CN105703376A - 一种混合型统一潮流控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种混合型统一潮流控制器，包括电抗器单元、电容器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器；电抗器单元和电容器单元串联接入输电线路中；电抗器两端并联第一开关装置，电容器两端并联第二开关装置；第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入串联变压器，该第二换流器的另一端接入并联变压器；串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接，该另一侧绕组上并联第三开关装置。与现有技术相比，本发明提供的一种混合型统一潮流控制器，能够显著降低换流器所需容量，节约成本，同时具备限流的功能。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种混合型统一潮流控制器。
背景技术
随着电力系统的大力发展，新能源的规模接入、网架结构日益复杂、潮流分布不均、电压支撑能力不足等问题给电网的安全稳定运行带来了新的挑战。部分地区出现了供电瓶颈，不能满足负荷发展需要。从电网实际情况来看，潮流分布不均是制约电网输送能力的重要因素。传统电网缺乏有效的潮流调节手段，通过采用新型FACTS(FlexibleAlternativeCurrentTransmisSystem)装置来改善系统运行工况，提高电网输送容量是一个现实且理想的选择。
统一潮流控制器(UnifiedPowerFlowController，UPFC)作为第3代FACTS设备的代表，是迄今为止功能最全面的FACTS装置，能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相和端电压调节等多种基本功能。UPFC既能在电力系统稳定方面实现潮流调节，合理控制有功功率、无功功率，提高线路的输送能力，实现优化运行；又能在动态方面，通过快速无功吞吐，动态支撑接入点的电压，提高系统电压稳定性；还可以改善系统阻尼，提高功角稳定性。
常规统一潮流控制器控制功能灵活而卓越，但其在电力系统中推广使用不具备容量和价格优势。传统电容器、电抗器可作为线路串联补偿，但灵活性和动作速度都不能满足精确调节的要求。统一潮流控制器需要更加灵活的功能配置，需要将串联补偿与统一潮流控制器结合起来。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种混合型统一潮流控制器。
本发明的技术方案是：
所述统一潮流控制器包括电抗器单元、电容器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器；
所述电抗器单元和电容器单元串联接入输电线路中；所述电抗器单元包括一个电抗器或者串联的多个电抗器，所述电抗器上并联有第一开关装置；所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器串联和并联形成的电容器组，所述电容器上并联有第二开关装置；
所述第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入所述串联变压器，该第二换流器的另一端接入所述并联变压器；
所述串联变压器的另一侧绕组与所述输电线路连接，该另一侧绕组上并联第三开关装置。
本发明提供的一个优选实施例为：
所述第二换流器上并联第四开关装置；所述第三开关装置与第四开关装置互为备用装置，当第三开关装置和第四开关装置中任一开关装置发生拒动时，另一开关装置动作。
本发明提供的一个优选实施例为：
所述第一开关装置、第二开关装置、第三开关装置和第四开关装置包括机械开关或者电力电子开关。
本发明提供的一个优选实施例为：所述第一开关装置、第二开关装置、第三开关装置和第四开关装置均包括机械开关和电力电子开关，该机械开关和电力电子开关并联。
本发明提供的一个优选实施例为：所述电力电子开关包括反并联的两个晶闸管。
本发明提供的一个优选实施例为：所述电力电子开关包括全控型电力电子器件，该全控型电力电子器件采用IGBT、GTO、IGCT和SIC中任一种。
本发明提供的一个优选实施例为：所述第一换流器和第二换流器均采用H桥级联型换流器、MMC型换流器、二极管钳位型换流器和飞跨电容型换流器中任一种。
本发明提供的一个优选实施例为：所述统一潮流控制器的工作模式包括容性偏移补偿模式和感性偏移补偿模式；
当第一开关装置闭合，第二开关装置和第三开关装置断开时，统一潮流控制器工作于容性偏移补偿模式；
当第二开关装置闭合，第一开关装置和第三开关装置断开时，统一潮流控制器工作于感性偏移补偿模式。
本发明提供的一个优选实施例为：
当所述统一潮流控制器工作于容性偏移补偿模式时，所述电容器单元提供一个正向偏移的稳态运行工作点，所述换流器提供动态工作范围；通过调整电容器单元中电容器的电容值或者串并联数量，调节所述稳态运行工作点；
当所述统一潮流控制器工作于感性偏移补偿模式时，所述电抗器单元提供一个反向偏移的稳态运行工作点，所述换流器提供动态工作范围；通过调整电抗器单元中电抗器的电抗值、绕组抽头或者串联数量，调节所述稳态运行工作点。
本发明提供的一个优选实施例为：所述统一潮流控制器包括固定容性偏移结构和固定感性偏移结构。
本发明提供的一个优选实施例为：
