CN105162105A - 一种直流电网潮流控制器拓扑 - Google Patents
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Abstract
一种直流电网潮流控制器拓扑，由第一导向开关模块(11)，第二导向开关模块(12)和全桥子模块(13)组成；第一导向开关模块(11)的第一引出端子与第二导向开关模块(12)的第一引出端子连接，作为所述直流电网潮流控制器的第一引出端子(1)；第一导向开关模块(11)的第二引出端子与全桥子模块(13)的第一引出端子(4)连接，连接点作为所述直流电网潮流控制器的第二引出端子(2)；第二导向开关模块(12)的第二引出端子与全桥子模块(13)的第二引出端子(5)连接，作为所述直流电网潮流控制器的第三引出端子(3)。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电网潮流控制器拓扑。
背景技术
随着传统能源的短缺和环境恶化问题的不断加剧，世界各国已经认识到能源的利用与开发必须从传统能源向绿色可再生能源等清洁能源过渡。近年来，风能、太阳能等新能源技术得到了快速发展，但由于其具有间歇性、不稳定性等特点，使得接纳超大规模新能源的传统技术受到越来越多的限制，必须采用新的技术、装备和电网结构来满足未来能源格局的深刻变化。而基于常规直流及柔性直流的多端直流输电***和直流电网技术是解决这一问题的有效技术手段之一。
直流电网具有3种基本拓扑结构，分别为树枝状、环状和网状，多种基本结构组合为复杂的直流电网。在含有环、网状结构的直流电网中，含有网孔和冗余，这大大提高了***的灵活性与可靠性，但是换流站之间可能存在多条输电线路，使得输电线路的数目大于换流站个数，导致线路上的潮流不能仅依靠换流站的电压、电流控制实现有效调节，即直流潮流控制自由度不够，这为整个网络的潮流控制提出了挑战。因此，需要引入额外的直流电网潮流控制设备，即直流潮流控制器，增加***控制自由度，提高***对潮流的有效控制能力。
近年来，国内外一些研究人员已就直流潮流控制问题，提出了相关潮流控制设备，其基本思想是利用半导体器件改变网络支路的参数，从而影响***潮流的约束条件，达到控制***潮流分布的目的。根据其基本工作原理，可分为电阻性和电压型两大类。通过开关的投切，改变串入支路的等效电阻，进而达到调节支路电流的作用。电阻是有功消耗型器件，串入电阻消耗的额外功率一般较大，十分不经济，实际工程应用中一般不予考虑。
有文献(MuQ，LiangJ，LiYL，etal.PowerflowcontroldevicesinDCgrids[C]//2012IEEEPowerandEnergySocietyGeneralMeeting.SanDiego，CA：IEEE，2012：1-7.VeilleuxE，OoiBT.MultiterminalHVDCwiththyristorpower-flowcontroller[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2012，27(3)：1205-1212.)提出了2种辅助电压源拓扑结构，通过换流变压器从交流***取能。这样的结构中，换流变压器阀侧需要承受直流***级的高电压偏置，给变压器的绝缘设计带来了较大难度，同时也增加了设备成本。另一方面，较多电力电子器件的引入导致***运行损耗增加，不经济。有文献(MukherjeeS，JonssonTU，SubramanianS，etal.ApparatusforcontrollingtheelectricpowertransmissioninaHVDCtransmissionsystem[P].US20130170255A1，2013.JuhlinLE.PowerflowcontrolinameshedHVDCpowertransmissionnetwork[P].US20120033462Al，2011.)提出了一种DC/DC变换器，两者运行机理相似。电路结构主要包含取能部分和换流部分，取能电路从直流***中取能，利用调制控制输出交流电压波形，经变压器变压后，再经三相六脉动晶闸管桥输出直流电压用于调节支路潮流，这种拓扑结构同样需要较多电力电子器件的引入导致***运行损耗增加。并且直流取能***中需要多个IGBT串联工作，技术难度较大。
