CN202930956U - 一种用于不平衡系统的统一潮流控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于不平衡系统的统一潮流控制器。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；在静止同步补偿器和静止同步串联补偿器之间设置有上部分裂电容和下部分裂电容；上部分裂电容和下部分裂电容串联后分别与静止同步补偿器和静止同步串联补偿器并联；上部分裂电容和下部分裂电容串联后形成分裂电容支路；分裂电容支路的中点与所述静止同步串联补偿器的串联变压器的中性点连接；静止同步补偿器的输出端和所述静止同步串联补偿器的输出端分别与电网连接。该统一潮流控制器便于分相控制和模块化设计，统一潮流控制器UPFC运行损耗小，电压控制能力好，零序电流控制好，元件数量少，成本低，性价比高。

Description

一种用于不平衡系统的统一潮流控制器

技术领域

本实用新型涉及一种灵活交流输电领域的统一潮流控制器，具体涉及一种用于不平衡系统的统一潮流控制器。

背景技术

110kV及以上电压等级电网中性点采用直接接地方式，当三相负载不对称时，线路上会出现零序电流。三相电压不平衡度是衡量电网电能质量的一个重要指标。随着人们对电能质量要求的提高，电压不平衡问题正受到越来越多的关注。在三相系统中，引起电压不平衡的原因主要来自两方面：发电机的输出电压不平衡和负载不对称。理论上讲，发电机的输出电压并不是完全对称的，具有一定的不平衡度，但都应限制在标准所允许的范围内。配电端的三相负载不可能完全对称，特别是在大容量单相负载存在的场合，电压不平衡问题尤为严重。当电压不平衡较为严重时，就会影响某些设备的正常工作，如电机、电力电子装置等。电力机车是波动性很大的大功率单相整流负荷，对于三相对称的电力系统供电来说，电铁牵引负荷具有非线形、不对称和波动性的特点，将产生三相不平衡的谐波电流注入系统，使电力系统的电压波动。因此，在电力机车高速发展，对电网影响越来越大的背景下，对于不平衡系统的控制显得尤为重要。

统一潮流控制器(UPFC)是一种功能最强大、特性最优越的新一代柔性交流输电(FACTS)装置，是迄今为止通用性最好的FACTS装置，综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，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(STATCOM)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STATCOM、SSSC装置都不具备的四象限运行功能。

UPFC装置主电路拓扑采用两个电压源换流器(VSC)直流侧并联的方式，其中一台变流器交流侧直接或通过变压器与系统并联，另一台变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。

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)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。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。这些限制了大容量UPFC的应用。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种统一潮流控制器UPFC主电路拓扑结构，采用模块化多电平换流器构成变流器，避免了器件串联的技术难点，该统一潮流控制器具有以下特点：便于分相控制和模块化设计，通过冗余技术可旁路故障单元，进而提高统一潮流控制器运行可靠性，器件开关频率低，统一潮流控制器UPFC运行损耗小。直流母线采用两个电容器分裂出中点电压，并与输出变压器中性点连接，构成三相四线MMC变换器，具有以下优点：电压控制能力好，零序电流控制好，元件数量少，成本低，性价比高。

本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：

一种用于不平衡系统的统一潮流控制器，其改进之处在于，所述统一潮流控制器包括静止同步补偿器1和静止同步串联补偿器2；

在所述静止同步补偿器1和静止同步串联补偿器2之间设置有上部分裂电容3和下部分裂电容4；所述上部分裂电容3和下部分裂电容4串联后分别与静止同步补偿器1和静止同步串联补偿器2并联；

所述上部分裂电容3和下部分裂电容4串联后形成分裂电容支路；所述分裂电容支路的中点与所述静止同步串联补偿器2的串联变压器11的中性点连接；

所述静止同步补偿器1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。

其中，所述静止同步补偿器1包括启动电路6、换流器8和接入变压器9；

所述换流器8一端依次通过所述启动电路6和接入变压器9与电网连接；

所述接入变压器9的副边与所述启动电路6连接；所述接入变压器9的原边与所述电网连接。

其中，所述换流器8由三相构成；三相并联；每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；

上下两桥臂的中点处引出作为所述静止同步补偿器1的输出端。

其中，所述上下两桥臂中每个桥臂包括1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启动电路6连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述换流器8的正负极母线；或

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1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启动电路6连接；每个桥臂的子模块级联后另一端串联电抗器后与另两相桥臂的电抗器连接，形成所述换流器8的正负极母线。

其中，所述启动电路6包括并联的电阻和开关。

其中，所述静止同步串联补偿器2包括启动电路7、换流器10和串联变压器11；

所述换流器10一端依次通过启动电路7和串联变压器11与电网连接。

所述换流器10另一端通过分裂电容支路与换流器8的另一端连接。

其中，所述换流器10由三相构成；三相并联；每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处引出作为所述静止同步串联补偿器2的输出端。

其中，所述上下两桥臂中每个桥臂包括1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串联变压器11连接；另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述换流器10正负极母线，分别与所述换流器8的正负极母线对应连接；或

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1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串联变压器11连接；另一端串联电抗器后与另两相桥臂的电抗器连接，形成所述换流器10正负极母线，分别与所述换流器8的正负极母线对应连接。

其中，所述启动电路7包括并联的电阻和开关。

其中，所述统一潮流控制器包括旁路开关5；所述旁路开关5与所述串联变压器11并联。

其中，所述串联变压器11的原边分别与电网和启动电路7连接；所述串联变压器11副边与负载连接。

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利二极管；

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源为子模块的控制电路提供电源。

其中，所述换流器8的正负极母线和换流器10正负极母线称作直流母线；所述直流母线采用上部分裂电容3和下部分裂电容4分裂出中点电压，并与串联变压器11的中性点连接，构成三相四线模块化多电平换流器MMC。

与现有技术比，本实用新型达到的有益效果是：

1、本实用新型提供的用于不平衡系统的统一潮流控制器，可大幅提高统一潮流控制器容量，无需采用复杂的IGBT器件串联的技术；

2、本实用新型提供的用于不平衡系统的统一潮流控制器可实现分相控制；

3、本实用新型提供的用于不平衡系统的统一潮流控制器可实现模块化设计；

4、本实用新型提供的用于不平衡系统的统一潮流控制器通过冗余技术可旁路故障单元，提高装置运行可靠性；

5、本实用新型提供的用于不平衡系统的统一潮流控制器，为降低输出谐波，IGBT器件串联方案开关频率通常很高，装置损耗大；本方案采用了模块化多电平技术，各个器件的开关频率低，但可实现对外等效开关频率很高，减少输出谐波，因此装置运行损耗小；

6、本实用新型提供的用于不平衡系统的统一潮流控制器，三相四线拓扑结构电压控制能力好，零序电流控制好，元件数量少，成本低，性价比高。

附图说明

图1是串联侧单相MMC拓扑结构图；

图2是串联侧四桥臂MMC拓扑结构图；

图3是本实用新型提供的用于不平衡系统的统一潮流控制器串联侧带分裂电容的三相四线MMC拓扑方案一示意图；

图4是本实用新型提供的用于不平衡系统的统一潮流控制器串联侧带分裂电容的三相四线MMC拓扑方案二示意图；

其中：(1)为静止同步补偿器、(2)为静止同步串联补偿器、(3)为上部分裂电容、(4)为下部分裂电容、(5)为旁路开关、(6)为启动电路、(7)为启动电路、(8)为换流器、(9)为接入变压器、(10)为换流器、(11)为串联变压器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实用新型提出了一种用于不平衡系统的统一潮流控制器UPFC，规避了器件串联的技术难点，具有便于分相控制和模块化设计，通过冗余技术可旁路故障单元，提高统一潮流控制器运行可靠性，且器件开关频率低，统一潮流控制器运行损耗小。

串联侧MMC变换器可采用如下几种方案：

I、串联侧单相MMC方案(附图1)。串联侧每相采用全桥结构，输出通过单相变压器串入线路。该方案串联侧三相可独立调节，控制灵活、性能优越，控制策略相对简单。但是该方案元件数量最多，成本最高，性价比低。

II、串联侧四桥臂MMC方案(附图2)。串联侧由四个MMC桥臂构成，输出通过单相或三相(五柱)变压器串入线路。该方案串联侧三相电压不如单相变换器那样控制灵活，元件数量多，成本高，性价比较低。

III、串联侧带分裂电容的三相四线MMC方案(附图3和附图4)。直流母线采用两个电容器分裂出中点电压，并与输出变压器中性点连接，构成三相四线MMC变换器，具有以下特点：电压控制能力较好，零序电流控制较好，元件数量较少，成本较低，性价比较高。

本实用新型采用串联侧带分裂电容的三相四线MMC方案。

实施例1

本实用新型提供的一种用于不平衡系统的统一潮流控制器串联侧带分裂电容的三相四线MMC拓扑方案一如图3所示，统一潮流控制器包括静止同步补偿器1和静止同步串联补偿器2；在静止同步补偿器1和静止同步串联补偿器2之间设置有上部分裂电容3和下部分裂电容4；上部分裂电容3和下部分裂电容4串联后分别与静止同步补偿器1和静止同步串联补偿器2并联；上部分裂电容3和下部分裂电容4串联后形成分裂电容支路；分裂电容支路的中点与所述静止同步串联补偿器2的串联变压器11的中性点连接；静止同步补偿器1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。

静止同步补偿器1的正负极母线和静止同步串联补偿器2正负极母线称作直流母线；直流平线采用两个电容器3和4分裂出中点电压，并与串联变压器11中性点连接，构成三相四线MMC变换器。中性点电流可流过两个分裂电容器3和4。

静止同步补偿器1和静止同步串联补偿器2通过由分裂电容3和4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换。

静止同步补偿器1包括启动电路6、换流器8和接入变压器9；换流器8一端依次通过启动电路6和接入变压器9与电网连接；接入变压器9的副边与启动电路6连接；接入变压器9的原边与电网连接。

换流器8由三相构成；三相并联；每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处引出作为静止同步补偿器1的输出端。

其中，上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N(N为自然数)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启动电路6连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成换流器8的正负极母线；具体的，半桥桥臂中点与下管IGBT发射极分别作为子模块引出端，依次与前后的子模块串联，再与1个换流电抗串联构成1个桥臂。上下两个桥臂串联，构成1相换流装置，三相换流装置整体并联，并引出正负母线。上下桥臂中点处引出作为STATCOM换流器的输出端，与启动电路6串联后，通过与系统并联的变压器9接入系统。接入变压器9用于实现系统电压与STATCOM装置输出电压的匹配。

启动电路6由启动电阻与启动电阻旁路开关并联构成。启动电路6用于实现静止同步补偿器1的软启动。

换流器10和换流器8结构相同，换流器10由三相构成；三相并联；每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处引出作为所述静止同步串联补偿器2的输出端。

上下两桥臂中每个桥臂包括1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；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述串联变压器11连接；另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述换流器10正负极母线，分别与所述换流器8的正负极母线对应连接。

具体的，半桥桥臂中点与下管IGBT发射极分别作为子模块引出端，依次与前后的子模块串联，再与1个换流电抗串联构成1个桥臂。上下两个桥臂串联，构成1相换流装置，三相换流装置整体并联，并引出正负母线。上下桥臂中点处引出作为SSSC换流器的输出端，与启动电路7串联后，通过与系统串联的变压器11接入系统。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，另一方面可以抑制换流装置输出谐波。

串联变压器11中性点与由上部分裂电容3和下部分裂电容4串联后分裂出的中点连接。串联变压器11的原边一端与系统连接，一端与负载连接。串联变压器11用于实现系统电压与静止同步串联补偿器2输出电压的匹配。

启动电路7由启动电阻与启动电阻旁路开关并联构成。启动电路7用于实现静止同步串联补偿器2的软启动。

优选的，本实施例的统一潮流控制器为了安全设置，还设置了旁路开关5，旁路开关5与串联变压器11并联，用于实现静止同步串联补偿器的退出。

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。取能电源可参考专利201010624225.6或ZL201020700480.X实现。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，但区别点在于：

