CN103236693A - 一种统一电能质量控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种统一电能质量控制器，包括串联单元和并联单元；所述串联单元包括两个串联变换器和三个变压器，所述并联单元包括一个并联变换器；两个所述串联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至三个所述变压器的端子，其中两个所述串联变换器的同相输出端接同一变压器，所得的电压通过三个所述变压器耦合后串联接入至三相馈线的每一条单相馈线上，两个所述串联变换器的直流侧都分别连接至所述并联变换器的直流侧，所述并联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三相馈线上的每一条单相馈线。本发明能有效解决子模块冗余问题，其电压暂降补偿能力和工作稳定性都较高。

Description

一种统一电能质量控制器
技术领域
本发明涉及电力系统电能质量控制技术领域，特别是涉及一种统一电能质量控制器。
背景技术
统一电能质量控制器（Unified Power Quality Conditioner,UPQC）是一类能综合解决电压电流电能质量问题的电能质量控制器。UPQC包括并联单元和串联单元。其中，串联单元用于解决电压问题，具备DVR、DUPS功能；并联单元用于解决电流问题，具备D-STATCOM、APF功能。目前国内已有研制小容量实验样机的报道，但实际的工程应用，特别是在中高压、大容量供电领域的应用仍存在一定距离。
模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）技术的出现和发展为基于IGBT等全控开关器件的电力电子装置在中高压、大功率场合的应用提供了基础。该技术在柔性直流输电领域的应用展示了该技术的优势：它与开关管串联技术相比，更易实现在更高电压等级和功率要求场合的应用；模块化设计可以方便地提高装置冗余度，增加了装置的运行可靠性；模块化的设计也利于标准化的规模化生产，以便降低生产成本；多电平技术可以减小输出电压的谐波含量以及开关器件的开关频率，进而减少了开关损耗。同样的，MMC技术也适用用UPQC装置，为UPQC在中高压、大容量的场合应用提供了可能。
传统的MMC-UPQC的串并联单元均采用单变换器结构，两变换器在公共直流侧相连。电压暂降补偿能力是UPQC的一个重要指标，出于提高装置电压暂降补偿能力的考虑，公共直流侧电压取得很高（远大于并联单元直挂所要求的电压）。串、并联单元共用直流侧，两部分的子模块数目相等，由于并联单元只输出馈线电压，所以并联单元的子模块数目远大于并联工作所需的子模块数，即并联单元存在较多子模块一直冗余的情况，会造成装置成本的浪费问题。
发明内容
基于此，本发明提供一种统一电能质量控制器，能有效解决子模块冗余问题，其电压暂降补偿能力和工作稳定性都较高。
一种统一电能质量控制器，包括串联单元和并联单元；所述串联单元包括两个串联变换器和三个变压器，所述并联单元包括一个并联变换器；
两个所述串联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至三个所述变压器的端子，其中两个所述串联变换器的同相输出端接同一变压器，所得的电压通过三个所述变压器耦合后串联接入至三相馈线的每一条单相馈线上，两个所述串联变换器的直流侧都分别连接至所述并联变换器的直流侧，所述并联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三相馈线上的每一条单相馈线上。
上述统一电能质量控制器，其串联单元采用了双变换器串联结构，故串联单元输出则达到两倍馈线电压，提高了电压暂降补偿能力；并联单元的并联变换器采用单变换器结构，串、并联单元变换器通过公共直流侧连接。直流侧电压可按并联单元直挂的要求选择，可在维持子模块总数不变的条件下提高电压暂降补偿能力，同时充分利用并联单元的所有子模块，使并联单元不存在子模块冗余的问题。由于公共直流侧电压按并联单元直挂选择，故并联单元不存在冗余的情况。
附图说明
图1为本发明统一电能质量控制器在一实施例中的结构示意图。
图2为图1中模块化多电平变换器在一实施例中的结构示意图。
图3为图2中子模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，是本发明统一电能质量控制器在一实施例中的结构示意图，包括串联单元11和并联单元；所述串联单元11包括两个串联变换器111和三个变压器（Ta、Tb、Tc），所述并联单元包括一个并联变换器121；
