CN104767227B - 一种智能配电网变电装置母线潮流控制器 - Google Patents

一种智能配电网变电装置母线潮流控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种智能配电网变电装置母线潮流控制器，所述母线潮流控制器包括基于LCL‑MMC的H‑VSC变换器及L‑VSC变换器和基于MMC及中频隔离的多相型直流变压器；所述H‑VSC换流器交流侧接入高压交流母线，直流侧并联接入高压直流母线；所述L‑VSC换流器交流侧接入高压交流母线，直流侧并联接入高压直流母线；所述直流变压器包括高压侧H‑VSC换流器、低压侧L‑VSC换流器和中频交流变压器组；所述高压侧H‑VSC换流器、交流侧串联中频交流变压器，直流侧串联接高压直流母线。本发明的母线潮流控制器所提供的新型结构，便于不同电压等级交直流混合型电网的互联，并且实现不同额定电压等级交直流母线间有功功率混合协调变换，同时具备高低压交流侧无功解耦控制功能。

Description

一种智能配电网变电装置母线潮流控制器
技术领域
本发明涉及大功率柔性VSC变换和直流变压技术，是一种智能配电网变电装置“母线潮流控制器”。
背景技术
未来配电网将是广泛互联、高度智能、开放互动的“能源互联网”的主要载体，可以实现在广域范围内能源生产、传输、配送、转换、消耗的优化。除了承担电能的配送任务之外，未来配电网还需要实现区域内能源的交换和分配，并满足分布式电源接入及消纳的需求。
现有的配电网结构还是依赖于传统上级交流电网进行电力相互传输与调节，而交流电网传输能力取决于***运行方式，特别是含有高渗透率风电、太阳能发电以及大量电动汽车的局部配电网将很难实现功率柔性调节。相比之下，直流配电网可有效地提高供电容量与电能质量，快速独立地控制有功功率，接入可再生能源灵活、便捷等。因此，未来配电网广泛互联将实现交流配电网、直流配电网及交直流混合配电网的不同电压等级互联，以传统交流为网络支撑通过直流来实现功率柔性调节，来协调大电网与分布式电源之间的矛盾。
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于多电压等级交直流混合型配电网互联应用的母线潮流控制器(BPFC)。该母线潮流控制器将作为交直流混合型柔性电网互联的关键支撑设备，突破目前传统交流配电网结构，满足了未来交直流混合型智能配电网互联发展需求，同时与通信技术结合起来构造一种全新的多层次交直流混合型配电网架构，实现区域内多层次分布式新能源互联互通。
发明内容
本发明涉及一种智能配电网变电装置母线潮流控制器。包括基于LCL-MMC的H-VSC变换器及L-VSC变换器和基于MMC及中频隔离的多相型直流变压器；
所述H-VSC变换器包括高压侧LCL电路和高压侧VSC变换电路；
所述L-VSC变换器包括低压侧LCL电路和低压侧VSC变换电路；
所述直流变压器包括高压侧H-VSC变换电路、低压侧L-VSC变换电路和中频交流变压器组；
所述高压侧VSC变换电路交流侧通过串联高压侧LCL电路后，并联接入高压侧交流母线；所述高压侧VSC变换电路直流侧并联接入高压侧直流母线；
所述低压侧VSC变换电路交流侧通过串联低压侧LCL电路后，并联接入低压侧交流母线；所述低压侧VSC变换电路直流侧并联接入低压侧直流母线；
所述高压侧H-VSC变换电路交流侧串联中频交流变压器组，直流侧串联接高压侧直流母线；
所述低压侧L-VSC变换电路交流侧串联中频交流变压器组，直流侧串联接低压侧直流母线。
进一步地，高压侧LCL电路由三相六个电感和三个电容构成，每相由两个电感和一个电容；每相中的两个电感串联，在两个电感中间并联一个电容，三个电容星型连接；每相中两个电感中的一个与高压交流母线三相连接，另一个与高压侧VSC变换电路三相换流装置的上下桥臂中点连接。
进一步地，高压侧VSC变换电路由三相六个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n5个结构相同的子模块；所述n5个结构相同的子模块级联后一端通过电抗器与另一桥臂的电抗器以及所述LCL电路连接，另一端与高压侧直流母线连接；所述三相换流装置整体并联。
进一步地，高压侧H-VSC变换电路由n相2n个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n8个结构相同的子模块，每两相4个桥臂为一组，共n/2组；所述n8个结构相同的子模块级联后一端通过电抗器与另一桥臂的电抗器连接以及中频交流变压器组中变压器相连，另一端与高压侧直流母线相连；其中，n为偶数。
进一步地，中频交流变压器组由m个相同的变压器构成，m个变压器并联运行；所述中频交流变压器组中变压器一次侧连接高压侧H-VSC变换电路，二次侧连接低压侧L-VSC变换电路；其中，m＝n/2，n为高压侧H-VSC变换电路的相数。
进一步地，低压侧L-VSC变换电路，与所述高压侧H-VSC变换电路的结构相同，由n相2n个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n9个结构相同的子模块，每两相4个桥臂为一组，共n/2组；所述n9个结构相同的子模块级联后一端通过电抗器与另一桥臂的电抗器以及与中频交流变压器组中变压器相连，另一端与低压侧直流母线相连；其中，n为偶数。
进一步地，低压侧VSC变换电路与高压侧VSC变换电路结构相同，由三相六个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n7个结构相同的子模块；所述n7个结构相同的子模块级联后一端通过电抗器与另一桥臂的电抗器以及所述低压侧LCL电路连接，另一端与低压侧直流母线连接；所述三相换流装置整体并联。
进一步地，低压侧LCL电路结构与高压侧LCL电路结构相同，由三相六个电感和三个电容构成，每相由两个电感和一个电容；每相中的两个电感串联，在两个电感中间并联一个电容，三个电容星型连接；每相中的两个电感中的一个与低压侧交流母线三相连接，另一个与低压侧VSC变换电路三相变换装置的上下桥臂中点连接。
进一步地，所述子模块包括半桥型和全桥型；所述半桥型子模块由1个桥臂和1个电容并联构成；所述全桥型子模块由2个桥臂和1个电容并联构成；所述桥臂包括2个串联IGBT模块，每个IGBT模块包括1个IGBT和1个反向并联的二极管。
附图说明
图1是本发明提供的一种智能配电网变电装置母线潮流控制器的基本***结构图；
图2是本发明提供的一种智能配电网变电装置母线潮流控制器的***结构电路图；
图3是本发明提供的一种智能配电网变电装置母线潮流控制器中MMC的半桥型子模块结构图；
图4是本发明提供的一种智能配电网变电装置母线潮流控制器中MMC的全桥型子模块结构图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
参阅图1所示，其为本发明基本***结构图。包括基于LCL-MMC的H-VSC变换器(1)及L-VSC变换器(2)和基于MMC及中频隔离的多相型直流变压器(3)；H-VSC变换器(1)交流侧接入高压侧交流母线，直流侧并联接入高压侧直流母线；L-VSC变换器(2)交流侧接入低压侧交流母线，直流侧并联接入低压侧直流母线；直流变压器(3)包括高压侧H-VSC变换电路(8)、低压侧L-VSC变换电路(9)和中频交流变压器组(10)；高压侧H-VSC变换电路(8)交流侧串联中频交流变压器组(10)，直流侧并联接高压侧直流母线；低压侧L-VSC变换电路(9)交流侧串联中频交流变压器组(10)，直流侧并联接低压侧直流母线。
参阅图2所示，其为本发明***结构电路图。所述H-VSC变换器(1)、L-VSC变换器(2)、高压侧H-VSC变换电路(8)、低压侧L-VSC变换电路(9)均基于MMC子模块构建，MMC子模块包括半桥型和全桥型。