所述统一潮流控制器为固定容性偏移结构时：包括电容器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器；
所述电容器单元串联接入输电线路中；所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器串联和并联形成的电容器组，所述电容器上并联有第二开关装置；
所述第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入所述串联变压器，该第二换流器的另一端接入所述并联变压器；
所述串联变压器的另一侧绕组与所述输电线路连接，该另一侧绕组上并联第三开关装置。
本发明提供的一个优选实施例为：
所述统一潮流控制器为固定感性偏移结构时：包括电抗器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器；
所述电抗器单元串联接入输电线路中；所述电抗器单元包括一个电抗器或者串联的多个电抗器，所述电抗器上并联有第一开关装置；
所述第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入所述串联变压器，该第二换流器的另一端接入所述并联变压器；
所述串联变压器的另一侧绕组与所述输电线路连接，该另一侧绕组上并联第三开关装置。
与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种混合型统一潮流控制器，能够实现容性、感性双向补偿，补偿模式可以根据系统需求迅速切换；
2、本发明提供的一种混合型统一潮流控制器，将电抗器、电容器和全控型电力电子换流器相结合，仅需较小的换流器容量即可实现大范围的容性补偿和感性补偿；
3、本发明提供的一种混合型统一潮流控制器，通过开关装置的配置能够在不同运行工况下有效保护混合型统一潮流控制器；
4、本发明提供的一种混合型统一潮流控制器，能够显著降低换流器所需容量，节约成本，同时具备限流的功能。
附图说明
图1：本发明实施例中一种混合型统一潮流控制器结构示意图；
图2：本发明实施例中另一种混合型统一潮流控制器结构示意图；
图3：本发明实施例中采用晶闸管开关和机械开关的混合型统一潮流控制器结构示意图；
图4：本发明实施例中容性补偿的等值电路图；
图5：本发明实施例中感性补偿的等值电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
本发明提供的一种混合型统一潮流控制器的实施例如图1和2所示，具体为：
如图1所示，本实施例中该统一潮流控制器包括电抗器单元、电容器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器。其中，
①：电抗器单元串联接入输电线路中，电抗器单元包括一个电抗器或者串联的多个电抗器，每个电抗器两端并联有第一开关装置。
②：电容器单元串联接入输电线路中，电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器串联和并联形成的电容器组，每个电容器两端并联有第二开关装置。
③：第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入串联变压器，该第二换流器的另一端接入并联变压器。即第一换流器并联在串联变压器的一侧绕组两端，串联变压器的另一侧绕组与第三开关装置并联，可以实现保护装置或退出装置的功能。如图2所示，第一换流器的两端也可以并联有第四开关装置，第三开关装置与第四开关装置互为备用装置，二者中任一开关装置发生拒动时，另一开关装置动作。
本实施例中换流器采用H桥级联型换流器、MMC型换流器、二极管钳位型换流器和飞跨电容型换流器中任一种。
本实施例中第一开关装置、第二开关装置、第三开关装置和第四开关装置的结构包括两种类型：
第一种：第一开关装置、第二开关装置、第三开关装置和第四开关装置采用机械开关或者电力电子开关。
第二种：第一开关装置、第二开关装置、第三开关装置和第四开关装置均包括机械开关和电力电子开关，该机械开关和电力电子开关并联。
上述两种类型结构中电力电子开关均包括反向并联的两个电力电子器件。本实施例中电力电气器件可以采用半控型电力电子器件也可以采用全控型电力电子器件：半控型电力电子器件采用晶闸管，全控型电力电子器件采用IGBT、GTO、IGCT和SIC中任一种。
本发明中统一潮流控制器包括固定容性偏移结构和固定感性偏移结构。其中，
1、固定容性偏移结构
本实施例中统一潮流控制器包括电容器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器；
电容器单元串联接入输电线路中；电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器串联和并联形成的电容器组，电容器上并联有第二开关装置；第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入串联变压器，该第二换流器的另一端接入并联变压器；串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接，该另一侧绕组上并联第三开关装置。
2、固定感性偏移结构