发明内容
本发明提出一种新的直流电网潮流控制器拓扑，可使整个换流站在具备直流潮流控制能力的同时，降低成本与运行损耗。
所述的直流电网潮流控制器拓扑由第一导向开关模块，第二导向开关模块和全桥子模块组成。第一导向开关模块的第一引出端子与第二导向开关模块的第一引出端子连接，作为所述直流电网潮流控制器的第一引出端子，第一导向开关模块的第二引出端子与全桥子模块的第一引出端子连接，连接点作为所述直流电网潮流控制器的第二引出端子，第二导向开关模块的第二引出端子与全桥子模块的第二引出端子连接，作为所述直流电网潮流控制器的第三引出端子。
所述的第一导向开关模块由第一全控型半导体器件、第二全控型半导体器件及其各自的反并联二极管组成。第一全控型半导体器件的发射极与第一全控型半导体器件的发射极连接，第一全控型半导体器件的集电极作为第一导向开关模块的第一引出端子，第二全控型半导体器件的集电极作为第一导向开关模块的第二引出端子。
所述的第二导向开关模块由第三全控型半导体器件、第四全控型半导体器件及其各自的反并联二极管组成。第三全控型半导体器件的发射极与第四全控型半导体器件的发射极连接，第三全控型半导体器件的集电极作为第二导向开关模块的第一引出端子，第四全控型半导体器件的集电极作为第二导向开关模块的第二引出端子。
所述的全桥子模块由电容，以及四个全控型半导体器件及其反并联二极管组成。第五全控型半导体器件的发射极与第七全控型半导体器件的发射极连接并与电容的负极连接，第六全控型半导体器件的集电极与第八全控型半导体器件的集电极连接并与电容的正极连接；第五全控型半导体器件的集电极与第六全控型半导体器件的发射极连接，连接点作为全桥子模块的第一引出端子，第七全控型半导体器件的集电极与第八全控型半导体器件的发射极连接，连接点作为全桥子模块的第二引出端子。
所述的全桥子模块可以由多个全桥子模块级联代替。
所述的导向开关还有另一种组成形式：由四个二极管和一个全控型器件组成，第一二极管的阴极和第二二极管的阴极连接，并与全控型器件的集电极连接；第三二极管的阳极和第四二极管的阳极连接，并与全控型器件的发射极连接；第一二极管的阳极与第三二极管的阴极连接，作为导向开关的第一引出端子；第二二极管的阳极与第四二极管的阴极连接作为导向开关的第二引出端子。
潮流控制器的三个引出端子分别接三条线路。当流入潮流控制器第一引出端子的电流一定时，通过对导向开关与四个全桥子模块的全控型半导体器件的控制，可以在潮流控制器第一引出端子与第二引出端子直接正向或者反向接入电容，或者在潮流控制器第一引出端子与第三引出端子之间正向或反向接入电容。通过对电容的充放电，将潮流控制器第二引出端子连接线路上的功率与潮流控制器第三引出端子连接线路上的功率交换，从而控制线路潮流。
本发明的优点：
a.所使用的半导体器件数量少，耐压需求低；
b.整个装置无源器件需求少，体积小，重量轻；
c.采用已成熟的全桥子模块技术，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明的实施例1的电路原理图；
图3为所述的导向开关的另一种实现方式；
图4为所述的全桥子模块由多个全桥子模块级联结构代替的另一种实现方式。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，所述的直流电网潮流控制器拓扑由第一导向开关模块11，第二导向开关模块12和全桥子模块13组成。第一导向开关模块11的第一引出端子与第二导向开关模块12的第一引出端子连接，作为所述直流电网潮流控制器的第一引出端子1，第一导向开关模块11的第二引出端子与全桥子模块13的第一引出端子4连接，连接点作为所述直流电网潮流控制器的第二引出端子2，第二导向开关模块12的第二引出端子与全桥子模块13的第二引出端子5连接，作为所述直流电网潮流控制器的第三引出端子3；
所述的第一导向开关模块11由第一全控型半导体器件T1及其反并联二极管D1、第二全控型半导体器件T2及其反并联二极管D2组成。第一全控型半导体器件T1的发射极与第一全控型半导体器件T2的发射极连接，第一全控型半导体器件T1的集电极作为第一导向开关模块的第一引出端子，第二全控型半导体器件T2的集电极作为第一导向开关模块11的第二引出端子。
