CN112928943A - 一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，属于高压直流输电通道用电力变换装置拓扑领域，包括3个桥式单相直流/交流双向变换器和3***立的单相变压器，3个桥式单相直流/交流双向变换器为全桥结构或半桥结构，3个桥式单相直流/交流双向变换器的直流侧串联连接；单相变压器的负载侧可以是三角形连接或Y形连接形成三相交流供电；交流网络为含交流供电源的有源负载网络，交流网络为无源的负载网络；直流/交流双向变换装置适用于传统LCC‑HVDC、电压源型VSC–HVDC、混合型LCC/VSC‑HVDC，以及两端和多端HVDC***；本发明解决了现有技术中串联型分接装置难以实现功率的双向流通和并联型分接装置电压等级受限的问题，提升HVDC电力分接的效率和灵活性。

Description

一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置

技术领域

本发明涉及高压直流输电通道用电力变换装置拓扑领域，更具体地说，涉及一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置。

背景技术

高压直流输电(HVDC)在远距离、大容量的输电场合具有成本低、效率高和潮流可控等优点。与高压交流输电不同的是，HVDC仍属于端对端输电，不能在中途分接电能，限制了电能分配的灵活性和固定资产的高效使用。HVDC电能分接装置作为一种小容量换流器，为解决这一问题提供了新的思路。

基于电力电子技术，专利US5187651和专利WO9515605分别提出2种直流侧串联接入LCC-HVDC单根输电线路的电能分接装置，这类分接装置采用晶闸管作为开关器件，变换器为三相桥式电路结构；专利CN106329559A则将模块化多电平变流器(MMC)串联到单根直流输电线路中，并利用三相交流变压器将电能接入至本地交流网络。以上3种串联型分接装置对元器件的耐压要求低，且不需要大量元器件级联，因此具有较低的成本和损耗，但串联接入单根直流线路需要额外增设多组断路器和刀闸，并且难以实现功率的双向流通，降低了电能分接装置使用的灵活性。专利CN101573850A提出一种并联接入直流通道的并联型分接装置，该装置采用电压源型变流器(VSC)作为基本单元，3个单相VSC的直流侧以串联的方式联结，这种结构能够降低每个单相VSC直流侧电压等级和开关器件的电压等级，而并联接入直流母线的方式使分接装置能够在下行取电、上行送电或停运三种模式中灵活切换，实现功率的双向传输，也简化了分接装置的投切流程；但传统VSC结构所使用的全控型功率半导体器件(如IGBT)的耐压水平有限，使其难以适用于更高直流电压等级的HVDC***。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，解决了现有技术中串联型分接装置难以实现功率的双向流通和并联型分接装置电压等级受限的问题，提升HVDC电力分接的效率和灵活性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，用于分接直流母线的电能至交流网络，包括：3个单相桥式直流/交流双向变换器，3台单相变压器。

作为本发明的一种优选方案，3个单相桥式直流/交流双向变换器的直流侧以串联的方式联结。

作为本发明的一种优选方案，电能分接装置的直流侧并联接入直流线路，接入方式包括但不限于：

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的正极母线和负极母线；

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的正极母线和大地；

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的正极母线和金属回线；

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的大地和负极母线；

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的金属回线和负极母线；

直流侧两端分别接入单极HVDC线路的直流母线和大地；

直流侧两端分别接入单极HVDC线路的直流母线和金属回线。

作为本发明的一种优选方案，3个单相桥式直流/交流双向变换器的交流侧分别经由单相变压器接入三相交流网络。

作为本发明的一种优选方案，接入的三相交流网络包括：三相有源负载网络或三相无源负载网络。

作为本发明的一种优选方案，3台单相变压器的负载侧绕组可根据需要以Δ型联结或以Y型联结。

作为本发明的一种优选方案，每个单相直流/交流双向变换器都包含2个桥臂，构成H型结构，且3个单相直流/交流双向变换器结构保持一致。

单相直流/交流双向变换器的桥臂由上桥臂和下桥臂构成，桥臂的类型包括但不限于：

子模块与桥臂电感串联，构成子模块桥臂；单个桥臂电容，即电容桥臂。

单相直流/交流双向变换器的H型结构包含的上、下桥臂的组合形式包括但不限于：

2组上/下桥臂均为子模块桥臂；

1组上/下桥臂为子模块桥臂，另1组上/下桥臂为电容桥臂。

H型结构与单相变压器绕组的连接点为单相直流/交流双向变换器的桥臂中点，交流变压器负载网络网侧绕组两端并联交流电容。

作为本发明的一种优选方案，子模块桥臂可根据需要使用MMC半桥子模块，或MMC全桥子模块，或灵活调整MMC半桥子模块和MMC全桥子模块的数量比例，构成的子模块桥臂的类型包括但不限于：

