CN103236710A - 采用模块化结构的统一潮流控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种采用模块化结构的统一潮流控制器。本发明将结构改进的模块化多电平换流器与统一潮流控制器有机结合，使统一潮流控制器直流电压降低一倍，同时具备分相控制的能力，且统一潮流控制器串联侧的电力电子旁路开关可提高装置安全性，并降低对换流器开关器件的要求。此外，本发明的统一潮流控制器同时具备模块化多电平换流器结构紧凑、电压、功率等级变化灵活、开关频率较低、损耗较低、输出波形谐波含量较低等优点。

Description

采用模块化结构的统一潮流控制器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及采用模块化结构的统一潮流控制器。
背景技术
统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)是基于电压源换流器的串、并联混合型FACTS装置，能够对多个电气参数进行柔性控制，是提高电网可控性的有效手段。UPFC概念被提出后立即引起一股研究和应用的热潮，国外相继投运3个工程，均延续了早期灵活交流输电(flexible AC transmission system，FACTS)领域普遍采用的将三相方波型电压源换流器单元通过变压器进行移相叠加的多重化拓扑，同时采用GTO器件串联和二极管钳位型三电平换流器技术。开关器件串联、三电平、多重化技术相结合既能显著提升换流器的容量和电压等级，又能改善波形质量，对采用基频方波调制的慢速大容量全控型开关器件十分适用。但过多曲折变压器的使用导致换流器整体结构冗杂、磁路复杂，经济性及可靠性降低，同时，基于基频堆波的多重化结构能否充分发挥IGBT器件高频快速响应的特点还有待探讨。
为了与输电网电压、功率等级相匹配，必须采取有效措施提高UPFC换流器容量，多电平和开关器件串联是目前大功率电压源换流器采用的2种主要方式。考虑到器件串联导致的动静态均压、谐波、电压变化率等问题，以及ABB对压接型IGBT及其串联技术的封锁，新型多电平电压源换流器受到越来越多的关注。按电路结构形式的不同，多电平换流器可分为钳位型多电平结构和模块化多电平结构。钳位型多电平换流器的电路复杂程度随电平数的增加急剧增加，实际大容量场合应用时一般不超过三电平，发展瓶颈仍为器件串联技术。而模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)突破了传统电压源换流器的设计思路，将直流电容分散装设在各个子模块内，采用模块直接串联的方式，通过多个小电平值叠加生成多电平交流电压，功率等级变化灵活。近年来，MMC已在柔性直流输电领域得到实践和发展，也为UPFC的拓扑结构选择提供了新的方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种采用模块化结构的统一潮流控制器，可实现分相控制、保护和运行，增强统一潮流控制器对电网异常状态的适应性。
本发明提供的一种采用模块化结构的统一潮流控制器，包括换流器I、换流器II、启动电路I、变压器I和变压器II；所述换流器I一端与所述变压器I连接后并入电网，另一端与所述换流器II连接；所述换流器II的另一端通过所述变压器II串入电网；其改进之处在于，
所述换流器I和所述换流器II的结构均为三单相桥模块化换流器，其由三相12个桥臂构成，换流器三相输出与各相换流器侧绕组独立的变压器连接后接入电网的三相母线；
在所述变压器II的系统侧依次并联设置旁路开关组和断路器。
其中，所述三相12个桥臂，每相包括4个桥臂，两个上桥臂和两个下桥臂；
每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块，N个子模块级联后一端通过电抗器与变压器连接，另一端与同方向桥臂的级联的子模块一端连接，形成正负极母线。
其中，所述统一潮流控制器包括启动电路I、启动电路II；
所述启动电路I设置在所述正极母线上；所述启动电路II设置在所述负极母线上。
其中，所述统一潮流控制器包括电力电子旁路开关；所述电力电子旁路开关设置在所述换流器II和所述变压器II之间。
其中，所述电力电子旁路开关包括3组晶闸管开关，分别连接三相输电线；
每组晶闸管开关包括反并联的晶闸管。
其中，所述电力电子旁路开关采用星型或三角形接线方式。
其中，所述变压器II在换流器侧绕组和系统侧绕组均采用开口星型接线方式。
其中，所述变压器I在换流器侧绕组采用开口星型接线方式，在系统侧绕组采用星型接线方式，且中性点接地；或者
所述变压器I在换流器侧绕组采用开口星型接线方式，在系统侧绕组采用三角型接线方式并设有用于隔离零序分量的三角形第三绕组，第三绕组接地，且中性点接地；
其中，所述统一潮流控制器包括设置在电网和所述变压器I之间的启动电路III。
其中，所述子模块由半桥结构与直流电容并联构成，所述半桥结构包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管；
引出半桥结构中点和IGBT的集电极/发射极作为子模块的输入端和输出端。
其中，所述旁路开关组包括开关K1、开关K2和开关K3；
所述开关K2依次与断路器和开关K3串联后再与所述开关K1并联；
所述断路器与所述变压器II并联。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明与传统模块化多电平换流器相比，输出相同交流电压，直流电压可降低一半，显著降低设备的电压应力和绝缘设计要求。
