一種基於三電平電壓源換流器的hvdc兼upfc系統的製作方法

2023-06-03 01:32:46 2

專利名稱：一種基於三電平電壓源換流器的hvdc兼upfc系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及電力電子領域，具體涉及一種基於三電平電壓源換流器的HVDC兼 UPFC系統。
背景技術：
在分布式發電、可再生能源、智能電網技術迅速發展的新形勢下，柔性直流輸電技術為彌補傳統高壓直流輸電技術的不足提供了新的途徑。傳統的採用半控器件晶閘管的高壓直流輸電，交流側需要無功補償裝置，逆變側需要非常強大的電源進行有源逆變，否則會產生換相失敗。柔性直流輸電採用基於可關斷器件的電壓源換流器，具有關斷電流的能力， 應用PWM技術進行無源逆變，對受端系統容量沒有要求，解決了傳統直流輸電向無源負荷點送電的難題；能夠獨立控制有功、無功等，具有良好的控制靈活性；潮流反轉時，直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，方便構成直流多端系統。
柔性直流輸電裝置採用基於可關斷器件的電壓源換流器，具有關斷電流的能力， 應用PWM技術進行無源逆變，對受端系統容量沒有要求，解決了傳統直流輸電向無源負荷點送電的難題；能夠獨立控制有功、無功等，具有良好的控制靈活性。其主電路拓撲採用兩個電壓源換流器(VSC)直流側並聯的方式，其中一臺換流器交流側直接或通過變壓器與系統並聯，直流側連接輸電線，到達輸電目的地後，另一臺換流器交流側直接或通過變壓器與目的地的系統並聯。
統一潮流控制器(UPFC)是迄今為止通用性最好的FACTS裝置，僅通過控制規律的改變，就能分別或同時實現並聯補償、串聯補償和移相等幾種不同的功能。UPFC裝置可以看作是一臺靜止同步補償器(STATC0M)裝置與一臺靜止同步串聯補償器(SSSC)裝置在直流側並聯構成，它可以同時並快速、獨立控制輸電線路中的有功功率和無功功率，從而使得 UPFC擁有STATCOM、SSSC裝置都不具備的四象限運行功能。
UPFC裝置主電路拓撲採用兩個電壓源換流器(VSC)直流側並聯的方式，其中一臺換流器交流側直接或通過變壓器與系統並聯，另一臺換流器交流側通過變壓器與系統串聯。由於採用了可關斷器件控制，使得並聯換流器和串連換流器的輸出電壓可單獨控制。每一個換流器在交流輸出端，都能獨立吸收或供給無功功率及有功功率。
柔性直流輸電和UPFC使用的電壓源換流器通常採用二電平和三電平兩種拓撲結構。二電平拓撲結構的不足之處在於，當其應用於高壓場合時，需要用高反壓的功率開關管或將多個功率開關管串聯使用。此外，由於VSC交流側輸出電壓總在二電平上切換，當開關頻率不高時，將導致諧波含量相對較大。三電平VSC拓撲結構中以多個功率開關串聯使用， 並採用二極體鉗位以獲得交流輸出電壓的三電平調製。三電平VSC在提高耐壓等級的同時有效地降低了交流諧波電壓、電流，從而改善了其網側波形品質。
通常的實際工程中，柔性直流輸電裝置和UPFC往往是獨立建設與運行的，這造成了重複投資建設、成本高、設備利用率低、管理與控制不集中等問題。發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種基於三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC 系統，利用電壓源換流器直流電壓極性不變，方便構成直流多端系統的特點，柔性直流輸電 HVDC和統一潮流控制器UPFC共用一個換流裝置，節省了工程建設成本與投資，提高了設備利用率，便於集中管理與控制，並且可改善其網側波形品質。
本發明提供的一種基於三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC系統，包括換流裝置I、換流裝置2、換流裝置11、接地電路3、接地電路12、開關4和直流輸電線13 ;所述換流裝置I包括變壓器7和換流器6 ;其改進之處在於，
所述變壓器7原邊並聯接入電網且接地，所述變壓器7副邊與所述換流器6串聯； 所述換流器6兩端並聯接地電路3後，分成至少兩條支路，支路一為接地電路3兩端連接所述換流裝置2後與所述電網連接，構成一組統一潮流控制器UPFC ;支路二為接地電路3兩端通過所述直流輸電線13與所述換流裝置11連接後與電網連接，構成一組柔性直流輸電 HVDC ;所述直流輸電線13與所述換流裝置11之間並聯接地電容12 ;所述開關4與所述換流裝置⑵並聯。
其中，所述換流裝置I包括啟動電路5 ;所述啟動電路5串聯在所述變壓器7副邊和所述換流器6之間。
其中，所述換流裝置11包括換流器15 ;所述換流器15串聯在電網和所述接地電路12之間。優選的，所述換流裝置11還可以包括啟動電路14，串聯在所述電網和所述換流器15之間。優選的，所述換流裝置11還可以包括變壓器16，設置在所述啟動電路14和所述電網之間，用於系統電壓與換流器15電壓的匹配；所述變壓器16原邊與所述電網並聯且接地，其副邊與所述啟動電路14連接。
其中，所述換流裝置2包括變壓器10和換流器9 ;所述變壓器10原邊串聯串聯在所述電網和負載之間，所述變壓器10副邊與所述換流器6串聯。優選的，所述換流裝置2 還可以包括啟動電路8，所述啟動電路8串聯在所述變壓器10和所述換流器9之間。
其中，所述接地電路3和12均為接地電容，用於防止電位懸浮，固定系統電位；所述接地電容的中性點接地。優選的，所述接地電路3和12還可以均為接地電阻，用於防止電位懸浮，固定系統電位；所述接地電阻的中性點接地。
其中，所述換流器6、9和15均包括三相換流裝置、濾波電感、鉗位二極體、支撐電容；每相換流裝置由上橋臂和下橋臂串聯而成；所述每相換流裝置中點處經過交流濾波電感與啟動電路串聯；所述三相換流裝置並聯，形成正負母線；
所述鉗位二極體包括上橋臂鉗位二極體和下橋臂鉗位二極體；所述每相換流裝置中，所述上橋臂中點與上橋臂鉗位二極體陰極連接，下橋臂中點與下橋臂鉗位二極體陽極連接，上橋臂鉗位二極體陽極與下橋臂鉗位二極體陰極串聯；
兩個所述支撐電容串聯後，並聯在正負母線之間，串聯的兩個電容的中點與每相串聯的鉗位二極體的中點相連。優選的，所述上橋臂和所述下橋臂均包括至少兩個級聯的 IGBT模塊；所述IGBT模塊包括反並聯的IGBT和二極體。
其中，所述換流器(6、9、15)均採用三電平拓撲結構。
其中，所述啟動電路(5、8、14)均包括並聯的電阻和開關。
其中，HVDC可以採用兩端形式或多端形式；UPFC可以採用兩端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系統中，HVDC的正負母線(即公共直流母線)與UPFC的正負母線(即公共直流母線)相連。
與現有技術比，本發明的有益效果為
本發明使用鉗位二極體，獲得交流輸出電壓的三電平調製；
本發明的三電平VSC提高了功率開關器件耐壓等級；
本發明有效地降低了交流諧波電壓、電流，從而改善了其網側波形品質；
本發明可實現分相控制；
本發明柔性直流輸電和UPFC共用一個換流裝置，節省了工程建設成本與投資，提高了設備利用率，便於集中管理與控制。


圖I為本發明提供的三電平電壓源換流器拓撲結構。
圖2為本發明提供的基於三電平電壓源換流器的柔性直流輸電HVDC兼統一潮流控制器UPFC拓撲圖(方案一)。
圖3為本發明提供的基於三電平電壓源換流器的柔性直流輸電HVDC兼統一潮流控制器UPFC拓撲圖(方案二)。
其中，(I)為換流裝置；(2)為換流裝置(3)為接地電路中的接地電容或接地電阻；⑷為旁路開關；(5)為啟動電路；(6)為換流器；(7)為變壓器；⑶為啟動電路；(9)為換流器；(10)為變壓器；(11)為換流裝置；(12)為接地電路；(13)為直流輸電線；(14)為啟動電路；(15)為換流器；(16)為變壓器；(17)為濾波電感；(18)為上橋臂的兩個級聯的 IGBT模塊；(19)為下橋臂兩個級聯的IGBT模塊；(20)為鉗位二極體；(21)為鉗位二極體；(22)為支撐電容；(23)為支撐電容。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
本實施例提供的一種基於三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC系統，其拓撲圖如圖2或圖3所示，包括換流裝置I、換流裝置2、換流裝置11、接地電路3、接地電路12、開關 4和直流輸電線13 ;其中開關4為旁路開關；
所述換流裝置I 一端與電網串聯，另一端與接地電路3並聯；接地電路3兩端分成至少兩條支路，支路一為接地電路3兩端連接所述換流裝置2後與所述電網連接，構成一組統一潮流控制器UPFC ;支路二為接地電路3兩端通過所述直流輸電線13與所述換流裝置 11連接後與電網連接，構成一組柔性直流輸電HVDC ;所述直流輸電線13與所述換流裝置 11之間並聯接地電容12 ;開關4與所述換流裝置2並聯。
