CN112994018A - 一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，包括串联斩控式阻抗器、并联斩控式阻抗器，任意非零数的所述串联斩控式阻抗器和任意非零数的并联斩控式阻抗器通过端部自由组合连接，串联斩控式阻抗器、并联斩控式阻抗器均通过载波移相PWM调制策略控制，每个串联斩控式阻抗器均是由多个串联型斩控式阻抗器级联构成，每个并联斩控式阻抗器是由多个并联型斩控式阻抗器级联构成；通过载波移相PWM调制策略，控制串联斩控式阻抗器和并联斩控式阻抗器的等效阻抗，进而调控输电线路运行状态。
Description
技术领域
本发明属于柔性电网络技术领域，具体涉及一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器。
背景技术
配电系统中的“源-网-荷”架构下，电网容量增长与“源”“荷”增速的不匹配是其面临的重要问题。通过电力电子装备对配电支路阻抗参数进行柔性改造，可挖掘配电支路的供电能力、解决潮流双向问题、提高配电网弹性。现阶段，系统中用于调节支路阻抗的设备多为传统晶闸管控制阻抗型补偿器，其典型代表有晶闸管投切电容器、晶闸管控制电抗器及晶阐管控制串联电容器等。
晶闸管投切电容器通过控制晶闸管实现电容器的分组投切，使其等效为断续可调的电容器。与机械投切电容器相比，具有响应速度快(约0.01～0.02s)、合闸涌流小、无电弧重燃等优点。但其控制策略复杂，需具有相位检测环节，以保证晶闸管开通时，电容器残压与电网电压幅值和相位相同，避免合闸涌流。晶闸管控制电抗器由电抗器和反并联晶阐管串联构成，通过调制晶闸管触发角来控制其对外等效电抗，使其成为连续可控的电抗器。晶闸管控制电抗器具有响应速度快、控制灵活等优点。但晶闸管投切电容器仅工作于容性模式，晶闸管控制电抗器仅工作于感性模式，存在运行范围单一的问题。
晶阐管控制串联电容器由电容器和晶闸管控制电抗器并联构成，通过改变晶闸管触发角可实现感性模式和容性模式的连续变化，其性能明显优于晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器。晶阐管控制串联电容器通常工作于感性微调和容性微调运行状态，存在控制策略复杂、响应速度慢等问题，难以满足未来电网快速、连续、柔性调节的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，通过调节的等效输出阻抗来控制线路潮流，提高控制稳定性。
本发明所采用的技术方案是，一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，包括串联斩控式阻抗器、并联斩控式阻抗器，任意非零数的串联斩控式阻抗器和任意非零数的并联斩控式阻抗器通过端部自由组合连接，串联斩控式阻抗器、并联斩控式阻抗器均通过载波移相PWM调制策略控制，每个串联斩控式阻抗器均是由多个串联型斩控式阻抗器级联构成，每个并联斩控式阻抗器是由多个并联型斩控式阻抗器级联构成。
本发明的特点还在于：
串联型斩控式阻抗器、并联型斩控式阻抗器均包括单极性直接AC/AC变换器和阻抗器。
单极性直接AC/AC变换器具体构成为：包括由绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2形成的上桥臂，由绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4形成的下桥臂，绝缘栅双极晶体管S1的发射极连接绝缘栅双极晶体管S2的集电极，绝缘栅双极晶体管S2的发射极连接绝缘栅双极晶体管S3的发射极，绝缘栅双极晶体管S3的集电极连接绝缘栅双极晶体管S4的发射极，绝缘栅双极晶体管S4的集电极连接电容Csc一个极板、电容Cn一个极板，电容Cn另一个极板分别连接电容Cp一个极板、电容Cm一个极板，电容Csc另一个极板、电容Cp另一个极板均连接绝缘栅双极晶体管S1的集电极，电容Cm另一个极板连接绝缘栅双极晶体管S3的发射极。
绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2、绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4采用载波移相PWM调制。
上桥臂与下桥臂的调制比相同，均在0-1内变化，下桥臂三角载波相对上桥臂三角载波移相180°，调制比与载波经比较电路产生绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2、绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4的驱动信号。
串联型斩控式阻抗器具体构成为：单极性直接AC/AC变换器的绝缘栅双极晶体管S1的发射极连接电抗器Ls一端，电抗器Ls另一端与绝缘栅双极晶体管S3的集电极之间形成对外输出端口。
串联斩控式阻抗器具体构成为：相邻两个串联型斩控式阻抗器通过前一个电抗器Ls另一端与下一个绝缘栅双极晶体管S3的集电极连接的方式连接，形成串联斩控式阻抗器。