本发明可实现分相控制、保护和运行，增强统一潮流控制器对电网异常状态的适应性。
本发明具备故障后装置的快速旁路能力，提高装置和系统安全。
本发明的拓扑结构减少了模块数，有利于均压控制。
本发明在变压器II的系统侧并联了旁路开关组和断路器，一方面保护了换流器的阀的安全性，另一方面降低装置投入、退出过程对系统的影响，减少统一潮流控制器对线路继电保护设置的影响。
本发明在直流正负极母线处设置了启动电路，简单、可靠的限制装置启动时，由换流器I与换流器II之间直流电压差导致的冲击电流，保护换流器的阀的安全性。
本发明统一潮流控制器所采用的三单相模块化换流器，桥臂并联数多，除如本发明所述的分相控制，实现较低直流电压下交流侧高电压输出外，还可在改变控制方式，变成两台三单相桥并联运行，适用于对装置电流应力要求高的场合。
本发明统一潮流控制器采用模块化结构，以低电平台阶逐步实现多电平电压输出，极大降低了电压变化率，开关器件所承受的电压仅为子模块电压，较好的抑制了电磁辐射等不利因素，同时，该结构统一潮流控制器仅通过变化所采用的子模块的数量，就可以灵活改变换流器的输出电压和功率等级，灵活性强。
附图说明
图1是本发明提供的采用模块化结构的新型统一潮流控制器换流器示意图。
图2是本发明提供的三单相模块化多电平换流器单相示意图。
图3是本发明提供的与电网A相输电线连接的4个桥臂的结构示意图。
图4是本发明提供的统一潮流控制器并联侧变压器一种可行结构示意图。
图5是本发明提供的统一潮流控制器串联侧变压器一种可行结构示意图。
图6是本发明提供的串联侧电力电子旁路开关结构示意图。
图7是本发明提供的串联侧电力电子旁路开关的一种单相可行结构示意图。
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。
本实施例提出的采用三单相桥模块化多电平换流器的新型统一潮流控制器，其结构如图1所示，包括换流器I（图中的2所示）、换流器II（图中的9所示）、变压器I（图中的5所示）和变压器II（图中的6所示）；换流器I一端与变压器I连接后并入电网，另一端通过正负极母线与换流器II连接；换流器II的另一端通过变压器II串入电网；且本实施例的换流器I和换流器II的结构均为三单相桥模块化换流器，其由三相12个桥臂构成，且三相分别与三个变压器连接后接入电网的三相母线。本实施例还在变压器II的系统侧依次并联设置旁路开关组和断路器。旁路开关组包括开关K1、开关K2和开关K3；开关K2依次与变压器II和K3串联后再与开关K1并联；断路器与变压器II并联。断路器用于保护换流器II，防止其承受过大电流应力；开关K1与断路器并联，用于增强旁路操作的可靠性，同时方便旁路断路器检修。例如，系统发生短路故障，晶闸管旁路动作后3～5个周波，应有旁路断路器闭合来转移故障电流。倘若断路器合闸不成功，则可通过旁路开关K3闭合，实现电路的导通，相当于对电路进行了二次保护，增强了操作的可靠性。
通过直流限流电阻构成背靠背连接方式的串、并联侧三单相桥模块化多电平换流器结构如图2所示。由于串、并联侧换流器结构相同，均包含三个单相桥，整个统一潮流控制器包含6个单相桥。图中，6个单相桥的正极AP1、AP2，BP1、BP2、CP1、CP2相连，构成统一潮流控制器的直流正极；6个单相桥的负极AN1、AN2，BN1、BN2、CN1、CN2相连，构成统一潮流控制器的直流负极；并联侧三个单相桥的交流输出A1-sh、A2-sh，B1-sh、B2-sh，C1-sh、C2-sh连接图4所示的变压器I的换流器侧绕组的A1-sh、A2-sh，B1-sh、B2-sh，C1-sh、C2-sh端；串联侧三个单相桥的交流输出A1-se、A2-se，B1-se、B2-se，C1-se、C2-se连接附图5所示的变压器II的换流器侧绕组的A1-se、A2-se，B1-se、B2-se，C1-se、C2-se端；统一潮流控制器并联侧3个单相桥的正极AP1、BP1、CP1直接相连，串联侧3个单相桥的正极AP2、BP2、CP2直接相连，串、并联侧单相桥正极的公共端子通过直流正极启动电阻RDC1及其并联旁路开关BRKDC1连接；统一潮流控制器并联侧3个单相桥的负极AN1、BN1、CN1直接相连，串联侧3个单相桥的负极AN2、BN2、CN2直接相连，串、并联侧单相桥负极的公共端子通过直流负极启动电阻RDC2及其并联旁路开关BRKDC2连接。
变压器II的换流器侧绕组两端并联电力电子旁路开关，线路侧绕组并联机械旁路开关组。两套旁路装置相互配合，利用电力电子旁路开关的迅速动作能力，转移故障电流，避免三单相桥模块化换流器中开关器件承受过大电流应力。
构成三单相桥模块化多电平换流器的单相桥结构如图3所示，该单相桥由标号分别为1、2、3、4的4个桥臂构成，其中桥臂1和桥臂3为同方向桥臂，为上桥臂，桥臂2和桥臂4为同方向桥臂，为下桥臂。每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块，N个子模块级联后一端通过电抗器与变压器连接，另一端与同方向桥臂的级联的子模块一端连接，形成正负极母线。子模块由半桥结构与直流电容并联构成，所述半桥结构包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管；引出半桥结构中点和IGBT的集电极/发射极作为子模块的输入端和输出端，因此三单相桥模块化换流器每相包含两个交流输出端。对三单相桥模块化换流器各相两个交流输出端对应的上、下桥臂进行适当控制，两交流输出端间的输出电压的幅值可达到单个交流端输出电压的二倍。由此在不增大直流电压的条件下显著增大交流输出电压。例如，对桥臂1、桥臂4采用相同的触发方式，同时对桥臂2、桥臂3采用相同的触发方式，则单相桥交流端子A1、A2间的电压为A1对中性点或A2对中性点电压的两倍。
