达输电目的地后，另一台换流器交流侧直接或通过变压器与目的地的系统并联。
统一潮流控制器(UPFC)是迄今为止通用性最好的FACTS装置，仅通过控制规律的改变，就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿和移相等几种不同的功能。UPFC装置可以看作是一台静止同步补偿器(STATCOM)装置与一台静止同步串联补偿器(SSSC)装置在直流侧并联构成，它可以同时并快速、独立控制输电线路中的有功功率和无功功率，从而使得UPFC拥有STATCOM、SSSC装置都不具备的四象限运行功能。
UPFC装置主电路拓扑采用两个电压源换流器(VSC)直流侧并联的方式，其中一台换流器交流侧直接或通过变压器与系统并联，另一台换流器交流侧通过变压器与系统串联。由于采用了可关断器件控制，使得并联换流器和串连换流器的输出电压可单独控制。每一个换流器在交流输出端，都能独立吸收或供给无功功率及有功功率。
柔性直流输电和UPFC使用的电压源换流器通常采用二电平和三电平两种拓扑结构。二电平拓扑结构的不足之处在于，当其应用于高压场合时，需要用高反压的功率开关管或将多个功率开关管串联使用。此外，由于VSC交流侧输出电压总在二电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量相对较大。三电平VSC拓扑结构中以多个功率开关串联使用，并采用二极管钳位以获得交流输出电压的三电平调制。三电平VSC在提高耐压等级的同时有效地降低了交流谐波电压、电流，从而改善了其网侧波形品质。
通常的实际工程中，柔性直流输电装置和UPFC往往是独立建设与运行的，这造成了重复投资建设、成本高、设备利用率低、管理与控制不集中等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于三电平电压源换流器的HVDC兼UPFC系统，利用电压源换流器直流电压极性不变，方便构成直流多端系统的特点，柔性直流输电HVDC和统一潮流控制器UPFC共用一个换流装置，节省了工程建设成本与投资，提高了设备利用率，便于集中管理与控制，并且可改善其网侧波形品质。
本发明提供的一种基于三电平电压源换流器的HVDC兼UPFC系统，包括换流装置1、换流装置2、换流装置11、接地电路3、接地电路12、开关4和直流输电线13；所述换流装置1包括变压器7和换流器6；其改进之处在于，
所述变压器7原边并联接入电网且接地，所述变压器7副边与所述换流器6串联；所述换流器6两端并联接地电路3后，分成至少两条支路，支路一为接地电路3两端连接所述换流装置2后与所述电网连接，构成一组统一潮流控制器UPFC；支路二为接地电路3两端通过所述直流输电线13与所述换流装置11连接后与电网连接，构成一组柔性直流输电HVDC；所述直流输电线13与所述换流装置11之间并联接地电容12；所述开关4与所述换流装置(2)并联。
其中，所述换流装置1包括启动电路5；所述启动电路5串联在所述变压器7副边和所述换流器6之间。
其中，所述换流装置11包括换流器15；所述换流器15串联在电网和所述接地电路12之间。优选的，所述换流装置11还可以包括启动电路14，串联在所述电网和所述换流器15之间。优选的，所述换流装置11还可以包括变压器16，设置在所述启动电路14和所述电网之间，用于系统电压与换流器15电压的匹配；所述变压器16原边与所述电网并联且接地，其副边与所述启动电路14连接。
其中，所述换流装置2包括变压器10和换流器9；所述变压器10原边串联串联在所述电网和负载之间，所述变压器10副边与所述换流器6串联。优选的，所述换流装置2还可以包括启动电路8，所述启动电路8串联在所述变压器10和所述换流器9之间。
其中，所述接地电路3和12均为接地电容，用于防止电位悬浮，固定系统电位；所述接地电容的中性点接地。优选的，所述接地电路3和12还可以均为接地电阻，用于防止电位悬浮，固定系统电位；所述接地电阻的中性点接地。
其中，所述换流器6、9和15均包括三相换流装置、滤波电感、钳位二极管、支撑电容；每相换流装置由上桥臂和下桥臂串联而成；所述每相换流装置中点处经过交流滤波电感与启动电路串联；所述三相换流装置并联，形成正负母线；
所述钳位二极管包括上桥臂钳位二极管和下桥臂钳位二极管；所述每相换流装置中，所述上桥臂中点与上桥臂钳位二极管阴极连接，下桥臂中点与下桥臂钳位二极管阳极连接，上桥臂钳位二极管阳极与下桥臂钳位二极管阴极串联；
两个所述支撑电容串联后，并联在正负母线之间，串联的两个电容的中点与每相串联的钳位二极管的中点相连。优选的，所述上桥臂和所述下桥臂均包括至少两个级联的IGBT模块；所述IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管。
其中，所述换流器(6、9、15)均采用三电平拓扑结构。
其中，所述启动电路(5、8、14)均包括并联的电阻和开关。