其中，各裝置構成如下
所述換流裝置I包括變壓器7、啟動電路5和換流器6(換流器6為級聯半橋結構電壓源換流器，為柔性直流輸電與統一潮流控制器共用)；所述變壓器7原邊並聯接入電網且接地，所述變壓器7副邊依次與所述啟動電路5和所述換流器6串聯；所述換流器6兩端與接地電路3並聯；
所述換流裝置11包括啟動電路14和換流器15 ;所述啟動電路14 一端與電網串聯，另一端和所述換流器15串聯。為了實現系統電壓與換流器15電壓的匹配，在啟動電路 14和所述電網之間設置一個變壓器16，所述變壓器16原邊與所述電網並聯且接地，其副邊與所述啟動電路14連接。
所述換流裝置2包括變壓器10、啟動電路8和換流器9 ;所述變壓器10原邊串聯接入所述電網，所述變壓器10副邊依次與所述啟動電路8和所述換流器9串聯；所述變壓器10原邊與負載連接。
換流器6和換流器9的正負母線相連，正負母線之間並聯接地電路3，構成中間直流環節相連，這樣有功功率可以在兩個換流裝置之間進行雙向傳遞；無功功率可由每個換流裝置在其交流側獨立地與系統進行交換。
所述接地電路3和12——柔性直流輸電與統一潮流控制器共用，其為接地電容 (如圖2)或接地電阻(如圖3)，用於防止電位懸浮，固定系統電位；所述接地電容的中性點接地；所述接地電阻的中性點接地。
所述換流器6的拓撲圖如圖I所示，包括三相換流裝置、濾波電感、鉗位二極體、支撐電容；每相換流裝置由上橋臂和下橋臂串聯而成。任一一相換流裝置中點處經過交流濾波電感29與啟動電路串聯；所述三相換流裝置並聯，形成正負母線(如圖中標註的正負號所示)。本實施例以其中任一相舉例說明所述鉗位二極體包括上橋臂鉗位二極體27和下橋臂鉗位二極體28 ;所述上橋臂中點與上橋臂鉗位二極體27陰極連接，下橋臂中點與下橋臂鉗位二極體28陽極連接，上橋臂鉗位二極體27陽極與下橋臂鉗位二極體28陰極串聯； 兩個所述支撐電容23和24串聯後，並聯在正負母線之間，串聯的兩個電容的中點與每相串聯的鉗位二極體的中點相連。其中上橋臂包括至少兩個級聯的IGBT模塊25，下橋臂包括至少兩個級聯的IGBT模塊26 ;所述IGBT模塊包括反並聯的IGBT和二極體。對三電平電壓源換流器控制時，其直流電容器用於提供換流器電壓支撐；交流濾波電感用於濾除交流側電流諧波；鉗位二極體用於獲得交流輸出電壓的三電平調製；取能電源用於給控制電路提供控制電源；控制電路用於實現對換流器的控制、監測及保護。需要說明的是，本實施例的三個三電平電壓源換流器上下橋臂中的IGBT模塊數可相等也可不等，且每個IGBT模塊可由等數量IGBT模塊串聯替代，IBGT模塊的個數均為正整數。
所述啟動電路5、8和14均用於實現裝置的軟啟動，其均包括並聯的電阻和開關。
本實施例HVDC可以採用兩端形式或多端形式；UPFC可以採用兩端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系統中，HVDC的正負母線(即公共直流母線)與UPFC的正負母線(即公共直流母線)相連(正極與正極連，負極與負極連)。
最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種基於三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC系統，包括換流裝置(1、2、11)、接地電路(3、12)、開關(4)和直流輸電線(13);所述換流裝置(I)包括變壓器(7)和換流器(6);其特徵在於， 所述變壓器(7)原邊並聯接入電網且接地，所述變壓器(7)副邊與所述換流器(6)串聯；所述換流器(6)兩端並聯接地電路(3)後，分成至少兩條支路，支路一為接地電路(3)兩端連接所述換流裝置(2)後與所述電網連接，構成一組統一潮流控制器UPFC ;支路二為接地電路(3)兩端通過所述直流輸電線(13)與所述換流裝置(11)連接後與電網連接，構成一組柔性直流輸電HVDC ;所述直流輸電線(13)與所述換流裝置(11)之間並聯接地電容(12);所述開關(4)與所述換流裝置(2)並聯。
2.如權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述換流裝置(I)包括啟動電路(5);所述啟動電路(5)串聯在所述變壓器(7)副邊和所述換流器(6)之間。
3.如權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述換流裝置(11)包括換流器(15);所述換流器(15)串聯在電網和所述接地電路(12)之間。
4.如權利要求3任一所述的系統，其特徵在於，所述換流裝置(11)包括啟動電路(14)，串聯在所述電網和所述換流器(15)之間。
5.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述換流裝置(11)包括變壓器(16)，設置在所述啟動電路(14)和所述電網之間，用於系統電壓與換流器(15)電壓的匹配；所述變壓器(16)原邊與所述電網並聯且接地，其副邊與所述啟動電路(14)連接。
6.如權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述換流裝置(2)包括變壓器(10)和換流器(9);所述變壓器(10)原邊串聯串聯在所述電網和負載之間，所述變壓器(10)副邊與所述換流器(6)串聯。
7.如權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述換流裝置(2)包括啟動電路(8)，所述啟動電路(8)串聯在所述變壓器(10)和所述換流器(9)之間。
8.如權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述接地電路(3、12)為接地電容，用於防止電位懸浮，固定系統電位；所述接地電容的中性點接地。
9.如權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述接地電路(3、12)為接地電阻，用於防止電位懸浮，固定系統電位；所述接地電阻的中性點接地。
10.如權利要求1-7任一所述的系統，其特徵在於，所述換流器(6、9、15)包括三相換流裝置、濾波電感、鉗位二極體、支撐電容；每相換流裝置由上橋臂和下橋臂串聯而成；所述每相換流裝置中點處經過交流濾波電感與啟動電路串聯；所述三相換流裝置並聯，形成正負母線； 所述鉗位二極體包括上橋臂鉗位二極體和下橋臂鉗位二極體；所述每相換流裝置中，所述上橋臂中點與上橋臂鉗位二極體陰極連接，下橋臂中點與下橋臂鉗位二極體陽極連接，上橋臂鉗位二極體陽極與下橋臂鉗位二極體陰極串聯； 兩個所述支撐電容串聯後，並聯在正負母線之間，串聯的兩個電容的中點與每相串聯的鉗位二極體的中點相連。
11.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述上橋臂和所述下橋臂均包括至少兩個級聯的IGBT模塊；所述IGBT模塊包括反並聯的IGBT和二極體。
12.如權利要求1-7所述的系統，其特徵在於，所述換流器(6、9、15)均採用三電平拓撲結構。
13.如權利要求2、4、5、7或10任一所述的系統，其特徵在於，所述啟動電路(5、8、14)包括並聯的電阻和開關。
14.如權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述柔性直流輸電HVDC採用兩端形式或多端形式；所述統一潮流控制器UPFC採用兩端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系統中，HVDC的正負母線與UPFC的正負母線相連。
全文摘要
本發明提出了一種基於三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC系統，包括換流裝置(1、2、11)、接地電路(3、12)、開關(4)和直流輸電線(13)；換流裝置(1)與換流裝置(2)構成UPFC，換流裝置(1)與換流裝置(11)構成HVDC。本發明的HVDC和UPFC共用一個換流裝置，節省了工程建設成本與投資，提高了設備的利用率，便於集中管理與控制，並且可改善其網側波形品質。
文檔編號H02M7/797GK102983586SQ20121026716
公開日2013年3月20日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者王軒, 吳倩, 閆殳裔, 王宇紅, 喻勁松, 何維國 申請人:中電普瑞科技有限公司, 上海市電力公司, 國家電網公司