变压器I的绕组接线形式如图4所示，系统侧绕组采用YN型接线方式，端子AH-sh、BH-sh、CH-sh连接到高压启动电阻III及其旁路开关，进而通过高压开关并联接入统一潮流控制器所在变电站母线。低压侧绕组采用开口星型，与换流器I交流输出端子相连。
变压器II的绕组接线形式如图5所示，系统侧绕组采用开口星型接线方式，端子A1H-se、A2H-se，B1H-se、B2H-se，C1H-se、C2H-se分相接入三相输电线路。低压侧绕组采用开口星型，与换流器II交流输出端子相连。
电力电子旁路开关接线方式如图6所示，可采用星型或三角形接线方式。开关每相可由两个反并联的晶闸管阀构成，如A相的T1、T2，在电流正、负半波交替导通。晶闸管阀T1、T2、T3、T4、T5、T6的实现方式可采取的方式如图7所示，由若干个反并联的晶闸管对及其缓冲电路串联来提高电压等级，进而与限流电抗串联。反并联晶闸管对与电抗串联后，在其两端并联避雷器实现过电压保护。
本实施例上述所述的启动电路用于装置启动时限流，均由电阻及其两端并联的旁路开关构成。
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 (11)

1.一种采用模块化结构的统一潮流控制器，包括换流器I、换流器II、启动电路I、变压器I和变压器II；所述换流器I一端与所述变压器I连接后并入电网，另一端与所述换流器II连接；所述换流器II的另一端通过所述变压器II串入电网；其特征在于， 
所述换流器I和所述换流器II的结构均为三单相桥模块化换流器，其由三相12个桥臂构成，换流器三相输出与各相换流器侧绕组独立的变压器连接后接入电网的三相母线； 
在所述变压器II的系统侧依次并联设置旁路开关组和断路器。 
2.如权利要求1所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述三相12个桥臂，每相包括4个桥臂，两个上桥臂和两个下桥臂； 
每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块，N个子模块级联后一端通过电抗器与变压器连接，另一端与同方向桥臂的级联的子模块一端连接，形成正负极母线。 
3.如权利要求1所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述统一潮流控制器包括启动电路I、启动电路II； 
所述启动电路I设置在所述正极母线上；所述启动电路II设置在所述负极母线上。 
4.如权利要求1所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述统一潮流控制器包括电力电子旁路开关；所述电力电子旁路开关设置在所述换流器II和所述变压器II之间。 
5.如权利要求4所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述电力电子旁路开关包括3组晶闸管开关，分别连接三相输电线； 
每组晶闸管开关包括反并联的晶闸管。 
6.如权利要求5所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述电力电子旁路开关采用星型或三角形接线方式。 
7.如权利要求4所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述变压器II在换流器侧绕组和系统侧绕组均采用开口星型接线方式。 
8.如权利要求1所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述变压器I在换流器侧绕组采用开口星型接线方式，在系统侧绕组采用星型接线方式，且中性点接地；或者 
所述变压器I在换流器侧绕组采用开口星型接线方式，在系统侧绕组采用三角型接线方式并设有用于隔离零序分量的三角形第三绕组，第三绕组接地，且中性点接地。 
9.如权利要求1所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述统一潮流控制器包括设置在电网和所述变压器I之间的启动电路III。 
10.如权利要求2所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述子模块由半桥结构与 直流电容并联构成，所述半桥结构包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管； 
引出半桥结构中点和IGBT的集电极/发射极作为子模块的输入端和输出端。 
11.如权利要求1所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述旁路开关组包括开关K1、开关K2和开关K3； 
所述开关K2依次与断路器和开关K3串联后再与所述开关K1并联； 
所述断路器与所述变压器II并联。 
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