其中，HVDC可以采用两端形式或多端形式；UPFC可以采用两端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系统中，HVDC的正负母线(即公共直流母线)与UPFC的正负母线(即公共直流母线)相连。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明使用钳位二极管，获得交流输出电压的三电平调制；
本发明的三电平VSC提高了功率开关器件耐压等级；
本发明有效地降低了交流谐波电压、电流，从而改善了其网侧波形品质；
本发明可实现分相控制；
本发明柔性直流输电和UPFC共用一个换流装置，节省了工程建设成本与投资，提高了设备利用率，便于集中管理与控制。
附图说明
图1为本发明提供的三电平电压源换流器拓扑结构。
图2为本发明提供的基于三电平电压源换流器的柔性直流输电HVDC兼统一潮流控制器UPFC拓扑图(方案一)。
图3为本发明提供的基于三电平电压源换流器的柔性直流输电HVDC兼统一潮流控制器UPFC拓扑图(方案二)。
其中，(1)为换流装置；(2)为换流装置(3)为接地电路中的接地电容或接地电阻；(4)为旁路开关；(5)为启动电路；(6)为换流器；(7)为变压器；(8)为启动电路；(9)为换流器；(10)为变压器；(11)为换流装置；(12)为接地电路；(13)为直流输电线；(14)为启动电路；(15)为换流器；(16)为变压器；(17)为滤波电感；(18)为上桥臂的两个级联的IGBT模块；(19)为下桥臂两个级联的IGBT模块；(20)为钳位二极管；(21)为钳位二极管；(22)为支撑电容；(23)为支撑电容。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例提供的一种基于三电平电压源换流器的HVDC兼UPFC系统，其拓扑图如图2或图3所示，包括换流装置1、换流装置2、换流装置11、接地电路3、接地电路12、开关4和直流输电线13；其中开关4为旁路开关；
所述换流装置1一端与电网串联，另一端与接地电路3并联；接地电路3两端分成至少两条支路，支路一为接地电路3两端连接所述换流装置2后与所述电网连接，构成一组统一潮流控制器UPFC；支路二为接地电路3两端通过所述直流输电线13与所述换流装置11连接后与电网连接，构成一组柔性直流输电HVDC；所述直流输电线13与所述换流装置11之间并联接地电容12；开关4与所述换流装置2并联。
其中，各装置构成如下：
所述换流装置1包括变压器7、启动电路5和换流器6(换流器6为级联半桥结构电压源换流器，为柔性直流输电与统一潮流控制器共用)；所述变压器7原边并联接入电网且接地，所述变压器7副边依次与所述启动电路5和所述换流器6串联；所述换流器6两端与接地电路3并联；
所述换流装置11包括启动电路14和换流器15；所述启动电路14一端与电网串联，另一端和所述换流器15串联。为了实现系统电压与换流器15电压的匹配，在启动电路14和所述电网之间设置一个变压器16，所述变压器16原边与所述电网并联且接地，其副边与所述启动电路14连接。
所述换流装置2包括变压器10、启动电路8和换流器9；所述变压器10原边串联接入所述电网，所述变压器10副边依次与所述启动电路8和所述换流器9串联；所述变压器10原边与负载连接。
换流器6和换流器9的正负母线相连，正负母线之间并联接地电路3，构成中间直流环节相连，这样有功功率可以在两个换流装置之间进行双向传递；无功功率可由每个换流装置在其交流侧独立地与系统进行交换。
所述接地电路3和12——柔性直流输电与统一潮流控制器共用，其为接地电容(如图2)或接地电阻(如图3)，用于防止电位悬浮，固定系统电位；所述接地电容的中性点接地；所述接地电阻的中性点接地。
所述换流器6的拓扑图如图1所示，包括三相换流装置、滤波电感、钳位二极管、支撑电容；每相换流装置由上桥臂和下桥臂串联而成。任一一相换流装置中点处经过交流滤波电感29与启动电路串联；所述三相换流装置并联，形成正负母线(如图中标注的正负号所示)。本实施例以其中任一相举例说明：所述钳位二极管包括上桥臂钳位二极管27和下桥臂钳位二极管28；所述上桥臂中点与上桥臂钳位二极管27阴极连接，下桥臂中点与下桥臂钳位二极管28阳极连接，上桥臂钳位二极管27阳极与下桥臂钳位二极管28阴极串联；两个所述支撑电容23和24串联后，并联在正负母线之间，串联的两个电容的中点与每相串联的钳位二极管的中点相连。其中上桥臂包括至少两个级联的IGBT模块25，下桥臂包括至少两个级联的IGBT模块26；所述IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管。对三电平电压源换流器控制时，其直流电容器用于提供换流器电压支撑；交流滤波电感用于滤除交流侧电流谐波；钳位二极管用于获得交流输出电压的三电平调制；取能电源用于给控制电路提供控制电源；控制电路用于实现对换流器的控制、监测及保护。需要说明的是，本实施例的三个三电平电压源换流器上下桥臂中的IGBT模块数可相等也可不等，且每个IGBT模块可由等数量IGBT模块串联替代，IBGT模块的个数均为正整数。
所述启动电路5、8和14均用于实现装置的软启动，其均包括并联的电阻和开关。