两个所述串联变换器（串联变换器111和串联变换器112）交流侧的三个单相输出端分别连接至三个所述变压器（Ta、Tb、Tc）的端子，其中两个所述串联变换器（串联变换器111和串联变换器112）的同相输出端接同一变压器，所得的电压通过三个所述变压器（Ta、Tb、Tc）耦合后串联接入至三相馈线（Ua、Ub、Uc）的每一条单相馈线上，两个所述串联变换器111的直流侧都分别连接至所述并联变换器的直流侧，所述并联变换器121交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三相馈线（Ua、Ub、Uc）上的每一条单相馈线上；
如图1所示，本发明提供了一种新拓扑结构的MMC-UPQC，该拓扑结构的MMC-UPQC由串联单元11和并联单元组成。串联单元11包括两个串联变换器（串联变换器111和串联变换器112）和三个变压器（Ta、Tb、Tc），并联单元包括一个并联变换器121。两串联变换器（串联变换器111和串联变换器112）控制瞬时值互为相反数值的电压源，交流侧输出均为三相三线，两串联变换器（串联变换器111和串联变换器112）的三相输出的同相输出端分别连接到三个变压器（Ta、Tb、Tc）的变换器侧端子，如图1所示，串联变换器111的A相输出端和串联变换器112的A相输出端都连接至变压器Ta的变换器侧端子，同理，串联变换器111的B相输出端和串联变换器112的B相输出端都连接至变压器Tb的变换器侧端子，串联变换器111的C相输出端和串联变换器112的C相输出端都连接至变压器Tc的变换器侧端子，通过这三个变压器（Ta、Tb、Tc）耦合后分别串联接入到三相馈线（Ua、Ub、Uc）上。并联变换器121控制为电流源，其交流侧输出为三线三相，直接挂接在三个串联单元11的单相耦合变压器（Ta、Tb、Tc）串接后的三相馈线（Ua、Ub、Uc）上。串、并联单元的三个变换器均在公共直流侧相连，该公共直流侧电压按并联变换器121输出达到直挂馈线的电压来选择。由于串联单元11采用了双变换器串联结构，故串联单元11输出则达到两倍馈线电压，提高了电压暂降补偿能力。由于公共直流侧电压按并联单元直挂选择，故并联单元的子模块不存在冗余的情况。
例如将本实施例中的MMC-UPQC应用在10kV馈线，要求并联单元直挂馈线，串并联单元容量相同，电压补偿能力为可补偿60%的电压暂降，新拓扑结构的MMC-UPQC的公共直流侧电压按15kV选择，并联单元可输出交流10kV，即并联单元只需原有子模块数目的2/3。由于新拓扑结构MMC-UPQC的三个变换器在公共直流侧相连，故串联单元的两变换器均可采用与并联单元的相同数目的子模块，即为原有串联单元子模块数的2/3，两串联变换器111的输出均可达到交流10kV。由于串联单元11采用两变换器串联结构，故串联单元11的输出能力为20kV。本例中，与基于现有技术的MMC-UPQC相比，新拓扑结构的MMC-UPQC在维持总子模块数目不变的情况下，串联单元的输出能力提高了1/3，并联单元子模块也不存在冗余的问题
而与传统的UPQC相比，传统的UPQC直流侧电压需选择在22kV。由于串、并联变换器共用直流侧，故并联变换器也具备输出交流15kV能力，但由于并联单元直挂10kV馈线上，故并联变换器只工作在10kV，等效于约1/3的子模块一直处于不投入的状态，即存在冗余的现象。
在一较佳实施例中，所述串联变换器111和并联变换器121都为模块化多电平变换器。
在一较佳实施例中，如图2所示，为所述模块化多电平变换器的结构示意图，所述模块化多电平变换器为三相全桥逆变器结构，其交流侧每相（A、B、C）都包括两个桥臂（如图中的桥臂20和桥臂21），每个所述桥臂20都包括一个桥臂电抗器201和1～N个子模块（如图中的子模块201和子模块202），每相的两个所述桥臂20中的两个所述桥臂电抗器201串联连接，每相的两个所述桥臂电抗器201连接线上的中点为所述模块化多电平变换器交流侧每一相的输出端（A、B、C）；
如图3所示，是子模块202的结构示意图，每个所述桥臂20中的每个所述子模块202包括第一绝缘栅双极型晶体管I1和第二绝缘栅双极型晶体管I2，第一绝缘栅双极型晶体管I1的集电极连接第二绝缘栅双极型晶体管I2的发射极，两个所述绝缘栅双极型晶体管串联连接后再并联一个电容C，两个绝缘栅双极型晶体管都反并联一个二极管（二极管D1和二极管D2）；
每个所述桥臂20中的所述桥臂电抗器201连接至第一子模块202中第一绝缘栅双极型晶体管I1的发射极，每个子模块202中的第一绝缘栅双极型晶体管I1的集电极依次与另一个子模块202中的第一绝缘栅双极型晶体管I1的发射极连接；如图2所示，子模块都通过其第一绝缘栅双极型晶体管I1的集电极连接到下一个子模块202中的第一绝缘栅双极型晶体管I1的发射极，各个子模块依次连接；
所述模块化多电平变换器交流侧三相的同侧桥臂中的第N子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极都并联连接后为所述模块化多电平变换器的直流侧端点（Udc）。
在一较佳实施例中，所述变压器（Ta、Tb、Tc）为单相隔离变压器。
在一较佳实施例中，两个所述串联变换器111都还可各并联连接一个双向晶闸管，采用双向晶闸管旁路能实现串联单元冗余运行。现有技术中串联单元采用单变换器结构，当串联变换器损坏时，装置需退出运行；而本实施例的串联单元采用双变换器串联结构，在某个串联变换器损坏时，可通过双向晶闸管旁路实现串联单元的冗余运行，装置可维持运行。
本发明统一电能质量控制器，其串联单元采用了双变换器串联结构，故串联单元输出则达到两倍馈线电压，提高了电压暂降补偿能力；并联变换器采用单变换器结构，串、并联单元变换器通过公共直流侧连接。直流侧电压可按并联单元直挂的要求选择，可在维持子模块总数不变的条件下提高电压暂降补偿能力，同时充分利用并联单元的所有子模块，使并联单元不存在子模块冗余的问题。由于公共直流侧电压按并联单元直挂选择，故并联单元的子模块不存在冗余的情况。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种统一电能质量控制器，其特征在于，包括串联单元和并联单元；所述串联单元包括两个串联变换器和三个变压器，所述并联单元包括一个并联变换器；
两个所述串联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至三个所述变压器的端子，其中两个所述串联变换器的同相输出端接同一变压器，所得的电压通过三个所述变压器耦合后串联接入至三相馈线的每一条单相馈线上，两个所述串联变换器的直流侧都分别连接至所述并联变换器的直流侧，所述并联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三相馈线上的每一条单相馈线上。
2.根据权利要求1所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述串联变换器和并联变换器都为模块化多电平变换器。
3.根据权利要求2所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述模块化多电平变换器为三相全桥逆变器结构，其交流侧每相都包括两个桥臂，每个所述桥臂都包括一个桥臂电抗器和1～N个子模块，每相的两个所述桥臂中的两个所述桥臂电抗器串联连接，每相的两个所述桥臂电抗器连接线上的中点为所述模块化多电平变换器交流侧每一相的输出端；
每个所述桥臂中的每个所述子模块包括第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管，第一绝缘栅双极型晶体管的集电极连接第二绝缘栅双极型晶体管的发射极，两个所述绝缘栅双极型晶体管串联连接后再并联一个电容，两个绝缘栅双极型晶体管都反并联一个二极管；
每个所述桥臂中的所述桥臂电抗器连接至第一子模块中第一绝缘栅双极型晶体管的发射极，每个子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极依次与另一个子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；
所述模块化多电平变换器交流侧三相的同侧桥臂中的第N子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极都并联连接后为所述模块化多电平变换器的公共直流侧端点。
4.根据权利要求1所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述变压器为单相隔离变压器。
5.根据权利要求1所述的统一电能质量控制器，其特征在于，两个所述串联变换器都还各并联连接一个双向晶闸管。
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