CN103051267A - 基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统 - Google Patents

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毛承雄
王丹
孙建波
张步涵
李小平
陆继明
李淼
李大虎
樊华
李文意
吴小珊
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Abstract

本发明提出了一种基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，包括模块化多电平变流器、隔离级和励磁线圈；模块化多电平变流器的交流端口与同步发电机机端直接连接，模块化多电平变流器的直流端口与隔离级的高压方端口连接，隔离级的低压方端口连接励磁线圈的端口。本发明具有良好的可扩展性，可方便地扩展到很高的电压等级和功率水平，适用于高电压、大功率应用场合，并可通过直流励磁和控制交流侧无功功率为电力系统提供正阻尼，从而有效抑制电力系统低频/超低频振荡，提高电力系统稳定性。

Description

基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统
技术领域
本发明属于发电机励磁技术领域，具体涉及一种基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统。
背景技术
随着电网容量和规模的发展，电力系统对励磁控制的可靠性和动态性能要求越来越高，同步发电机自并励励磁系统以其独特的优点成为国内外励磁控制的主要方式。现代电力系统要求同步发电机励磁系统能抑制0.1Hz~3Hz低频/超低频振荡，然而常规可控硅整流的励磁系统已很难达到抑制0.1Hz~3Hz的宽范围低频振荡的目的。当电网发生低频/超低频振荡时，同步发电机机端电压也将随之大幅度低频/超低频振荡，机端电压有可能较长时间持续在较低水平。在振荡期间，如果系统发生短路故障或需要增补无功，则要求自并励励磁系统强行励磁，一旦出现励磁能力不足，必将导致系统事故扩大化。
发明内容
本发明的目的在目的在于提供基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，具有良好的可扩展性，可以方便地扩展到很高的电压等级和功率水平，实现较高的电平数，减小交直流谐波分量。
一种基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，包括模块化多电平变流器、隔离级和励磁线圈；模块化多电平变流器的交流端口与同步发电机机端直接连接，模块化多电平变流器的直流端口与隔离级的高压方端口连接，隔离级的低压方端口连接励磁线圈的端口。
进一步地，所述模块化多电平变流器包括三相三桥臂电路，每相桥臂电路均包括上、下两个桥臂，每个上桥臂和下桥臂均包括多个半桥子模块和一个限流电抗器，多个半桥子模块依次串联，串联后的一端与限流电抗器连接后作为交流端口，另一端作为直流端口。
进一步地，所述半桥子模块由一个半桥电路和电容并联组成。
进一步地，所述隔离级包括高频调制部分、中频变压器和高频还原部分，高频调制部分的输入端为高压方端口，高频调制部分的输出端连接中频变压器的高压方绕组，中频变压器的低压方绕组连接高频还原部分的输入端，高频还原部分的输出端为低压方端口。
进一步地，所述中频变压器由一个高压方绕组和多个低压方绕组组成；所述高频调制部分由多个第一H桥功率变换模块组成，每个第一H桥功率变换模块的输出端依次串联后与中频变压器的高压方绕组连接，每个第一H桥功率变换模块输入端依次串联构成高压方端口；所述高频还原部分由多个第二H桥功率变换模块组成，每个第二H桥功率变换模块的输入端分别与中频变压器低压方的多个绕组一一相连接，每个第二H桥功率变换模块的输出端并联构成低压方端口。
进一步地，所述中频变压器由多个高压方绕组和多个低压方绕组组成；所述高频调制部分由多个第一H桥功率变换模块组成，每个第一H桥功率变换模块的输出端与中频变压器的多个高压方绕组一一连接，每个第一H桥功率变换模块输入端依次串联构成高压方端口；所述高频还原部分由多个第二H桥功率变换模块组成，每个第二H桥功率变换模块的输入端分别与中频变压器低压方的多个绕组一一相连接，每个第二H桥功率变换模块的输出端并联构成低压方端口。
进一步地，所述中频变压器为多个，每个中频变压器由一个高压方绕组和一个低压方绕组组成；所述高频调制部分由多个第一H桥功率变换模块组成，多个第一H桥功率变换模块的输出端与多个中频变压器的高压方绕组一一连接，每个第一H桥功率变换模块输入端依次串联构成高压方端口；所述高频还原部分由多个第二H桥功率变换模块组成，多个第二H桥功率变换模块的输入端与多个中频变压器的多个低压方绕组一一连接，每个第二H桥功率变换模块的输出端并联构成低压方端口。
本发明具有以下技术效果：
(1)本发明在应用中，模块化多电平变流器的每相桥臂由模块组成，具有良好的可扩展性，可以方便地扩展到很高的电压等级和功率水平，因此可以去掉额定电压较高、体积较大的工频励磁变压器，在隔离级加入额定电压较低、体积较小的中频变压器。
(2)由于采用模块化设计，因而可以实现较高的电平数，交直流谐波分量会大为减小，滤波装置的容量和体积也会相应减小。
(3)在谐波允许范围内，可以适当降低开关频率，减小开关损耗，提高系统的效率。
(4)采用一定的控制策略，可以灵活控制有无功功率的双向流动，为电力系统提供正阻尼，有效抑制电力系统低频/超低频振荡，提高电力系统稳定性。
(5)没有传统的晶闸管型自并励励磁系统的换相失败问题，具有较高的可靠性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为模块化多电平变流器的半桥子模块结构示意图。
图3为第一种隔离级结构示意图。
图4为第二种隔离级结构示意图。
图5为第三种隔离级结构示意图。
图6为励磁线圈结构示意图。
具体实施方式
下面通过借助实例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
如图1所示，本发明提供的系统包括模块化多电平变流器3、隔离级4和励磁线圈5；模块化多电平变流器3的交流端口a与同步发电机机端直接连接，模块化多电平变流器3的直流端口b与隔离级4的高压方端口c连接，隔离级4的低压方端口d连接励磁线圈5的端口e。模块化多电平变流器3将交流转换为直流，隔离级4将高压转换为低压，励磁线圈5产生励磁电流。
如图2所示，模块化多电平变流器包括有三相三桥臂电路，每相电路均包括上、下两个桥臂，每个上桥臂和下桥臂均包括N个基于全控开关器件的半桥子模块1和一个限流电抗器，N个半桥子模块依次串联，串联后的一端与限流电抗器连接后作为交流端口a，另一端作为直流端口b。半桥子模块1由一个半桥电路和电容并联组成。
图3给出隔离级第一种实施方式，隔离级4由高频调制部分、中频变压器和高频还原部分组成；高频调制部分，由M个H桥功率变换模块组成，每个H桥功率变换模块通过桥臂中点端口依次串联后与中频变压器的高压方绕组连接，每个H桥功率变换模块通过桥臂中点端口外的另一端口依次串联构成高压方端口c；高频还原部分，由P个H桥功率变换模块组成，桥臂中点端口分别与中频变压器低压方的P个绕组一一相连，每个H桥功率变换模块通过桥臂中点端口外的另一端口并联构成低压方端口d。M和P根据发电机机端电压等级确定，电压等级越高，M和P越大。
图4为第二种隔离级结构示意图，与图3的区别在于中频变压器的高压方由M个绕组构成，高频调制部分的每个H桥功率变换模块桥臂中点端口直接与中频变压器的高压方M个绕组一一连接。
图5为第三种隔离级结构示意图，与图3的区别在于隔离级包含多个中频变压器构成，每个中频变压器高压方和低压方均为一个绕组，高压方绕组与高频调制部分的一个功率变换模块的桥臂中点端口连接，低压方绕组与高频还原部分的一个功率变换模块的桥臂中点端口连接。
图6为励磁线圈结构示意图，由灭磁开关、非线性电阻和励磁绕组构成，非线性电阻与励磁绕组并联后与灭磁开关串联构成端口e。
本发明通过调节隔离级DC/DC电路开关器件的占空比以实现励磁电压从零开始上升的功能；通过直流励磁和控制交流侧无功功率为电力系统提供阻尼，从而抑制电力系统低频/超低频振荡，提高电力系统稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，包括模块化多电平变流器、隔离级和励磁线圈；模块化多电平变流器的交流端口与同步发电机机端直接连接，模块化多电平变流器的直流端口与隔离级的高压方端口连接，隔离级的低压方端口连接励磁线圈的端口。
2.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，其特征在于，所述模块化多电平变流器包括三相三桥臂电路，每相电路均包括上、下两个桥臂，每个上桥臂和下桥臂均包括多个半桥子模块和一个限流电抗器，多个半桥子模块依次串联，串联后的一端与限流电抗器连接后作为交流端口，另一端作为直流端口。
3.根据权利要求2所述的基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，其特征在于，所述半桥子模块由一个半桥电路和电容并联组成。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，其特征在于，所述隔离级包括高频调制部分、中频变压器和高频还原部分，高频调制部分的输入端为高压方端口，高频调制部分的输出端连接中频变压器的高压方绕组，中频变压器的低压方绕组连接高频还原部分的输入端，高频还原部分的输出端为低压方端口。
5.根据权利要求4所述的基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，其特征在于，所述中频变压器由一个高压方绕组和多个低压方绕组组成；所述高频调制部分由多个第一H桥功率变换模块组成，每个第一H桥功率变换模块的输出端依次串联后与中频变压器的高压方绕组连接，每个第一H桥功率变换模块输入端依次串联构成高压方端口；所述高频还原部分由多个第二H桥功率变换模块组成，每个第二H桥功率变换模块的输入端分别与中频变压器低压方的多个绕组一一相连接，每个第二H桥功率变换模块的输出端并联构成低压方端口。
6.根据权利要求4所述的基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，其特征在于，所述中频变压器由多个高压方绕组和多个低压方绕组组成；所述高频调制部分由多个第一H桥功率变换模块组成，每个第一H桥功率变换模块的输出端与中频变压器的多个高压方绕组一一连接，每个第一H桥功率变换模块输入端依次串联构成高压方端口；所述高频还原部分由多个第二H桥功率变换模块组成，每个第二H桥功率变换模块的输入端分别与中频变压器低压方的多个绕组一一相连接，每个第二H桥功率变换模块的输出端并联构成低压方端口。
7.根据权利要求4所述的基于模块化多电平变流器的自并励励磁系统，其特征在于，所述中频变压器为多个，每个中频变压器由一个高压方绕组和一个低压方绕组组成；所述高频调制部分由多个第一H桥功率变换模块组成，多个第一H桥功率变换模块的输出端与多个中频变压器的高压方绕组一一连接，每个第一H桥功率变换模块输入端依次串联构成高压方端口；所述高频还原部分由多个第二H桥功率变换模块组成，多个第二H桥功率变换模块的输入端与多个中频变压器的多个低压方绕组一一连接，每个第二H桥功率变换模块的输出端并联构成低压方端口。
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