本实施例HVDC可以采用两端形式或多端形式；UPFC可以采用两端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系统中，HVDC的正负母线(即公共直流母线)与UPFC的正负母线(即公共直流母线)相连(正极与正极连，负极与负极连)。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于三电平电压源换流器的HVDC兼UPFC系统，包括换流装置I(1)、换流装置II(2)、换流装置III(11)、接地电路I(3)、接地电路II(12)、开关(4)和直流输电线(13)；所述换流装置I(1)包括变压器I(7)和换流器I(6)；其特征在于，
所述变压器I(7)原边一边接入电网一边接地，所述变压器I(7)副边与所述换流器I(6)串联；所述换流器I(6)两端并联接地电路I(3)后，分成至少两条支路，支路一为接地电路I(3)两端连接所述换流装置II(2)后与所述电网连接，构成一组统一潮流控制器UPFC；支路二为接地电路I(3)两端通过所述直流输电线(13)与所述换流装置III(11)连接后与电网连接，构成一组柔性直流输电HVDC；所述直流输电线(13)与所述换流装置III(11)之间并联接地电路II(12)；所述开关(4)连接在变压器II(10)原边的两端；
所述换流装置I(1)包括启动电路I(5)；所述启动电路I(5)串联在所述变压器I(7)副边和所述换流器I(6)之间；
所述换流装置III(11)包括换流器III(15)；所述换流器III(15)串联在电网和所述接地电路II(12)之间；
所述换流装置III(11)包括启动电路III(14)，串联在所述电网和所述换流器III(15)之间；
所述换流装置III(11)包括变压器III(16)，设置在所述启动电路III(14)和所述电网之间，用于电网电压与换流器III(15)电压的匹配；所述变压器III(16)原边与所述电网并联且接地，其副边与所述启动电路III(14)连接；
所述换流装置II(2)包括变压器II(10)和换流器II(9)；所述变压器II(10)原边串联在所述电网和负载之间，所述变压器II(10)副边与所述换流器II(9)串联。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换流装置II(2)包括启动电路II(8)，所述启动电路II(8)串联在所述变压器II(10)和所述换流器II(9)之间。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接地电路I(3)和接地电路II(12)为接地电容，用于防止电位悬浮，固定系统电位；所述接地电容的中性点接地。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接地电路I(3)和接地电路II(12)为接地电阻，用于防止电位悬浮，固定系统电位；所述接地电阻的中性点接地。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换流器I(6)、换流器II(9)和换流器III(15)均包括三相换流装置、滤波电感、钳位二极管、支撑电容；每相换流装置由上桥臂和下桥臂串联而成；所述换流器I(6)、换流器II(9)和换流器III(15)的每相换流装置中点处经过滤波电感分别与启动电路I(5)、启动电路II(8)和启动电路III(14)串联；所述三相换流装置并联，形成正负母线；
所述钳位二极管包括上桥臂钳位二极管和下桥臂钳位二极管；所述每相换流装置中，上桥臂中点与上桥臂钳位二极管阴极连接，下桥臂中点与下桥臂钳位二极管阳极连接，上桥臂钳位二极管阳极与下桥臂钳位二极管阴极串联；
两个所述支撑电容串联后，并联在正负母线之间，串联的两个电容的中点与每相串联的钳位二极管的中点相连。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述上桥臂和所述下桥臂均包括至少两个级联的IGBT模块；所述IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管。
7.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述换流器I(6)、换流器II(9)和换流器III(15)均采用三电平拓扑结构。
8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述启动电路I(5)、启动电路II(8)和启动电路III(14)包括并联的电阻和开关。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述柔性直流输电HVDC采用两端形式或多端形式；所述统一潮流控制器UPFC采用两端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系统中，HVDC的正负母线与UPFC的正负母线相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |