CN107039980A - 一种高压直流潮流控制器 - Google Patents

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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters

Abstract

本发明涉及一种高压直流潮流控制器，包括两套模块化多电平变换器；两套模块化多电平变换器采用串联方式，其中一端分别接入直流电网的正极和负极，另一端互联接地，形成中性点；本发明的技术方案无需接入外部电源，结构简单,故障处理能力强，运行效率高。

Description

一种高压直流潮流控制器
技术领域：
本发明涉及直流输电电力电子技术领域，更具体涉及一种高压直流潮流控制器。
背景技术：
随着传统能源短缺和环境压力等问题逐渐加剧，人们已经认识到从传统能源向清洁能源过渡的紧迫性和重要性。近年来，以风能、太阳能等为代表的新能源发电技术得到了快速发展，但是，由于新能源具有间歇性、不稳定性等显著特点，使得接纳超大规模新能源的传统技术受到越来越多的限制与挑战，因此，必须采用新的技术、装备和优化电网结构来满足未来能源格局的深刻变化。与传统高压交流输电技术相比，特高压及柔性直流输电具有无功损耗低、线路损耗低和无同步问题等优点，非常适合超远距离大容量电能输送，但因其传输路径单一、无冗余方式等缺点，极易容易因系统故障而导致的终端停电等现象。
随着直流输电技术的发展，在两端直流输电的基础上形成了网络型直流输电系统，即直流电网。直流电网是由大量直流端通过直流线路互联组成的能量传输系统，能够实现新能源的平滑接入，具有灵活、安全的潮流控制特性，是一种适应性更强的供电模式。在含有n个换流站的直流电网系统中，功率调节换流站的个数为n-1，则系统控制自由度为n-1；若系统的支路数b大于n-1，则系统潮流无法通过换流站的控制实现有效调节，即会出现系统自由度不够的情况。此时，系统中某些支路会因为得不到有效控制而出现过载跳闸，从而导致同一结点的其它线路因为电流突然增大而相继被切除，进而危及整个电网的安全。因此，需要引入额外的直流电网潮流控制设备，即直流潮流控制器，增加系统控制自由度，提高系统对潮流的有效控制能力。
鉴于直流潮流控制器，国内外众多研究机构已开展包括直流潮流控制器的拓扑结构、调制方式以及控制策略等方面的研究。目前常用于直流电网的潮流控制器为电压型直流潮流控制器，该类型潮流控制器具有电压低、容量小、损耗小等优点。专利申请公开号为CN104009463A中提及一种适用于直流输电的串联型潮流控制器；该潮流控制器采用双向DC/DC变换器和H桥变换器级联的拓扑结构；该潮流控制器分别串接于正负线路中，主要通过调节A1和B1端的电压差ΔV1，A2和B2端之间的电压差ΔV2的值和方向来调节线路中的潮流；此潮流控制器虽然能满足直流输电网的潮流控制功能，但存在以下不足。
1)潮流控制器输入侧电压过高，使得整机的绝缘等级较高，使得设备的工程造价过高；
2)潮流控制器DC/DC变换单元使用多级变换器级联的拓扑结构，每级变换器的效率均会影响整机的整体效率，最终使得整机损耗过大；
3)潮流控制器DC/DC变换单元采用双向DC/DC变换器级联H桥单元的结构，使得DC/DC变换单元的结构复杂，同时也增加了调试和安装的复杂度。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高压直流潮流控制器，无需接入外部电源，结构简单,故障处理能力强，运行效率高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高压直流潮流控制器，包括两组模块化多电平变换器；两套模块化多电平变换器采用串联方式连接，其中一端分别接入直流电网的正极和负极，另一端互联接地，形成中性点。
所述模块化多电平变换器包括三相全桥MMC(Modular MultilevelConverter)单元、级联多电平变换器单元和DC/DC变换器单元；所述三相全桥MMC单元和级联多电平变换器单元并联，其各自一端接入直流电网的正极(负极)，其各自另一端互联共同接入地线；所述DC/DC变换器单元的直流输入端接入所述直流电网的正极(负极)和级联多电平变换器中第一个子模块的直流侧电容的负端，输出端串接在所述直流电网正极(负极)。
所述级联多电平变换器包括串联的电感和若干子模块；所述子模块包括并联的IGBT支路和电容；所述IGBT支路包括两个串联的IGBT单元；所述IGBT单元包括反向并联的IBGT和二极管；所述子模块的输出端与下一个所述子模块的第一个IGBT单元的输出端连接。
所述级联多电平变换器单元为后级DC/DC变换器单元提供可变的直流输入电压，所述直流输入电压的调整通过调整第一个所述级联多电平变换器单元子模块接入数量来实现。
所述DC/DC变换器单元采用了H桥的拓扑结构，包括并联的电容和两个IBGT支路；每个IGBT支路包括两个串联的IGBT单元；IGBT单元包括反向并联的IBGT和二极管；所述DC/DC变换器单元的输出设有LC滤波电路。
所述DC/DC变换器单元通过调节输出电压的大小和极性来调节直流线路的潮流。
所述三相全桥MMC单元包括三个并联的桥臂模块；所述桥臂模块分为上下桥臂，分别由串联的若干子单元组成；所述子单元包括并联的IGBT支路和电容；所述IGBT支路包括两个串联的IGBT单元；所述IGBT单元包括反向并联的IBGT和二极管；所述子单元的输出端与下一个所述子单元的第一个IGBT单元的输出端连接；每个桥臂模块还包括与所述子单元串联的电感。
所述模块化多电平变换器还包括与所述级联多电平变换器并联的电容。