并联型斩控式阻抗器具体构成为：单极性直接AC/AC变换器的绝缘栅双极晶体管S1的发射极连接电抗器Lp一端，电抗器Lp另一端连接绝缘栅双极晶体管S3的集电极，电抗器Lp两端引出导线形成对外输出端口。
并联斩控式阻抗器具体构成为：任意一个并联型斩控式阻抗器的一个外输出端口连接相邻并联型斩控式阻抗器的一个外输出端口，形成并联斩控式阻抗器。
本发明的有益效果是：
本发明一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，接入系统时安装位置灵活，既可以安装在线路首端，也可以安装在线路末端或中间任一位置；通过调节该潮流控制器的等效输出阻抗来控制线路潮流，控制策略简单、装置成本较低、运行稳定、可靠性高。
附图说明
图1是传统的统一潮流控制系统接线图；
图2(a)是以级联多电平逆变器为核心的无变压器式统一潮流控制器的拓扑结构图；
图2(b)是现有的级联多电平逆变器的拓扑结构图；
图3(a)是电容经单极性直接AC/AC变换器对外等效为等值容抗拓扑结构图；
图3(b)是电感经单极性直接AC/AC变换器对外等效为等值感抗结构图；
图3(c)是在图3(b)的基础上串联电容对外等效为可控的等值阻抗结构图；
图3(d)是在图3(a)的基础上串联电感对外等效为可控的等值阻抗结构图；
图4(a)是基于两电平差分式直接AC/AC变换的串联型斩控式阻抗器拓扑结构图；
图4(b)是基于两电平差分式直接AC/AC变换的并联型斩控式阻抗器拓扑结构图；
图5(a)是本发明中使用的载波移相PWM调制电路图；
图5(b)是本发明中载波移相PWM调制原理图；
图6(a)是本发明中串联斩控式阻抗器结构示意图；
图6(b)是本发明中并联斩控式阻抗器结构示意图；
图7是本发明一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器使用时系统接线图；
图8为系统中电压电流矢量图；
图9是基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器的拓扑结构类型一结构示意图；
图10是基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器的拓扑结构类型二结构示意图；
图11(a)是基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器结构类型三结构示意图；
图11(b)是图11(a)的简化图；
图12(a)是基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器结构类型四结构示意图；
图12(b)是图12(a)的简化图；
图13是基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器结构类型五结构示意图；
图14是基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器结构类型六结构示意图；
图15是本发明基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器接入线路时安装位置示意图；
图16三相系统中本发明一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器星形接线结构图；
图17三相系统中本发明一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器角形接线结构图；
图18为搭建的本发明基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器在50Hz、10kV/1MVA三相系统中的仿真接线图；
图19(a)为本发明基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器投入运行前后，调制比的变化情况；
图19(b)为本发明基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器投入运行前后，系统传输功率的变化波形图；
图20为本发明基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器投入运行前后，系统电压电流的波形变化图；
图21为图20中0.4-0.5s的波形放大图；
图22为图20中1.9-2s的波形放大图；
图23为图20中3.9-4s的波形放大图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提出一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器拓扑结构。基于CCI(Chopper-Controlled Impedance)的概念设计一个简单、可靠、经济的基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，灵活控制系统的潮流。