高压侧LCL电路(4)由三相六个电感和三个电容构成，每相由两个电感和一个电容；每相中的两个电感串联，在两个电感中间并联一个电容，三个电容星型连接；高压侧LCL电路(4)中的电感1、2、3分别与高压交流母线三相连接，电路(4)中的电感4、5、6分别与高压侧MMC-VSC变换电路(5)三相换流装置的上下桥臂中点连接；
高压侧MMC-VSC变换电路(5)由三相六个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n5个结构相同的子模块；所述n5个结构相同的子模块级联后一端通过电抗器与所述高压侧LCL电路(4)连接；具体的，n5个结构相同的子模块级联后引出端1和2，依次与前后的模块级联，再与一个电抗器串联构成一个桥臂，上下两个桥臂串联，构成1相换流电路，3相换流电路整体并联，并引出高压侧MMC-VSC变换电路(5)与高压侧H-VSC变换电路(8)引出的高压直流母线连接；上下桥臂中点接入高压侧LCL电路(4)中；
高压侧H-VSC变换电路(8)由n(n为偶数)相2n个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n8个结构相同的子模块；把n相电路分为n/2组，每组由两相且有4个桥臂构成，例如第1桥臂与第1’桥臂构成一相，第2桥臂与第2’桥臂构成一相，这两相换流电路并联，并联引出线作为高压侧直流母线，两相构成一组与中频交流变压器组(10)中的第1个变压器连接；高压侧H-VSC变换电路(8)中n/2组的电路连接方式都如上所述。具体的一组中两相，一相为第1桥臂子模块级联后一端通过电抗器与第1’桥臂子模块级联后的电抗器连接再与中频交流变压器组(10)中变压器1的1线相连，这一相另两端与高压侧直流母线相连；另一相为第2桥臂子模块级联后一端通过电抗器与第2’桥臂子模块级联后的电抗器连接再与中频交流变压器组(10)中变压器1中2线相连；这一相另两端与高压侧直流母线相连。n/2组电路连接相同，到第n/2组中两相连接时，一相为第n-1桥臂子模块级联后一端通过电抗器与第(n-1)’桥臂子模块级联后的电抗器连接再与中频交流变压器组(10)中变压器m中n-1线相连，这一相另两端与高压侧直流母线相连；另一相为第n桥臂子模块级联后一端通过电抗器与第n’桥臂子模块级联后的电抗器连接再与高压侧LCL电路(4)中变压器m中n线相连，这一相另两端与高压侧直流母线相连；
中频交流变压器组(10)由m个相同的变压器构成，m个变压器并联运行(m＝n/2，n为高压侧H-VSC变换电路(8)的相数)。具体连接为变压器1左端第1条线与高压侧H-VSC变换电路(8)第1桥臂子模块级联后的电抗器和第1’桥臂子模块级联后的电抗器连接，变压器1左端第2条线与高压侧H-VSC变换电路(8)第2桥臂子模块级联后的电抗器和第2’桥臂子模块级联后的电抗器连接；变压器1右端第1’条线与低压侧L-VSC变换电路(9)第1桥臂子模块级联后的电抗器和第1’桥臂子模块级联后的电抗器连接，变压器1右端第2’条线与低压侧L-VSC变换电路(9)第2桥臂子模块级联后的电抗器和第2’桥臂子模块级联后的电抗器连接。M个变压器的连接方式如上所述，变压器m左端第n-1条线与高压侧H-VSC变换电路(8)第n-1桥臂子模块级联后的电抗器和第(n-1)’桥臂子模块级联后的电抗器连接；变压器m左端第n条线与高压侧H-VSC变换电路(8)第n桥臂子模块级联后的电抗器和第n’桥臂子模块级联后的电抗器连接；变压器m右端第(n-1)’条线与低压侧L-VSC变换电路(9)第n-1桥臂子模块级联后的电抗器和第(n-1)’桥臂子模块级联后的电抗器连接；变压器m右端第n条线与低压侧L-VSC变换电路(9)第n桥臂子模块级联后的电抗器和第n’桥臂子模块级联后的电抗器连接；