所述的第二导向开关模块12由第一全控型半导体器件T3及其反并联二极管D3、第二全控型半导体器件T4及其反并联二极管D4组成。第三全控型半导体器件T3的发射极与第四全控型半导体器件T4的发射极连接，第三全控型半导体器件T3的集电极作为第二导向开关模块12的第一引出端子，第四全控型半导体器件T4的集电极作为第二导向开关模块12的第二引出端子。
所述的全桥子模块由电容C1和四个全控型半导体器件T5、T6、T7、T8及其反并联二极管D5、D6、D7、D8组成；第五全控型半导体器件T5的发射极与第七全控型半导体器件T7的发射极连接并与电容C1的负极连接，第六全控型半导体器件T6的集电极与第八全控型半导体器件T8的集电极连接并与电容C1的正极连接，第五全控型半导体器件T5的集电极与第六全控型半导体器件T6的发射极连接，连接点作为全桥子模块13的第一引出端子4，第七全控型半导体器件的集电极与第八全控型半导体器件的发射极连接，连接点作为全桥子模块13的第二引出端子5；
当需要将电容C1正向接入到潮流控制器第一引出端子1与潮流控制器第二引出端子2时，第一导向开关模块11关断，第二导向开关模块12开通，第五全控型半导体器件T5和第八全控型半导体器件T8开通，第六全控型半导体器件T6和第七全控型半导体器件T7关断。
当需要将电容C1负向接入到潮流控制器第一引出端子1与潮流控制器第二引出端子2之间时，第一导向开关模块11关断，第二导向开关模块12开通，第五全控型半导体器件T5和第八全控型半导体器件T8关断，第六全控型半导体器件T6和第七全控型半导体器件T7开通。
当需要将电容C1正向接入到潮流控制器第一引出端子1与潮流控制器第三引出端子3之间时，第一导向开关模块11开通，第二导向开关模块12关断，第五全控型半导体器件T5和第八全控型半导体器件T8关断，第六全控型半导体器件T6和第七全控型半导体器件T7开通。
当需要将电容C1正向接入到潮流控制器第一引出端子1与潮流控制器第三引出端子3之间时，第一导向开关模块11开通，第二导向开关模块12关断，第五全控型半导体器件T5和第八全控型半导体器件T8开通，第六全控型半导体器件T6和第七全控型半导体器件T7关断。
通过上述状态之间的切换，即可通过电容C1的正向或反向接入，对潮流控制器各引出端子之间的电流进行调节，从而控制直流电网潮流。
实施例1
图2所示为所述的直流电网潮流控制器接入到三端直流环网的具体实施方式，其中潮流控制器的第一引出端子1与第一换流站21连接，潮流控制器的第二引出端子2通过直流输电线路与第二换流站22连接，潮流控制器的第三引出端子3通过直流输电线路与第三换流站23连接。
实施例2
图3所示为导向开关模块的另一种实现方式。如图3所示，导向开关模块由四个二极管24、25、26、27和一个全控型器件28组成。第一二极管24的阴极和第二二极管26的阴极连接，并与全控型器件28的集电极连接；第三二极管25的阳极和第四二极管27的阳极连接，并与全控型器件28的发射极连接；第一二极管24的阳极与第三二极管25的阴极连接，作为导向开关的第一引出端子；第二二极管26的阳极与第四二极管27的阴极连接作为导向开关的第二引出端子。
实施例3
图4所示为所述的潮流控制器另一种实现方式。如图4所示，全桥子模块由全桥子模块级联结构33代替。所述的全桥子模块级联结构33由第一全桥子模块31和第二全桥子模块32级联组成。第二全桥子模块32的第一引出端子34和第一全桥子模块31的第二引出端子45连接，第一导向开关模块11的第二引出端子与第一全桥子模块31的第一引出端子44连接，连接点作为所述直流电网潮流控制器的第二引出端子2，第二导向开关模块12的第二引出端子与第二全桥子模块32的第二引出端子35连接，连接点作为所述直流电网潮流控制器的第三引出端子3。第一开关S1通过第一全桥子模块31的第一引出端子44和第一全桥子模块31的第二引出端子45与第一全桥子模块并联，第二开关S2通过第二全桥子模块32的第一引出端子引出端子34和第二全桥子模块32的第二引出端子35与第一全桥子模块并联。通过第一开关S1、第二开关S2分别控制第一全桥子模块31和第二全桥子模块32的导通和旁路。
Claims (6)