CCI的拓扑结构图3(a)中，电容经单极性直接AC/AC变换器对外等效为等值容抗；在图3(c)中，电感经单极性直接AC/AC变换器对外等效为等值感抗；图3(b)是在图3(c)的基础上串联电容，从而使其对外等效为可控的等值阻抗；图3(d)是在图3(a)的基础上串联电感，从而使其对外等效为可控的等值阻抗。
本发明一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，包括串联斩控式阻抗器、并联斩控式阻抗器，任意非零数的串联斩控式阻抗器和任意非零数的并联斩控式阻抗器通过端部自由组合连接，串联斩控式阻抗器、并联斩控式阻抗器均通过载波移相PWM调制策略控制，每个串联斩控式阻抗器均是由n个串联型斩控式阻抗器级联构成，每个并联斩控式阻抗器是由m个并联型斩控式阻抗器级联构成，具体m、n的个数依据系统电压等级、功率等级来确定。
串联型斩控式阻抗器、并联型斩控式阻抗器均包括单极性直接AC/AC变换器和阻抗器。
如图4(a)、图4(b)所示，单极性直接AC/AC变换器具体构成为：包括由绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2形成的上桥臂，由绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4形成的下桥臂，绝缘栅双极晶体管S1的发射极连接绝缘栅双极晶体管S2的集电极，绝缘栅双极晶体管S2的发射极连接绝缘栅双极晶体管S3的发射极，绝缘栅双极晶体管S3的集电极连接绝缘栅双极晶体管S4的发射极，绝缘栅双极晶体管S4的集电极连接电容Csc一个极板、电容Cn一个极板，电容Cn另一个极板分别连接电容Cp一个极板、电容Cm一个极板，电容Csc另一个极板、电容Cp另一个极板均连接绝缘栅双极晶体管S1的集电极，电容Cm另一个极板连接绝缘栅双极晶体管S3的发射极。
绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2、绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4采用载波移相PWM调制。
调制策略及开关信号如图5(a)所示，上桥臂与下桥臂的调制比相同，均在0-1内变化，Uc为上桥臂三角载波，Uc′为下桥臂三角载波，Uc′相对Uc移相180°，幅值为1，调制比与载波经比较电路产生绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2、绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4的驱动信号，开关S1和开关S2信号互补，开关S3和开关S4信号互补，死区时间设为2us，如图5(b)所示。当驱动信号为高电平时，对应的开关管导通；当驱动信号为低电平时，对应的开关管关断。
如图4(a)所示，串联型斩控式阻抗器具体构成为：单极性直接AC/AC变换器的绝缘栅双极晶体管S1的发射极连接电抗器Ls一端，电抗器Ls另一端与绝缘栅双极晶体管S3的集电极之间形成对外输出端口。
如图6(a)所示，串联斩控式阻抗器具体构成为：由n个图4(a)所示串联型斩控式阻抗器级联构成，相邻两个串联型斩控式阻抗器通过前一个电抗器Ls另一端与下一个绝缘栅双极晶体管S3的集电极连接的方式连接，形成串联斩控式阻抗器，具体为：串联型斩控式阻抗器1的首端对外呈低电位，末端与串联型斩控式阻抗器2的首端相连，依次递推，串联型斩控式阻抗器n的末端对外呈高电位。
如图4(b)所示，并联型斩控式阻抗器具体构成为：单极性直接AC/AC变换器的绝缘栅双极晶体管S1的发射极连接电抗器Lp一端，电抗器Lp另一端连接绝缘栅双极晶体管S3的集电极，电抗器Lp两端引出导线形成对外输出端口。
如图6(b)所示，并联斩控式阻抗器具体构成为：由n个图4(b)所示并联型斩控式阻抗器级联构成，任意一个并联型斩控式阻抗器的一个外输出端口连接相邻并联型斩控式阻抗器的一个外输出端口，形成并联斩控式阻抗器，具体为：并联型斩控式阻抗器1的首端对外呈低电位，末端与并联型斩控式阻抗器2的首端相连，依次递推，并联型斩控式阻抗器n的末端对外呈高电位。
将一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器接入系统传输线路的关键点，从而实现对该线路传输功率的控制，该潮流控制器等效为串联斩控阻抗和并联斩控阻抗两部分。系统接线图如图7所示，该潮流控制器安装在线路首端，串联斩控阻抗器串联在区域1母线和输电线路之间，并联斩控阻抗器在串联斩控阻抗器之后并联接入输电线路，这种结构称为前串后并式潮流控制器。
串联斩控阻抗器和并联斩控阻抗器可以对外等效为等值感抗或等值容抗，分别用XC和XP表示。串联斩控阻抗器和并联斩控阻抗器两端电压分别为Vse和Vp，流经的电流分别为Ise和Ip，同时Vse垂直于Ise，Vp垂直于Ip。区域1母线电压记为VSO，区域2的母线电压记为VR，输电线路上电流为IL，IL垂直于VP-VR。系统节点电压和线路电流的相量图如图8所示。
基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器的拓扑结构具有多样化的特点，拓扑结构类型一如图9所示：首末端两个端口分别定义为1端口和2端口，串联斩控阻抗器串联在1端口和2端口之间，并联斩控阻抗器并联接入2端口，被简称为前串后并式潮流控制器。
图10是基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器的拓扑结构类型二。串联斩控阻抗器串联在1端口和2端口之间，并联斩控阻抗器并联接入1端口，构成了前并后串式潮流控制器。
为了提高基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器对系统的控制能力，采用两个串联斩控阻抗器和两个并联斩控阻抗器，图11(a)表示由类型一和类型二顺序串联构成的类型三，即串联斩控阻抗器1和串联斩控阻抗器2直接与1端口和2端口串联，形成一个新的节点3。并联斩控阻抗器1和并联斩控阻抗器2并联接入系统，与节点3相连。由于并联斩控阻抗器1和并联斩控阻抗器2同时并联在一个节点，所以可以等效为一个并联斩控阻抗器的作用；也可简化结构如图11(b)所示。如图12(a)表示由类型二和类型一顺序串联构成的类型四，即串联斩控阻抗器1和串联斩控阻抗器2直接与1端口和2端口串联，并联斩控阻抗器1并联接入1端口，并联斩控阻抗器2并联接入2端口。由于串联斩控阻抗器1和串联斩控阻抗器2直接串联，所以可以等效为一个串联斩控阻抗器的作用，简化结构如图12(b)所示。如图13所示，两个类型一串联构成类型五，即串联斩控阻抗器1的首端和1端口相连，串联斩控阻抗器1的末端并联接入并联斩控阻抗器1后于串联斩控阻抗器2的首端相连，然后并联斩控阻抗器2并联接入2端口，串联斩控阻抗器2的末端和2端口相连。如图14所示，两个类型二串联构成类型六。即并联斩控阻抗器1直接并联接入1端口，串联斩控阻抗器1的首端也和1端口相连，串联斩控阻抗器1的末端并联接入并联斩控阻抗器2，且和串联斩控阻抗器2的首端相连，串联斩控阻抗器2的末端与2端口相连。
本发明一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器接入系统时安装位置灵活，既可以安装在线路首端，也可以安装在线路末端或中间任一位置，如图15所示。
三相系统中一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器有图16和图17两种安装方式。在这两种安装方式中，串联斩控阻抗器都分别串联在ABC三相输电线路上，并联斩控阻抗器有星形接线和角形接线两种接线方式。星形接线如图16所示，并联斩控阻抗器的首端分别与A相、B相和C相输电线路并联相连，并联斩控阻抗器的末端连在一起，共同接地，构成星形接线方式。角形接线如图17所示，并联斩控阻抗器的首端分别与A相、B相和C相输电线路相连。然后，与A相相连的并联斩控阻抗器末端和与C相相连的并联斩控阻抗器首端相连，与C相相连的并联斩控阻抗器末端和与B相相连的并联斩控阻抗器首端相连，和B相相连的并联斩控阻抗器末端和与A相相连的并联斩控阻抗器的首端相连，构成角形接线方式。
为了验证本发明的优越性，搭建了以串联型斩波阻抗器为例的50Hz、10kV/1MVA的三相仿真电路，如图18所示。其中，10kV系统参数如表1所示，基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器的参数如表2所示：
表1 10kV系统参数
| 参数 | 数值 |
| 额定功率 | 1MVA |
| V<sub>SO</sub>(线电压有效值) | 10kV∠0°,50Hz |
| V<sub>R</sub>(线电压有效值) | 10kV∠-30°,50Hz |
| 线路等效电感 | 0.0409pu |
| 线路载流量 | 407A |
| 经济传输容量 | 4.07MVA |
表2基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器的参数
图19(b)为基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器投入运行前后，系统传输功率的变化情况。0.5s前装置未投入运行，此时，线路传输的有功功率为12.5pu，严重超出系统经济传输容量，不可长期运行。故0.5s后投入装置：0.5s-2s时，串联斩控阻抗器占空比D1取0.22、并联斩控阻抗器占空比D2取0.72(状态一)，此时，线路传输的有功功率降为4.55pu，无功功率为1.35pu，复功率为4.74pu；02s-4s时，串联斩控阻抗器占空比D1取0.22、并联斩控阻抗器占空比D2取1.0(状态二)，此时，线路传输的有功功率为4.1pu，无功功率为0.52pu，复功率为4.13pu，线路经济运行。
图20表示为基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器投入运行前后，系统电压电流的波形变化图。图中Vse、Vp、Ise、Ip和IL分别代表示串联斩控阻抗器两端的电压、并联斩控阻抗器两端电压、串联斩控阻抗器电流、并联斩控阻抗器电流和线路电流。图21、22、23为图20虚线框的波形放大图，相同参数代表相同意义。由图19-23可以看出，通过控制本发明的调制比可实现调控线路潮流的功能。
通过上述方式，本发明一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，接入系统时安装位置灵活，既可以安装在线路首端，也可以安装在线路末端或中间任一位置；通过调节该潮流控制器的等效输出阻抗来控制线路潮流，控制策略简单、装置成本较低、运行稳定、可靠性高。
Claims (9)
1.一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，其特征在于，包括串联斩控式阻抗器、并联斩控式阻抗器，任意非零数的所述串联斩控式阻抗器和任意非零数的并联斩控式阻抗器通过端部自由组合连接，所述串联斩控式阻抗器、并联斩控式阻抗器均通过载波移相PWM调制策略控制，每个所述串联斩控式阻抗器均是由多个串联型斩控式阻抗器级联构成，每个所述并联斩控式阻抗器是由多个并联型斩控式阻抗器级联构成。
2.根据权利要求1所述一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，其特征在于，所述串联型斩控式阻抗器、并联型斩控式阻抗器均包括单极性直接AC/AC变换器和阻抗器。
3.根据权利要求2所述一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，其特征在于，所述单极性直接AC/AC变换器具体构成为：包括由绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2形成的上桥臂，由绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4形成的下桥臂，所述绝缘栅双极晶体管S1的发射极连接绝缘栅双极晶体管S2的集电极，所述绝缘栅双极晶体管S2的发射极连接绝缘栅双极晶体管S3的发射极，所述绝缘栅双极晶体管S3的集电极连接绝缘栅双极晶体管S4的发射极，所述绝缘栅双极晶体管S4的集电极连接电容Csc一个极板、电容Cn一个极板，所述电容Cn另一个极板分别连接电容Cp一个极板、电容Cm一个极板，所述电容Csc另一个极板、电容Cp另一个极板均连接绝缘栅双极晶体管S1的集电极，所述电容Cm另一个极板连接绝缘栅双极晶体管S3的发射极。
4.根据权利要求3所述一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2、绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4采用载波移相PWM调制。
5.根据权利要求4所述一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，其特征在于，所述上桥臂与下桥臂的调制比相同，均在0-1内变化，所述下桥臂三角载波相对上桥臂三角载波移相180°，调制比与载波经比较电路产生绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管S2、绝缘栅双极晶体管S3、绝缘栅双极晶体管S4的驱动信号。
6.根据权利要求5所述一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，其特征在于，所述串联型斩控式阻抗器具体构成为：所述单极性直接AC/AC变换器的绝缘栅双极晶体管S1的发射极连接电抗器Ls一端，所述电抗器Ls另一端与绝缘栅双极晶体管S3的集电极之间形成对外输出端口。
7.根据权利要求6所述一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，其特征在于，所述串联斩控式阻抗器具体构成为：相邻两个所述串联型斩控式阻抗器通过前一个电抗器Ls另一端与下一个绝缘栅双极晶体管S3的集电极连接的方式连接，形成串联斩控式阻抗器。
8.根据权利要求5所述一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，其特征在于，所述并联型斩控式阻抗器具体构成为：所述单极性直接AC/AC变换器的绝缘栅双极晶体管S1的发射极连接电抗器Lp一端，所述电抗器Lp另一端连接绝缘栅双极晶体管S3的集电极，所述电抗器Lp两端引出导线形成对外输出端口。
9.根据权利要求8所述一种基于斩控阻抗器的无变压器式统一潮流控制器，其特征在于，所述并联斩控式阻抗器具体构成为：任意一个所述并联型斩控式阻抗器的一个外输出端口连接相邻所述并联型斩控式阻抗器的一个外输出端口，形成并联斩控式阻抗器。
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