换流器8和换流器10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4所示。其用于抑制换流装置输出谐波。

具体的，换流器8由三相构成；三相并联；每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处引出作为静止同步补偿器1的输出端。上下两桥臂中每个桥臂包括1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启动电路6连接；每个桥臂的子模块级联后另一端串联电抗器后与另两相桥臂的电抗器连接，形成所述换流器8的正负极母线。

换流器10由三相构成；三相并联；每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处引出作为所述静止同步串联补偿器2的输出端。上下两桥臂中每个桥臂包括1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串联变压器11连接；另一端串联电抗器后与另两相桥臂的电抗器连接，形成所述换流器10正负极母线，分别与所述换流器8的正负极母线对应连接。

本实用新型提供的用于不平衡系统的统一潮流控制器UPFC，其中直流母线采用两个电容器分裂出中点电压，并与输出变压器中性点连接，构成三相四线MMC变换器，具有以下特点：电压控制能力好，零序电流控制好，元件数量少，成本低，性价比高。

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，尽管参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)

1.一种用于不平衡系统的统一潮流控制器，其特征在于，所述统一潮流控制器包括静止同步补偿器(1)和静止同步串联补偿器(2)；

在所述静止同步补偿器(1)和静止同步串联补偿器(2)之间设置有上部分裂电容(3)和下部分裂电容(4)；所述上部分裂电容(3)和下部分裂电容(4)串联后分别与静止同步补偿器(1)和静止同步串联补偿器(2)并联；

所述上部分裂电容(3)和下部分裂电容(4)串联后形成分裂电容支路；所述分裂电容支路的中点与所述静止同步串联补偿器(2)的串联变压器(11)的中性点连接；

所述静止同步补偿器(1)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1所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述静止同步补偿器(1)包括启动电路(6)、换流器(8)和接入变压器(9)；

所述换流器(8)一端依次通过所述启动电路(6)和接入变压器(9)与电网连接；

所述接入变压器(9)的副边与所述启动电路(6)连接；所述接入变压器(9)的原边与所述电网连接。

3.如权利要求2所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述换流器(8)由三相构成；三相并联；每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处引出作为所述静止同步补偿器(1)的输出端。

4.如权利要求3所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述上下两桥臂中每个桥臂包括1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启动电路(6)连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述换流器(8)的正负极母线；或

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1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启动电路(6)连接；每个桥臂的子模块级联后另一端串联电抗器后与另两相桥臂的电抗器连接，形成所述换流器(8)的正负极母线。

5.如权利要求2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。

6.如权利要求1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(7)、换流器(10)和串联变压器(11)；

所述换流器(10)一端依次通过启动电路(7)和串联变压器(11)与电网连接。

所述换流器(10)另一端通过分裂电容支路与换流器(8)的另一端连接。

7.如权利要求5所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述换流器(10)由三相构成；三相并联；每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处引出作为所述静止同步串联补偿器(2)的输出端。

8.如权利要求7所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述上下两桥臂中每个桥臂包括1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串联变压器(11)连接；另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述换流器(10)正负极母线，分别与所述换流器(8)的正负极母线对应连接；或

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1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串联变压器(11)连接；另一端串联电抗器后与另两相桥臂的电抗器连接，形成所述换流器(10)正负极母线，分别与所述换流器(8)的正负极母线对应连接。

9.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(7)包括并联的电阻和开关。

10.如权利要求2-9中任一项所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述串联变压器(11)的原边分别与电网和启动电路(7)连接；所述串联变压器(11)副边与负载连接。

11.如权利要求4或7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；

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源为子模块的控制电路提供电源。

12.如权利要求4或7所述的统一潮流控制器，其特征在于，所述换流器(8)的正负极母线和换流器(10)正负极母线称作直流母线；所述直流母线采用上部分裂电容(3)和下部分裂电容(4)分裂出中点电压，并与串联变压器(11)的中性点连接，构成三相四线模块化多电平换流器MMC。

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