本实施例中统一潮流控制器包括电抗器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器；电抗器单元串联接入输电线路中；电抗器单元包括一个电抗器或者串联的多个电抗器，电抗器上并联有第一开关装置；第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入串联变压器，该第二换流器的另一端接入并联变压器；串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接，该另一侧绕组上并联第三开关装置。
需要说明的是，本发明并未标注用于保护电容、串联变压器、换流器及开关装置的避雷器、间隙等设备，不表示装置设计制造及工程实际实施时，不存在这些设备。同时，实际工程实施时，会有许多隔离刀闸、断路器、电流测量设备、电压测量设备。这里没有画出这些设备，不表示工程实际实施时，不存在这些设备。
本发明中混合型统一潮流控制器的工作模式包括容性偏移补偿模式和感性偏移补偿模式，本实施例中定义输电线路的容性补偿为正向补偿，感性补偿为反向补偿；
①：容性偏移补偿模式
当第一开关装置闭合，第二开关装置和第三开关装置断开时，统一潮流控制器工作于容性偏移补偿模式。电容器单元提供一个正向偏移的稳态运行工作点，换流器提供动态工作范围，从而使得串联侧补偿的控制范围显著增大。
通过调整电容器单元中的电容值或者电容器的串并联数量，调节稳态运行工作点，即使得该统一潮流控制器具备分级调节功能。
②：感性偏移补偿模式
当第二开关装置闭合，第一开关装置和第三开关装置断开时，统一潮流控制器工作于感性偏移补偿模式。电抗器单元提供一个反向偏移的稳态运行工作点，换流器提供动态工作范围，从而使得串联侧补偿的控制范围显著增大。
通过调整电抗器单元中电抗器的电感值或者电容器的串并联数量，调节稳态运行工作点，即使得该统一潮流控制器具备分级调节功能。
统一潮流控制器的工作模式不仅限于单纯的容性偏移补偿模式和感性偏移补偿模式，而呈现一种偏容性或偏感性的复杂补偿特性。
本发明中以图3所示采用晶闸管开关和机械开关的混合型统一潮流控制器为例进行说明。本实施例中第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置均由机械开关和电力电子开关并联组成，其中：
第一开关装置包括机械开关BRK1、反向并联的晶闸管THY11和晶闸管THY12；
第二开关装置包括机械开关BRK2、反向并联的晶闸管THY21和晶闸管THY22；
第三开关装置包括机械开关BRK3、反向并联的晶闸管THY31和晶闸管THY32。
本实施例中混合型统一潮流控制器的工作过程为：
1、混合型统一潮流控制器未接入系统
混合型统一潮流控制器接入系统1和系统2之前，机械开关BRK1、机械开关BRK2、机械开关BRK3均闭合，整个混合型统一潮流控制器串联侧处于旁路状态，不对系统初始运行状态造成任何影响。
2、混合型统一潮流控制器接入系统
(1)容性偏移补偿模式
若长距离输电线路的电抗较大时，通过串入电容可以补偿输电线路的电抗，降低传输损耗。因此将混合型统一潮流控制器接入系统1和系统2，并控制其工作于容性偏移补偿模式：
闭合机械开关BRK1，断开机械开关BRK2和机械开关BRK3，晶闸管均闭锁，此时系统等值电路如图4所示。换流器和串联变压器组成的常规统一潮流控制器可以工作在感性偏移补偿模式下，从而预留较大的正向补偿能力，在系统发生故障，需要提高暂态稳定性的场景下能够迅速最大程度降低线路等等效电抗，提高暂态稳定极限，并通过该常规静止同步补偿器的动态控制对系统震荡进行阻尼。
(2)容性偏移补偿模式切换至感性偏移补偿模式
若混合型统一潮流控制器工作于容性偏移补偿模式时，出现输电线路过电流，则控制电容器两端的晶闸管THY21和晶闸管THY22，以及串联变压器接入输电线路的一侧绕组两端的晶闸管THY31和晶闸管THY32迅速导通，同时控制机械开关BRK2和机械开关BRK3闭合，通过开关装置旁路电容器、串联变压器以保护混合型统一潮流控制器。断开机械开关BRK1，投入电抗器进行限流。
切换方法：迅速导通电容器两端的晶闸管THY21和晶闸管THY22，同时闭合机械开关BRK2，断开机械开关BRK1，实现容性偏移补偿模式切换至感性偏移补偿模式。
本实施例中，图3中未对应图2标出第四开关装置。若混合型统一潮流控制器应用于较高电压等级，即串联变压器中换流器侧电压低于系统侧电压时，原则上第四开关装置的动作速度可快于第三开关装置，此时增加第四开关装置包括机械开关BRK4、反向并联的晶闸管THY41和晶闸管THY42，在线路过流时反向并联的晶闸管THY41和晶闸管THY42迅速导通，将换流器旁路以保护换流器。
(3)感性偏移补偿模式
当输电线路由于短路故障或者负载增加、并行线路跳闸等原因导致过载，需要限流时，闭合机械开关BRK2，断开机械开关BRK1和机械开关BRK3，晶闸管均闭锁，此时系统等值电路如图5所示。换流器和串联变压器组成的常规静止同步补偿器可以工作在容性偏移补偿模式下，从而预留较大的反向补偿能力。
(4)感性偏移补偿模式切换至容性偏移补偿模式
迅速导通电抗器两端的晶闸管THY11和晶闸管THY12，同时闭合机械开关BRK1，断开机械开关BRK2，实现感性偏移补偿模式切换至容性偏移补偿模式。
需要说明的是，串入电感和电容的情况不限于实施例所示的结构，任何通过增加或减少电感和电容来实现大范围串联补偿的情况，都属于本发明范围之内。统一潮流控制的并联侧可以连接到本线路的母线也可以连接到其他线路，都属于本发明范围之内。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (12)
1.一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，所述统一潮流控制器包括电抗器单元、电容器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器；
所述电抗器单元和电容器单元串联接入输电线路中；所述电抗器单元包括一个电抗器或者串联的多个电抗器，所述电抗器上并联有第一开关装置；所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器串联和并联形成的电容器组，所述电容器上并联有第二开关装置；
所述第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入所述串联变压器，该第二换流器的另一端接入所述并联变压器；
所述串联变压器的另一侧绕组与所述输电线路连接，该另一侧绕组上并联第三开关装置。
2.如权利要求1所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，
所述第二换流器上并联第四开关装置；所述第三开关装置与第四开关装置互为备用装置，当第三开关装置和第四开关装置中任一开关装置发生拒动时，另一开关装置动作。
3.如权利要求1所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，
所述第一开关装置、第二开关装置、第三开关装置和第四开关装置包括机械开关或者电力电子开关。
4.如权利要求1所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，所述第一开关装置、第二开关装置、第三开关装置和第四开关装置均包括机械开关和电力电子开关，该机械开关和电力电子开关并联。
5.如权利要求3或4所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，所述电力电子开关包括反并联的两个晶闸管。
6.如权利要求3或4所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，所述电力电子开关包括全控型电力电子器件，该全控型电力电子器件采用IGBT、GTO、IGCT和SIC中任一种。
7.如权利要求1所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，所述第一换流器和第二换流器均采用H桥级联型换流器、MMC型换流器、二极管钳位型换流器和飞跨电容型换流器中任一种。
8.如权利要求1所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，所述统一潮流控制器的工作模式包括容性偏移补偿模式和感性偏移补偿模式；
当第一开关装置闭合，第二开关装置和第三开关装置断开时，统一潮流控制器工作于容性偏移补偿模式；
当第二开关装置闭合，第一开关装置和第三开关装置断开时，统一潮流控制器工作于感性偏移补偿模式。
9.如权利要求8所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，
当所述统一潮流控制器工作于容性偏移补偿模式时，所述电容器单元提供一个正向偏移的稳态运行工作点，所述换流器提供动态工作范围；通过调整电容器单元中电容器的电容值或者串并联数量，调节所述稳态运行工作点；
当所述统一潮流控制器工作于感性偏移补偿模式时，所述电抗器单元提供一个反向偏移的稳态运行工作点，所述换流器提供动态工作范围；通过调整电抗器单元中电抗器的电抗值、绕组抽头或者串联数量，调节所述稳态运行工作点。
10.如权利要求1所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，所述统一潮流控制器包括固定容性偏移结构和固定感性偏移结构。
11.如权利要求10得到的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，
所述统一潮流控制器为固定容性偏移结构时：包括电容器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器；
所述电容器单元串联接入输电线路中；所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器串联和并联形成的电容器组，所述电容器上并联有第二开关装置；
所述第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入所述串联变压器，该第二换流器的另一端接入所述并联变压器；
所述串联变压器的另一侧绕组与所述输电线路连接，该另一侧绕组上并联第三开关装置。
12.如权利要求10所述的一种混合型统一潮流控制器，其特征在于，
所述统一潮流控制器为固定感性偏移结构时：包括电抗器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器；
所述电抗器单元串联接入输电线路中；所述电抗器单元包括一个电抗器或者串联的多个电抗器，所述电抗器上并联有第一开关装置；
所述第一换流器与第二换流器连接，该第一换流器的另一端接入所述串联变压器，该第二换流器的另一端接入所述并联变压器；
所述串联变压器的另一侧绕组与所述输电线路连接，该另一侧绕组上并联第三开关装置。
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