全部子模块为MMC半桥子模块；全部子模块为MMC全桥子模块；MMC半桥子模块与MMC全桥子模块混合。

作为本发明的一种优选方案，半桥子模块由1个桥臂电容和2个IGBT构成，其中，2个IGBT构成半桥结构，桥臂电容与半桥并联。

全桥子模块由1个桥臂电容和4个IGBT构成，其中，4个IGBT构成全桥结构，桥臂电容与全桥并联。

作为本发明的一种优选方案，单相直流/交流双向变换器的调制策略包括：

桥臂联合调制，左/右桥臂中点输出电压同频同相位，控制器只输出左桥臂调制电压，右桥臂调制电压为左桥臂调制电压m倍，通过调整调制比m来调控单相直流/交流双向变换器的交流输出电压的幅值；

桥臂独立调制，左/右桥臂中点输出电压同频但相位不同，控制器可调整相位差来调控交流输出电压的幅值和相位。

本发明的有益效果：

本发明涉及的分接装置以并联方式接入直流母线，在保留并联型分接装置的灵活性的同时，利用三相变换器串联结构以及MMC子模块串联结构进一步降低了元器件的运行电压，使分接装置能够接入800kV及以上的直流输电线路中，也降低了分接装置的建造成本。

分接装置额定功率不超过直流输电***额定功率的10％，在不影响直流母线电压的同时，解决了以往直流输电***单一落点带来的功率消纳问题，与多地区电网进行连接，增强了电网运行的可靠性和稳定性。

单相变压器网侧绕组的交流电容使分接装置在接入三相无源网络时，能够输出更加稳定的交流电压，使分接装置在无源网络中起电压支撑的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的主电路；

图2为本发明具体实施方式一示意图；

图3为电能分接装置电压调制示意图；

图4为实施方式一的最佳调制策略示意图；

图5为实施方式一的工作波形图；

图6为本发明具体实施方式二示意图；

图7为实施方式二的调制策略示意图；

图8为本发明的桥臂结构。

图中符号及标号名称：U_dc——直流电压；i_d——直流电流；n——接地点；L₁～L₄——桥臂电感；u_ab——变压器阀侧电压；U_ab——变压器阀侧电压峰值；C——交流电容；T——单相工频变压器；u_an——A相右桥臂调制电压；u_bn——A相左桥臂调制电压；C₁～C₂——桥臂电容；SM_1-1～SM_4-n——MMC子模块；C_sm——子模块电容；V_al——A相左桥臂的上桥臂电压；V_ar——A相右桥臂的上桥臂电压；V_a1、V_b1、V_c1——A、B、C相变压器阀侧电压；I_sa、I_sb、I_sc——A、B、C相并网电流；P——传输至交流电网的有功功率；Q——传输至交流电网的无功功率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：在图1中展示出了一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置的主电路，包括：3个桥式单相直流/交流双向变换器(4，5，6)，3个单相变压器(7，8，9)。3个桥式单相直流/交流双向变换器以串联形式相互连接，并联接入直流母线(1，2)；基本换流单元的交流输出端与单相变压器的输入端一一对应连接；所述单相变压器的输出端与交流网络(3)的A、B、C三相端口连接。

在具体实施方式一中，一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置以图2所示的形式与外电路连接，左/右桥臂均由子模块桥臂构成(4-1，4-2，4-3，4-4)。其中，3个桥式单相直流/交流双向变换器的直流侧相互串联后并入直流输电***的直流母线1和直流母线2之间，两条直流母线之间的压降为直流电压U_dc。任意时刻每个桥臂都有n个子模块投入，n个子模块被切出，即任意时刻，3个桥式单相直流/交流双向变换器的左桥臂都有n个子模块与2个桥臂电感(4-5，4-6)与直流电压U_dc形成电压回路，同理，3个桥式单相直流/交流双向变换器的右桥臂都有n个子模块与2个桥臂电感(4-7，4-8)与直流电压U_dc形成电压回路；此外，每个桥臂的控制器均设有子模块电压平衡控制策略，因此，不考虑子模块电压纹波的情况下，3个桥式单相直流/交流双向变换器的直流侧电压U_dcA＝U_dcB＝U_dcC＝U_dc/3。

