CN202535087U - 一种基于模块化多电平换流器结构的统一潮流控制器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种基于模块化多电平换流器结构的统一潮流控制器,包括静止同步补偿器和静止同步串联补偿器。静止同步补偿器的正负母线和静止同步串联补偿器的正负母线相连;静止同步补偿器的输出端和静止同步串联补偿器的输出端分别与电网连接。本实用新型采用以模块方式级联的形式,降低了对器件本身的要求;实现模块化设计,集成度高,设计方便;本实用新型通过冗余技术可旁路故障单元,提高装置运行可靠性;原有技术为降低输出谐波,IGBT器件串联方案开关频率通常较高,装置损耗较大;本实用新型采用了模块化多电平技术,各个器件的开关频率较低,但可实现对外等效开关频率很高,减少输出谐波,因此装置运行损耗较小。

Description

一种基于模块化多电平换流器结构的统ー潮流控制器技术领域
[0001] 本实用新型涉及电力电子领域,具体涉及ー种基于模块化多电平换流器结构的统一潮流控制器。
背景技术
[0002] 统ー潮流控制器(UPFC)是迄今为止通用性最好的灵活交流输电(FACTS)装置,仅通过控制规律的改变,就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿和移相等几种不同的功能。UPFC装置可以看作是一台静止同步补偿器(STATC0M)装置与一台静止同步串联补偿器(SSSC)装置在直流侧并联构成,它可以同时并快速、独立控制输电线路中的有功功率和无功功率,从而使得UPFC拥有每个单独运行的STATCOM、SSSC装置都不具备的四象限运行功能。
[0003] 统ー潮流控制器主电路拓扑采用两个电压源换流器(VSC)直流侧并联的方式,其 中一台换流器交流侧直接或通过变压器与系统并联,另一台换流器交流侧通过变压器与系统串联。每个电压源换流器通常采用两电平或三电平三相电压源换流器结构。
[0004] 大容量UPFC中,电压源换流器通常采用可关断电力电子器件(典型器件如绝缘栅双极型晶体管IGBT)直接串联的方式提高装置的耐压能力。可关断器件IGBT串联的技术难点主要表现在:受技术垄断的影响,具有自身限制短路电流特性的IGBT器件难以采购,IGBT串联均压的控制技术在理论上研究的不够深入,且为降低装置输出谐波,需要采用较高的开关频率,因而装置运行损耗较大。这些都限制了大容量UPFC的应用。
实用新型内容
[0005] 针对现有技术的不足,本实用新型提供一种基于模块化多电平换流器结构的统ー潮流控制器,采用模块化多电平换流器构成换流器,避免了器件串联的技术难点,并且便于分相控制和模块化设计。通过冗余技术旁路故障単元,进而提高了装置运行可靠性,器件开关频率较低,装置运行损耗较小。
[0006] 本实用新型提供的一种基于模块化多电平换流器结构的统ー潮流控制器,其改进之处在于,所述统ー潮流控制器包括静止同步补偿器I和静止同步串联补偿器2 ;
[0007] 所述静止同步补偿器I的正负母线和所述静止同步串联补偿器2的正负母线相连;所述静止同步补偿器I的输出端和所述静止同步串联补偿器2的输出端分别与电网连接。
[0008] 其中,在所述静止同步补偿器I和所述静止同步串联补偿器2之间设置支撑电容3 ;所述支撑电容3与所述静止同步补偿器I和所述静止同步串联补偿器2并联。
[0009] 其中,所述静止同步补偿器I包括换流器7 ;
[0010] 所述静止同步串联补偿器2包括换流器9和变压器10 ;
[0011] 所述换流器7 —端和电网连接;所述换流器7另一端和换流器9 一端连接,所述换流器9另一端通过变压器10和电网连接。[0012] 其中,所述静止同步补偿器I包括变压器8 ;所述变压器8的副边与所述换流器7连接,所述变压器8的原边与所述电网并联。
[0013] 其中,所述静止同步串联补偿器2包括启动电路6 ;所述启动电路6 —端与所述换流器9连接,所述启动电路6另一端与所述变压器10 —端连接,所述变压器10另一端串联接入电网。
[0014] 其中,所述统ー潮流控制器包括旁路开关4,所述旁路开关4与所述变压器10并联。
[0015] 其中,所述换流器7由3相六个桥臂构成,每个桥臂包括I个电抗器和N个结构相同的子模块;每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述变压器(8)连接;另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接,形成正负极母线。
[0016] 其中,所述换流器7由3相六个桥臂构成,每个桥臂包括I个电抗器和N个结构相同的子模块;每个桥臂的子模块级联后一端与所述变压器(8)连接,另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接,形成正负极母线。
[0017] 其中,所述换流器9由3相六个桥臂构成,每个桥臂包括I个电抗器和M个结构相同的子模块;每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述变压器10连接;另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接,形成正负极母线,与所述换流器7的正负母线连接。