低压侧L-VSC变换电路(9)，与高压侧H-VSC变换电路(8)的结构相同，由n(n为偶数)相2n个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n9个结构相同的子模块；把n相电路分为n/2组，每组为两相且有4个桥臂构成，如第1桥臂与第1’桥臂构成一相，第2桥臂与第2’桥臂构成一相，这两相换流电路并联，并联引出线作为低压侧直流母线，两相构成一组与中频交流变压器组(10)中的第1’个变压器连接；低压侧L-VSC变换电路(9)中n/2组的电路连接方式都如上所述。具体的一组中两相，一相为第1桥臂子模块级联后一端通过电抗器与第1’桥臂子模块级联后的电抗器连接再与中频交流变压器组(10)中变压器1的1’线相连，这一相另两端端与低压侧直流母线相连；另一相为第2桥臂子模块级联后一端通过电抗器与第2’桥臂子模块级联后的电抗器连接再与中频交流变压器组(10)中变压器1中2’线相连；这一相另两端与低压侧直流母线相连。n/2组电路连接相同，到第n/2组连接时，一相为第n-1桥臂子模块级联后一端通过电抗器与第(n-1)’桥臂子模块级联后的电抗器连接再与中频交流变压器组(10)中变压器m中n-1线相连，这一相另两端与低压侧直流母线相连；另一相为第n桥臂子模块级联后一端通过电抗器与第n’桥臂子模块级联后的电抗器连接再与中频交流变压器组(10)中变压器m中n’线相连，这一相另两端与低压侧直流母线相连；
低压侧VSC变换电路(7)与高压侧VSC变换电路(5)结构相同，由三相六个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n7个结构相同的子模块；所述子模块级联后通过电抗器与所述低压侧LCL电路(6)连接；具体的，子模块的引出端1和2，依次与前后的模块级联，再与一个电抗器串联构成一个桥臂，上下两个桥臂串联，构成1相换流电路，3相换流电路整体并联，并引出低压侧VSC变换电路(7)与低压侧L-VSC变换电路(9)引出的低压直流母线连接。上下桥臂中点接入低压侧LCL电路(6)中；
低压侧LCL电路(6)结构与高压侧LCL电路(4)结构相同，由三相六个电感和三个电容构成，每相由两个电感和一个电容；每相中的两个电感串联，在两个电感中间并联一个电容，三个电容星型连接；低压侧LCL电路(6)中的电感1、2、3分别与低压交流母线三相连接，低压侧LCL电路(6)中的电感4、5、6分别与换流器(7)三相换流电路的上下桥臂中点连接。
参阅图3所示，其为本发明MMC的半桥型子模块结构图。其中半桥型子模块由1个桥臂和1个电容并联构成；桥臂包括2个串联IGBT模块；每个IGBT模块包括1个IGBT和1个反向并联的二极管；桥臂中点引出端1，下IGBT发射极引出端2。
参阅图4所示，其为本发明MMC的全桥型子模块结构图。其中全桥型子模块由2个桥臂和1个电容并联构成；每个桥臂包括2个串联IGBT模块；每个IGBT模块包括1个IGBT和1个反向并联的二极管；两桥臂中点分别引出端1和端2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种智能配电网变电装置母线潮流控制器，其特征在于，所述的母线潮流控制器包括基于LCL-MMC的H-VSC变换器(1)及L-VSC变换器(2)和基于MMC及中频隔离的多相型直流变压器(3)；
所述H-VSC变换器(1)包括高压侧LCL电路(4)和高压侧VSC变换电路(5)；
所述L-VSC变换器(2)包括低压侧LCL电路(6)和低压侧VSC变换电路(7)；
所述直流变压器(3)包括高压侧H-VSC变换电路(8)、低压侧L-VSC变换电路(9)和中频交流变压器组(10)；
所述高压侧VSC变换电路(5)交流侧通过串联高压侧LCL电路(4)后，并联接入高压交流母线；所述高压侧VSC变换电路(5)直流侧并联接入高压侧直流母线；
所述低压侧VSC变换电路(7)交流侧通过串联低压侧LCL电路(6)后，并联接入低压侧交流母线；所述低压侧VSC变换电路(7)直流侧并联接入低压侧直流母线；
所述高压侧H-VSC变换电路(8)交流侧串联中频交流变压器组(10)，直流侧串联接高压侧直流母线；
所述低压侧L-VSC变换电路(9)交流侧串联中频交流变压器组(10)，直流侧串联接低压侧直流母线；
其中，所述高压侧H-VSC变换电路(8)由n相2n个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n8个结构相同的子模块，每两相4个桥臂为一组，共n/2组；所述n8个结构相同的子模块级联后一端通过电抗器与另一桥臂的电抗器以及中频交流变压器组(10)中变压器相连，另一端与高压侧直流母线相连；所述中频交流变压器组(10)由m个相同的变压器构成，m个变压器并联运行；所述中频交流变压器组(10)中变压器一次侧连接高压侧H-VSC变换电路(8)，二次侧连接低压侧L-VSC变换电路(9)；所述低压侧L-VSC变换电路(9)，与所述高压侧H-VSC变换电路(8)的结构相同，由n相2n个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n9个结构相同的子模块，每两相4个桥臂为一组，共n/2组；所述n9个结构相同的子模块级联后一端通过电抗器与另一桥臂的电抗器以及中频交流变压器组(10)中变压器相连，另一端与低压侧直流母线相连；其中，n为偶数，m＝n/2，n为所述高压侧H-VSC变换电路(8)的相数。
2.根据权利要求1所述的智能配电网变电装置母线潮流控制器，其特征在于，所述高压侧LCL电路(4)由三相六个电感和三个电容构成，每相有两个电感和一个电容；每相中的两个电感串联，在两个电感中间并联一个电容，三个电容星型连接；每相中的两个电感中的一个与高压交流母线三相连接，另一个与高压侧VSC变换电路(5)三相换流装置的上下桥臂中点连接。
3.根据权利要求1所述的智能配电网变电装置母线潮流控制器，其特征在于，所述高压侧VSC变换电路(5)由三相六个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n5个结构相同的子模块；所述n5个结构相同的子模块级联后一端通过电抗器与另一桥臂的电抗器以及所述高压侧LCL电路(4)连接，另一端与高压侧直流母线连接；所述高压侧VSC变换电路(5)的三相并联。
4.根据权利要求1所述的智能配电网变电装置母线潮流控制器，其特征在于，所述低压侧VSC变换电路(7)与高压侧VSC变换电路(5)结构相同，由三相六个桥臂构成，每个桥臂包括一个电抗器和n7个结构相同的子模块；所述n7个结构相同的子模块级联后一端通过电抗器与另一桥臂子的电抗器以及所述低压侧LCL电路(6)连接，另一端与低压侧直流母线连接；所述低压侧VSC变换电路(7)的三相并联。
5.根据权利要求1所述的智能配电网变电装置母线潮流控制器，其特征在于，所述低压侧LCL电路(6)结构与高压侧LCL电路(4)结构相同，由三相六个电感和三个电容构成，每相有两个电感和一个电容；每相中的两个电感串联，在两个电感中间并联一个电容，三个电容星型连接；每相中的两个电感中的一个与低压侧交流母线三相连接，另一个与低压侧VSC变换电路(7)三相变换装置的上下桥臂中点连接。
6.根据权利要求1、3或4所述的智能配电网变电装置母线潮流控制器，其特征在于，所述子模块包括半桥型和全桥型；所述半桥型子模块由1个桥臂和1个电容并联构成；所述全桥型子模块由2个桥臂和1个电容并联构成；所述桥臂包括2个串联IGBT模块，每个IGBT模块包括1个IGBT和1个反向并联的二极管。
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