所述级联多电平变换器根据当前所需潮流电流的大小和方向，调整潮流控制器直流输出侧电压值。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明技术方案中的级联多电平变换器单元故障处理能力强，运行效率高；
2、本发明技术方案的DC/DC单元使用H桥变换器加LC滤波器结构，在保持性能不变的前提下，使变换器结构最简单。；
3、本发明技术方案不仅降低了变换器的复杂度，还节约了设备成本；
4、本发明技术方案将故障模块直接切除而不影响变换器的输出，提高了整机的可靠性；
5、本发明技术方案的级联多电平变换器可根据当前所需潮流电流的大小和方向，调整后级DC/DC变换器单元直流输入侧电压值，以使得后级DC/DC变换器单元一直以高效率的方式运行。
附图说明
图1为本发明实施例的直流输电系统拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例的DC/DC变换器拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
本例的发明提供一种高压直流潮流控制器，其级联多电平变换器单元可为后级DC/DC变换器提供较低的直流输入电压，此外，该高压直流潮流控制器具有故障处理能力强，运行效率高等优点。
本发明控制器的拓扑结构如附图1所示。从图中可以看出本发明控制器具有双极特性可以应用于真双极高压直流输电系统。双极特性，即整个系统包括两套模块化多电平变换器(MMC)，且两套变换器的一端输出串联接地，形成中性点，其余两输出端接入直流电网正极和负极。由于变换器的正极与负极结构对称，下文以单极变换器为例说明本发明装置的接入方式和基本结构。附图1中框1为级联多电平变换器单元，该变换器单元一端接入直流电网的正极，另一端与地线互联，该变换器主要为后级DC/DC变换器单元提供可变的直流输入电压，电压的调整主要通过调整附图1中框1中级联多电平变换器单元子模块接入子模块的数量；附图1中框2为DC/DC变换器单元(该变换器单元输出电压极性可正可负，但某一工况下电压的极性是固定的)。该变换器单元的直流输入端分别接直流电网的正极端和附图1中框1中级联多电平变换器单元直流侧电容的负端，输出端串接在直流母线中。该DC/DC变换器主要通过调节输出电压的大小和极性来调节直流线路的潮流。该DC/DC变换器的拓扑结构图如图2所示。如附图2所示，该DC/DC变换器采用了H桥的拓扑结构。
本发明控制器中的级联多电平变换器可根据当前所需潮流电流的大小和方向，调整潮流控制器直流输入侧电压值，以使得后级DC/DC变换器单元一直以高效率的方式运行。多电平变换器输出电压值的调整，主要通过调整工作子模块的数量来实现的。工作的子模块数量越多，输出电压值越大；工作的子模块数量越少，输出电压值越小。
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，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高压直流潮流控制器，其特征在于：包括两套模块化多电平变换器；两套模块化多电平变换器采用串联方式连接，其中一端分别接入直流电网的正极和负极，另一端互联接地，形成中性点。
2.如权利要求1所述的一种高压直流潮流控制器，其特征在于：所述模块化多电平变换器包括三相全桥MMC单元、级联多电平变换器单元和DC/DC变换器单元；所述三相全桥MMC单元和级联多电平变换器单元并联，其各自一端接入直流电网的正极或负极，其另一端接入中性点；所述DC/DC变换器单元的直流输入端分别跨接于所述直流电网的正极或负极和级联多电平变换器单元中桥臂电感后的第一个子模块直流侧电容的负端，其输出端串接在所述直流电网正极或负极。
3.如权利要求2所述的一种高压直流潮流控制器，其特征在于：所述级联多电平变换器单元包括串联的桥臂电感和若干子模块；所述子模块包括并联的IGBT支路和电容；所述IGBT支路包括两个串联的IGBT单元；所述IGBT单元包括反向并联的IBGT和二极管；所述子模块的输出端与下一个所述子模块的第一个IGBT单元的输出端连接。
4.如权利要求3所述的一种高压直流潮流控制器，其特征在于：所述级联多电平变换器单元为后级DC/DC变换器单元提供可变的直流输入电压，所述直流输入电压的调整通过调整级联多电平变换器的输出子模块的数量来实现。
5.如权利要求2所述的一种高压直流潮流控制器，其特征在于：所述DC/DC变换器单元采用了H桥的拓扑结构，包括并联的电容和两个IBGT支路；每个IGBT支路包括两个串联的IGBT单元；IGBT单元包括反向并联的IBGT和二极管；所述DC/DC变换器单元的输出设有LC滤波电路。
6.如权利要求5所述的一种高压直流潮流控制器，其特征在于：所述DC/DC变换器单元通过调节输出电压的大小和极性来调节直流线路的潮流。
7.如权利要求1所述的一种高压直流潮流控制器，其特征在于：所述三相全桥MMC单元包括三个并联的桥臂模块；所述桥臂模块包括由串联的若干子单元组成的半桥臂；所述子单元包括并联的IGBT支路和电容；所述IGBT支路包括两个串联的IGBT单元；所述IGBT单元包括反向并联的IBGT和二极管；所述子单元的输出端与下一个所述子单元的第一个IGBT单元的输出端连接；每个桥臂模块还包括与所述子单元串联的桥臂电感。
8.如权利要求1或2所述的一种高压直流潮流控制器，其特征在于：所述模块化多电平变换器还包括与所述级联多电平变换器单元并联的电容。
9.如权利要求4所述的一种高压直流潮流控制器，其特征在于：所述级联多电平变换器单元根据当前所需潮流电流的大小和方向，调整后级DC/DC变换器单元输入侧电压值。
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