[0018] 其中,所述换流器9由3相六个桥臂构成,每个桥臂包括I个电抗器和M个结构相同的子模块;每个桥臂的子模块级联后一端与所述变压器10连接;另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接,形成正负极母线,与所述换流器7的正负母线连接。
[0019] 其中,所述启动电路6包括并联的电阻和开关。
[0020] 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和ニ极管;
[0021] 所述半桥结构中点与IGBT发射极之间并联子模块旁路电路;
[0022] 所述直流电容通过取能电路为子模块的控制电路提供电源。
[0023] 与现有技术比,本实用新型的有益效果为:
[0024] 本实用新型采用以模块方式级联的形式,降低了对器件本身的要求;
[0025] 本实用新型可大幅提高装置容量,无需采用复杂的IGBT器件串联的技术;
[0026] 本实用新型通过对桥臂的设计,实现分相控制;
[0027] 本实用新型可实现模块化设计,集成度高,设计方便;
[0028] 本实用新型通过冗余技术可旁路故障単元,提高装置运行可靠性;
[0029] 为降低输出谐波,IGBT器件串联方案开关频率通常较高,装置损耗较大;本本实用新型采用了模块化多电平技木,各个器件的开关频率较低,但可实现对外等效开关频率很高,減少输出谐波,因此装置运行损耗较小。
附图说明
[0030] 图I为本实用新型提供的基于模块化多电平换流器结构的统ー潮流控制器主电
路一O
[0031] 图2为本实用新型提供的基于模块化多电平换流器结构的统ー潮流控制器主电路ニ。[0032] 图3为本实用新型提供的子模块结构图。
[0033] 图4为本实用新型提供的基于模块化多电平换流器结构的统ー潮流控制器主电路ニ。
[0034] 图5为本实用新型提供的基于模块化多电平换流器结构的统ー潮流控制器主电路四。
[0035] 图中⑴为静止同步补偿器、⑵为静止同步串联补偿器、⑶为支撑电容、⑷为旁路开关、(5)为启动电路、(6)为启动电路、(7)为换流器、⑶为变压器、(9)为换流器、
(10)为变压器。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进ー步的详细说明。
[0037] 实施例一
[0038] 本实施例提供的一种基于模块化多电平换流器结构的统ー潮流控制器如图I所示,包括静止同步补偿器I和静止同步串联补偿器2 ;静止同步补偿器I包括换流器7 ;所述静止同步串联补偿器2包括换流器9和变压器10 ;
[0039] 换流器7由3相六个桥臂构成,六个桥臂结构相同,每个桥臂包括I个电抗器和N(N为自然数)个结构相同的子模块;所述子模块级联后通过电抗器接入电网;具体的,子模块的半桥结构中点与下管IGBT发射极分别作为子模块引出端,依次与前后的模块级联,再与一个电抗器串联构成I个桥臂,上下两个桥臂串联,构成I相换流装置,3相换流装置整体并联,并引出正负母线。上下桥臂中点处作为静止同步补偿器的输出端,即在子模块串联电抗器接入电网。
[0040] 换流器9和换流器7结构相同,由3相六个桥臂构成,每个桥臂包括I个电抗器和M(M为自然数,M可以等于N,也可以不等于N)个结构相同的子模块;所述子模块级联后通过电抗器、变压器10和负载连接。换流器7的正负母线和换流器9的正负母线对应连接。本实施例的子模块通过电抗器与系统连接,一方面可以抑制来自电网的雷电、操作波对设备的侵害,另ー方面可以抑制换流装置输出谐波。
[0041] 优选的,本实施例在所述静止同步补偿器I和所述静止同步串联补偿器2之间设置支撑电容3 ;换流器7的正负母线和换流器9的正负母线之间并联支撑电容3。两个换流装置通过由支撑电容3构成的中间直流环节相连,这样有功功率可以在两个换流装置之间进行双向传递;无功功率可由每个换流装置在其交流侧独立地与系统进行交換。
[0042] 优选的,本实施例的静止同步补偿器I包括还可以变压器8 ;变压器8的副边与换流器7连接,变压器8的原边与电网并联。变压器8用于实现电网电压与静止同步补偿器输出电压的匹配。
[0043] 优选的,本实施例的静止同步串联补偿器2还可以包括启动电路6,启动电路6由并联的电阻和开关组成。启动电路6 —端与换流器9连接,另一端与变压器10 —端连接,变压器10另一端串联接入电网。启动电路6可以实现换流器9平稳启动。变压器10用于实现电网电压与静止同步串联补偿器输出电压的匹配。
[0044] 优选的,本实施例的统ー潮流控制器为了安全设置,还设置了旁路开关4,旁路开关4与变压器10并联,用于实现静止同步串联补偿器的退出。[0045] 本实施例的子模块用于输出所需电压,其由半桥结构与直流电容构成,所述半桥结构包括上下两个串联的IGBT模块,上管IGBT集电极与下管IGBT发射极之间并联直流电容,半桥结构中点与下管IGBT发射极之间并联子模块旁路电路,取能电源从直流电容器取电,为子模块的控制电路提供控制电源。子模块的直流电容用于提供子模块电压支撑。子模块内部故障时,其旁路电路用于使子模块退出运行,实现静止同步补偿器的冗余运行。取能电源用于给子模块控制电路提供控制电源。控制电路用于实现对子模块的控制、监测及保护。本实施例的旁路电路可由开关实现,控制电路可由数字或模拟电路实现。取能电源可參考专利 201010624225. 6 或 ZL201020700480. X 实现。
[0046] 实施例ニ
[0047] 本实施例与实施例一基本相同,但区别点在于:
[0048] 换流器7和换流器9中的电抗器的位置不同。本实施例的电抗器串在正负母线侧,如图2所示。其用于抑制换流装置输出谐波。
[0049] 实施例三
[0050] 本实施例与实施例一或实施例ニ基本相同,但区别点在于:
[0051] 为了实现换流器更平稳的启动,本实施例在换流器7和变压器8之间设置ー个启动电路5,如图4和图5所示。启动电路5 —端与换流器7连接,另一端与变压器8连接后与电网并联。
[0052] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制,尽管參照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (12)

1. 一种基于模块化多电平换流器结构的统ー潮流控制器,其特征在于,所述统ー潮流控制器包括静止同步补偿器⑴和静止同步串联补偿器⑵; 所述静止同步补偿器(I)的正负母线和所述静止同步串联补偿器(2)的正负母线相连;所述静止同步补偿器(I)的输出端和所述静止同步串联补偿器(2)的输出端分别与电网连接。
2.如权利要求I所述的统一潮流控制器,其特征在于,在所述静止同步补偿器(I)和所述静止同步串联补偿器⑵之间设置支撑电容⑶;所述支撑电容⑶与所述静止同步补偿器⑴和所述静止同步串联补偿器⑵并联。
3.如权利要求I所述的统一潮流控制器,其特征在于,所述静止同步补偿器(I)包括换流器⑵; 所述静止同步串联补偿器(2)包括换流器(9)和变压器(10); 所述换流器(7) —端和电网连接;所述换流器(7)另一端和换流器(9) 一端连接,所述换流器(9)另一端通过变压器(10)和电网连接。
4.如权利要求I所述的统一潮流控制器,其特征在于,所述静止同步补偿器(I)包括变压器(8);所述变压器(8)的副边与所述换流器(7)连接,所述变压器(8)的原边与所述电网并联。
5.如权利要求I所述的统一潮流控制器,其特征在于,所述静止同步串联补偿器(2)包括启动电路(6);所述启动电路(6) —端与所述换流器(9)连接,所述启动电路(6)另一端与所述变压器(10) —端连接,所述变压器(10)另一端串联接入电网。
6.如权利要求I所述的统一潮流控制器,其特征在于,所述统ー潮流控制器包括旁路开关(4),所述旁路开关(4)与所述变压器(10)并联。
7.如权利要求3所述的统一潮流控制器,其特征在于,所述换流器(7)由3相六个桥臂构成,每个桥臂包括I个电抗器和N个结构相同的子模块;每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述变压器(8)连接;另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接,形成正负极母线。
8.如权利要求3所述的统一潮流控制器,其特征在于,所述换流器(7)由3相六个桥臂构成,每个桥臂包括I个电抗器和N个结构相同的子模块;每个桥臂的子模块级联后一端与所述变压器(8)连接,另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接,形成正负极母线。
9.如权利要求3所述的统一潮流控制器,其特征在于,所述换流器(9)由3相六个桥臂构成,每个桥臂包括I个电抗器和M个结构相同的子模块;每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述变压器(10)连接;另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接,形成正负极母线,与所述换流器(7)的正负母线连接。
10.如权利要求3所述的统一潮流控制器,其特征在于,所述换流器(9)由3相六个桥臂构成,每个桥臂包括I个电抗器和M个结构相同的子模块;每个桥臂的子模块级联后一端与所述变压器(10)连接;另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接,形成正负极母线,与所述换流器(7)的正负母线连接。
11.如权利要求5所述的统一潮流控制器,其特征在于,所述启动电路(6)包括并联的电阻和开关。
12.如权利要求7-10中任一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和ニ极管; 所述半桥结构中点与IGBT发射极之间并联子模块旁路电路; 所述直流电容通过取能电路为子模块的控制电路提供电源。
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