3个桥式单相直流/交流双向变换器的交流输出端分别通过1台单相变压器与三相电源(u_sa，u_sb，u_sc)连接，变压器网侧绕组并联交流电容(4-9)，网侧绕组采用三角形接线或星形中性点不接地连接，本实施方式中采用星形中性点不接地连接。控制器实时采集电网电流(i_a，i_b，i_c)，调整桥臂参考电压，改变上/下桥臂子模块投入个数，以调整桥式单相直流/交流双向变换器输出交流电压的大小，使电网电流稳定在整定值附近，以此实现对本地交流电网的稳定功率输入。

在一种可选的方案中，单相直流/交流双向变换器采用图3所示的调制策略。以A相为例，A相直流/交流双向变换器的电压控制器只需输出左桥臂的调制电压u_an，令右桥臂的调制电压u_bn为左桥臂调制电压u_an的m倍，即u_an＝mu_bn，通过控制u_an的dq分量和调制比m的大小，改变变换器的输出交流电压u_ab。这种桥臂联合调制能够减少分接装置控制***的运算量，简化控制流程，降低对处理器的要求，但控制灵活性会受到限制。亦可分别控制左/右桥臂的调制电压u_an和u_bn的dq分量，例如，令u_anq＝0，调整u_bnq以控制变换器输出交流电压的q轴分量u_abq；令u_bnd＝mu_and，调整u_and和m以控制变换器输出交流电压d轴分量u_abd，这种桥臂独立调制比桥臂联合调制具有更高的灵活性。

在一种可选的方案中，单相直流/交流双向变换器的最佳调制策略如图4所示。其中，左桥臂的调制电压u_an与右桥臂的调制电压u_bn幅值相同、相位相差180°，此时，变换器输出交流电压u_ab的幅值为左/右桥臂中点电位的2倍，实现直流电压的高利用率。

在具体实施方式一中，直流电压U_dc＝63kV，三相交流电网线电压有效值U_s＝35kV，桥式单相直流/交流双向变换器采用MMC半桥子模块构成桥臂，桥臂子模块数n＝10，子模块电容C_sm＝18mF，子模块电容额定电压U_cn＝2.1kV，桥臂电感L＝3mH，桥臂电阻R＝10mΩ，单相变压器额定容量S_T＝102MVA，单相变压器阀侧/网侧绕组额定电压分别为14.84kV/38.5kV，变压器阀侧/网侧绕组联结组别为Yd11，采用上述最佳调制策略。工作波形图如图5所示，其中，V_al和V_ar分别为A相左桥臂的上桥臂电压和A相右桥臂的上桥臂电压，V_a1、V_b1、V_c1分别是A、B、C相变压器阀侧电压，I_sa、I_sb、I_sc为三相并网电流，P和Q分别是传输至交流电网的有功功率和无功功率。由于Q＝0，三相并网电流I_sa、I_sb、I_sc与电网电压同相位，由于变压器联结组为Yd11，网侧电压相位超前阀侧电压V_a1、V_b1、V_c1相位30°，因此三相并网电流相位超前阀侧电压相位30°。

具体实施方式二：参照图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置作进一步说明，本实施方式中，3个桥式单相直流/交流双向变换器的右桥臂均为电容桥臂(4-10，4-11)，相比于实施方式一，实施方式二省去一半的子模块，可节省成本。在具体实施方式二下，桥式单相直流/交流双向变换器的电压调制策略如图7所示，由于右桥臂为两个串联的电容，右桥臂中点电位u_bn接近0v，因此只需按照传统dq解耦控制方法对u_an进行控制，即可控制变换器输出交流电压u_ab。

本发明公开了一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，属于高压直流输电通道用电力变换装置拓扑领域，包括3个桥式单相直流/交流双向变换器和3***立的单相变压器，3个桥式单相直流/交流双向变换器为全桥结构或半桥结构，3个桥式单相直流/交流双向变换器的直流侧串联连接、交流侧分别接3***立的单相变压器(7、8、9)；单相变压器的负载侧可以是三角形连接或Y形连接形成三相交流供电；交流网络(3)为含交流供电源的有源负载网络，交流网络(3)为无源的负载网络；直流/交流双向变换装置适用于传统LCC-HVDC、电压源型VSC–HVDC、混合型LCC/VSC-HVDC，以及两端和多端HVDC***；本发明解决了现有技术中串联型分接装置难以实现功率的双向流通和并联型分接装置电压等级受限的问题，提升HVDC电力分接的效率和灵活性。本发明涉及的分接装置以并联方式接入直流母线，在保留并联型分接装置的灵活性的同时，利用三相变换器串联结构以及MMC子模块串联结构进一步降低了元器件的运行电压，使分接装置能够接入800kV及以上的直流输电线路中，也降低了分接装置的建造成本。分接装置额定功率不超过直流输电***额定功率的10％，在不影响直流母线电压的同时，解决了以往直流输电***单一落点带来的功率消纳问题，与多地区电网进行连接，增强了电网运行的可靠性和稳定性。单相变压器网侧绕组的交流电容使分接装置在接入三相无源网络时，能够输出更加稳定的交流电压，使分接装置在无源网络中起电压支撑的作用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，用于分接直流母线(1，2)的电能至交流网络(3)，其特征在于，包括：3个单相桥式直流/交流双向变换器(4，5，6)，3台单相变压器(7，8，9)。

2.根据权利要求1所述的一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，其特征在于，3个单相桥式直流/交流双向变换器(4，5，6)的直流侧以串联的方式联结。

3.根据权利要求1所述的一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，其特征在于，电能分接装置的直流侧并联接入直流线路(1，2)，接入方式包括但不限于：

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的正极母线和负极母线；

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的正极母线和大地；

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的正极母线和金属回线；

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的大地和负极母线；

直流侧两端分别接入双极HVDC线路的金属回线和负极母线；

直流侧两端分别接入单极HVDC线路的直流母线和大地；

直流侧两端分别接入单极HVDC线路的直流母线和金属回线。

4.根据权利要求1所述的一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，其特征在于，3个单相桥式直流/交流双向变换器(4，5，6)的交流侧分别经由单相变压器(7，8，9)接入三相交流网络(3)。

5.根据权利要求1所述的一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，其特征在于，接入的三相交流网络(3)包括：三相有源负载网络或三相无源负载网络。

6.根据权利要求1所述的一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，其特征在于，3台单相变压器(7，8，9)的负载侧绕组可根据需要以Δ型联结或以Y型联结。

7.根据权利要求1所述的一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，其特征在于，每个单相直流/交流双向变换器(4，5，6)都包含2个桥臂，构成H型结构，且3个单相直流/交流双向变换器结构保持一致；

单相直流/交流双向变换器(4，5，6)的桥臂由上桥臂和下桥臂构成，桥臂的类型包括但不限于：

子模块(4-1，4-2，4-3，4-4)与桥臂电感(4-5，4-6，4-7，4-8)串联，构成子模块桥臂；单个桥臂电容(4-10，4-11)，即电容桥臂；

单相直流/交流双向变换器的H型结构包含的上、下桥臂的组合形式包括但不限于：

2组上/下桥臂均为子模块桥臂，

1组上/下桥臂为子模块桥臂，另1组上/下桥臂为电容桥臂；

H型结构与单相变压器绕组的连接点为单相直流/交流双向变换器的桥臂中点，交流变压器负载网络网侧绕组两端并联交流电容(4-9)。

8.根据权利要求7所述的一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，其特征在于，子模块桥臂可根据需要使用MMC半桥子模块(4-1-3)，或MMC全桥子模块(4-1-4)，或灵活调整MMC半桥子模块(4-1-3)和MMC全桥子模块(4-1-4)的数量比例，构成的子模块桥臂的类型包括但不限于：

全部子模块为MMC半桥子模块(4-1-3)；全部子模块为MMC全桥子模块(4-1-4)；MMC半桥子模块(4-1-3)与MMC全桥子模块(4-1-4)混合。

9.根据权利要求8所述的一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，其特征在于，半桥子模块(4-1-3)由1个桥臂电容(4-1-1)和2个IGBT(4-1-2)构成，其中，2个IGBT(4-1-2)构成半桥结构，桥臂电容(4-1-1)与半桥并联；

全桥子模块(4-1-4)由1个桥臂电容(4-1-1)和4个IGBT(4-1-2)构成，其中，4个IGBT(4-1-2)构成全桥结构，桥臂电容(4-1-1)与全桥并联。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种直流侧串联交流侧并联型电能分接装置，其特征在于，单相直流/交流双向变换器的调制策略包括：

桥臂联合调制，左/右桥臂中点输出电压同频同相位，控制器只输出左桥臂调制电压，右桥臂调制电压为左桥臂调制电压m倍，通过调整调制比m来调控单相直流/交流双向变换器的交流输出电压的幅值；

桥臂独立调制，左/右桥臂中点输出电压同频但相位不同，控制器可调整相位差来调控交流输出电压的幅值和相位。

Images