1.一种直流电网潮流控制器拓扑，其特征在于：所述的直流电网潮流控制器拓扑由第一导向开关模块(11)，第二导向开关模块(12)和全桥子模块(13)组成；第一导向开关模块(11)的第一引出端子与第二导向开关模块(12)的第一引出端子连接，作为所述直流电网潮流控制器的第一引出端子(1)；第一导向开关模块(11)的第二引出端子与全桥子模块(13)的第一引出端子(4)连接，连接点作为所述直流电网潮流控制器的第二引出端子(2)；第二导向开关模块(12)的第二引出端子与全桥子模块(13)的第二引出端子(5)连接，作为所述直流电网潮流控制器的第三引出端子(3)。
2.按照权利要求1所述的直流电网潮流控制器拓扑，其特征在于：所述的第一导向开关模块(11)由第一全控型半导体器件(T1)及其反并联二极管(D1)、第二全控型半导体器件(T2)及其反并联二极管(D2)组成；第一全控型半导体器件(T1)的发射极与第一全控型半导体器件(T2)的发射极连接，第一全控型半导体器件(T1)的集电极作为第一导向开关模块的第一引出端子，第二全控型半导体器件(T2)的集电极作为第一导向开关模块(11)的第二引出端子。
3.按照权利要求1所述的直流电网潮流控制器拓扑，其特征在于：所述的第二导向开关模块(12)由第一全控型半导体器件(T3)及其反并联二极管(D3)、第二全控型半导体器件(T4)及其反并联二极管(D4)组成；第三全控型半导体器件(T3)的发射极与第四全控型半导体器件(T4)的发射极连接，第三全控型半导体器件(T3)的集电极作为第二导向开关模块(12)的第一引出端子，第四全控型半导体器件(T4)的集电极作为第二导向开关模块(12)的第二引出端子。
4.按照权利要求1所述的直流电网潮流控制器拓扑，其特征在于：所述的全桥子模块由电容(C1)和四个全控型半导体器件(T5、T6、T7、T8)及其反并联二极管(D5、D6、D7、D8)组成；第五全控型半导体器件(T5)的发射极与第七全控型半导体器件(T7)的发射极连接，并与电容(C1)的负极连接；第六全控型半导体器件(T6)的集电极与第八全控型半导体器件(T8)的集电极连接，并与电容(C1)的正极连接；第五全控型半导体器件(T5)的集电极与第六全控型半导体器件(T6)的发射极连接，连接点作为全桥子模块(13)的第一引出端子(4)，第七全控型半导体器件的集电极与第八全控型半导体器件的发射极连接，连接点作为全桥子模块(13)的第二引出端子(5)。
5.按照权利要求1所述的直流电网潮流控制器拓扑，其特征在于：所述的全桥子模块由多个全桥子模块级联结构(33)代替；所述的全桥子模块级联结构(33)由第一全桥子模块(31)和第二全桥子模块(32)级联组成；第二全桥子模块(32)的第一引出端子(34)和第一全桥子模块(31)的第二引出端子(45)连接，第一导向开关模块(11)的第二引出端子与第一全桥子模块(31)的第一引出端子(44)连接，连接点作为所述直流电网潮流控制器的第二引出端子(2)；第二导向开关模块(12)的第二引出端子与第二全桥子模块(32)的第二引出端子(35)连接，连接点作为所述直流电网潮流控制器的第三引出端子(3)；第一开关(S1)通过第一全桥子模块(31)的第一引出端子(44)和第一全桥子模块(31)的第二引出端子(45)与第一全桥子模块并联，第二开关(S2)通过第二全桥子模块(32)的第一引出引出端子(34)和第二全桥子模块(32)的第二引出端子(35)与第一全桥子模块并联；通过第一开关(S1)和第二开关(S2)分别控制第一全桥子模块(31)和第二全桥子模块(32)的导通和旁路。
6.按照权利要求1所述的直流电网潮流控制器拓扑，其特征在于：所述的导向开关模块由四个二极管(24、25、26、27)和一个全控型器件(28)组成；，第一二极管(24)的阴极和第二二极管(26)的阴极连接并与全控型器件(28)的集电极连接；第三二极管(25)和第四二极管(27)的阳极连接并与全控型器件(28)的发射极连接；第一二极管(24)的阳极与第三二极管(26)的阴极连接，作为导向开关的第一引出端子；第二二极管(25)的阳极与第四二极管(27)的阴极连接，作为导向开关的第二引出端子。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |