CN204928185U - 一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器 - Google Patents

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江道灼
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Abstract

本实用新型公开了一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器。并联变压器的一端连接高压输电线路的一端，并联变压器的另一端通过线路与基于模块化多电平换流器的并联整流侧相连，基于模块化多电平换流器的并联整流侧与基于模块化多电平换流器的串联逆变侧之间通过直流母线连接，基于模块化多电平换流器的串联逆变侧、三相桥式固态限流器分别通过线路与串联变压器相连。本实用新型具有可扩展性强，输出波形良好，冗余容错能力强等优势，可扩展的电平数通过合适的调制方式可以大幅提高输出电压的波形质量，提高了***的可靠性和稳定性，同时***具有短路限流的功能。

Description

一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器
技术领域
本实用新型涉及电力电子和直流输电领域，尤其涉及一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器。
技术背景
随着柔***流输电***的发展，大量的柔性装置被广泛应用于电力***，统一潮流控制器（UPFC）是第三代FACTS装置的代表，其功能强大，可为电网提供先进的控制手段，得到了广泛关注。
而目前国内外有关UPFC的研究主要集中在工程应用，控制策略方面，其广泛基于IGBT的两电平拓扑、三电平拓扑。而两电平和三电平拓扑结构谐波含量大，***侧需要加装滤波装置，成本高，占地面积大。同时UPFC主要功能是进行潮流调节，但是随着电网规模的发展，线路短路故障时有发生，如果***发生短路故障，只能通过关闭***的方式来防止短路冲击电流对装置和***的破坏。
而模块化多电平换流器（MMC）采用模块化设计，组装方便，谐波含量低，同时将三相桥式固态限流器（FCL）巧妙的引入UPFC***中，结合FCL的短路限流功能，石油、煤炭、天然气等不可再生能源的供应紧缺，以及使用不可再生能源带来的环境污染日益严重，世界各国对风能、太阳能等可再生清洁能源的开发和利用也越来越重视。可再生能源发电所占的比重也迅速提高。
发明内容
本实用新型的目的旨在针对现有统一潮流控制器的不足，提供一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器。
一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器包括：并联变压器、高压输电线路、基于模块化多电平换流器的并联整流侧、基于模块化多电平换流器的串联逆变侧、串联变压器、三相桥式固态限流器；并联变压器的一端连接高压输电线路的一端，并联变压器的另一端通过线路与基于模块化多电平换流器的并联侧相连，基于模块化多电平换流器的并联整流侧与基于模块化多电平换流器的串联逆变侧之间通过直流母线连接，基于模块化多电平换流器的串联逆变侧、三相桥式固态限流器分别通过线路与串联变压器相连。
所述的基于模块化多电平换流器的并联整流侧的子模块由半H桥构成，子模块的主要结构由绝缘栅双极型晶体管构成，用于将三相交流电整流为直流电，并且稳定直流侧的母线电压。
所述的基于模块化多电平换流器的串联逆变侧的子模块由半H桥构成，子模块的主要结构由绝缘栅双极型晶体管构成，用于将直流电逆变为三相交流电，并且向***输出经过调节后的电压。
所述的模块化多电平换流器中的子模块数量为N，N可以为任何有实际意义的正整数。
本实用新型的有益效果是，由于模块化多电平换流器（MMC）的加入，使得UPFC的串并联侧均具有了模块化设计的特点，因此经过***调节后的电压电流波形谐波含量很低。同时由于三相桥式固态限流器的加入，所以使UPFC具有了短路故障电流的限制能力，有效保护了UPFC模块不受短路电流的冲击而损坏，有效解决了UPFC在***推广应用中所面临的短路电流问题，降低了***的短路电流水平，为***安全稳定运行提供了可靠保证。
附图说明
图1是基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器的电路拓扑结构图；
图2是模块化多电平换流器的电路拓扑结构图；
图3是三相桥式固态限流器电路拓扑结构图；
图4是稳态工作时模块化多电平换流器串联侧出口A相相电压参考波形图；
图5a是暂态工作时输入***有功功率P和无功功率Q的设置情况；
图5b是暂态工作时模块化多电平换流器串联侧A相上、下桥臂电流响应参考波形图；
图6是短路故障时统一潮流控制器的三相电压响应参考波形图；
图7是短路故障时三相固态桥式限流器模块电感上的电流响应。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器包括：并联变压器1、高压输电线路2、基于模块化多电平换流器的并联整流侧3、基于模块化多电平换流器的串联逆变侧4、串联变压器5、三相桥式固态限流器6；并联变压器1的一端连接高压输电线路2的一端，并联变压器1的另一端通过线路与基于模块化多电平换流器的并联侧3相连，基于模块化多电平换流器的并联整流侧3与基于模块化多电平换流器的串联逆变侧4之间通过直流母线连接，基于模块化多电平换流器的串联逆变侧4、三相桥式固态限流器6分别通过线路与串联变压器5相连。
所述的基于模块化多电平换流器的并联整流侧3的子模块由半H桥构成，子模块的主要结构由绝缘栅双极型晶体管构成，用于将三相交流电整流为直流电，并且稳定直流侧的母线电压。
所述的基于模块化多电平换流器的串联逆变侧4的子模块由半H桥构成，子模块的主要结构由绝缘栅双极型晶体管构成，用于将直流电逆变为三相交流电，并且向***输出经过调节后的电压。
如图2所示，所述的模块化多电平换流器包括2个IGBT、2个二极管和一个电容，2个二极管分别反并联在2个IGBT的集电极和发射极之间，上IGBT的发射极和下IGBT的集电极相连，上IGBT的集电极和电容的正极相连，下IGBT的发射极和电容的负极相连，上IGBT的发射极和下IGBT的集电极作为两个端口和外部相连。所述的模块化多电平换流器中的子模块数量为N，N可以为任何有实际意义的正整数。
所述的串联变压器串联接在所述的高压输电线路中。
如图3所示，所述的三相桥式固态限流器由8个晶闸管T1~T8组成，其中T1，T3，T5构成三相A，B，C的上桥臂，且其负极相连接，T2，T4，T6构成三相A，B，C的下桥臂且其正极相连接，T7串接T8作为续流二极管，限流电感Ld并联在T7、T8两端，且T7的负极、Ld的正极和T1，T3，T5的负极相连，T8的正极、Ld的负极和T2，T4，T6的正极相连。所述三相桥式固态限流器的输出端和串联变压器相连。
基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器的控制方法是：三相交流电通过与高压输电线路2相连的并联变压器1传输至***，通过所述的基于模块化多电平换流器的并联整流侧3的整流，将三相交流电整流为直流电，所述的基于模块化多电平换流器的并联整流侧3采用电压-电流双环PI控制，同时采用最近电平逼近的调制方法，直流电通过所述的基于模块化多电平换流器的串联逆变侧4逆变为三相交流电，所述的基于模块化多电平换流器的串联逆变侧4采用功率外环和电流内环的PI控制方法，三相交流电通过串联变压器5被送回高压输电线路2，从而完成对***的电压、相角和阻抗进行综合补偿的作用。
本实用新型基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器与现有潮流控制器相比具有适用电压等级高，电流谐波小，能够在短路故障情况下快速限制短路电流的作用，该拓扑增加了电网的安全性，可靠性，能够给电力***带来较大的经济效益，拓扑结构采用最近电平逼近（NLM）的调制方法，NLM实现方法简单，开关频率低，开关损耗小，硬件电路实现简单，算法简单，非常适用于子模块个数很多的MMC。
当***运行在稳态情况时，该限流式统一潮流控制器等效为传统的潮流控制器，串联逆变侧出口的A相相电压毛刺少，波动小，如图4所示，波形质量得到了有效提升。当***运行在暂态情况时，为了验证所提拓扑的暂态性能，设置***输入有功功率P，无功功率Q发生变化，如图5所示，图5a显示了P，Q的动态跟踪效果，图5b则是***A相上、下桥臂的电流响应情况，可以看出当P，Q发生变化之后，***的桥臂电流能够在短时间内迅速响应并达到新的稳定状态。同时在正常运行情况下，限流器模块中的所有晶闸管T1~T8的常触发导通，装置启动时，***首先通过三相桥式整流电路对直流限流电感Ld充电使其电流达到***交流电流的峰值，随即进入稳态工作。同一相桥臂的上下两个晶闸管交替工作180°电角度，任一时刻T1~T6中有3个处于导通状态，由于电感的电流源作用，在忽略电阻的情况下，直流电感电流在交流电流峰值水平上保持恒定，其与交流电流的差值由续流管T7和T8续流。由于续流管的导通，三相桥式整流电路的直流侧被短接，亦即限流器模块交流侧节点O处的三个端子等效为短接，限流器模块呈现零阻抗，整个限流式UPFC装置等效为常规UPFC对***的电压、相角和阻抗进行综合补偿。对UPFC模块的控制方法也与常规UPFC相同，对限流器模块的控制仅仅是给所有晶闸管常加触发脉冲即可，可见限流器模块的加入并未增加装置控制的复杂度。
当装置安装点附近（即图1）中的A处发生短路故障时，短路点电压突变为零，全部***电源电压突然施加到串联变压器上，并通过三相桥式电路整流后加到限流器模块直流侧，导致直流侧电压突然增大，迫使续流管T7和T8因承受反向电压而关断，直流限流电感Ld立即自动串入串联变压器副边回路进而耦合到原边线路以限制短路电流及其上升率。图6显示了短路故障时限流器模块Ld的电流响应情况，与此同时，当装置控制***检测确认故障后立即采取相应动作，20ms内串联变压器副边的短路电流将自动切断，整个装置等效为开路，有效地保护了UPFC模块不受短路电流的冲击而损坏，而且有效解决了UPFC在***推广应用所面临的短路电流问题，并降低了***的短路电流水平，图7显示了在故障情况下的***三相电压响应情况，***电压能够在10ms左右即迅速变为零，有效抑制了其对***装置的破坏，为***安全稳定运行提供了可靠的保证。

Claims (4)

1.一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器，其特征在于包括：并联变压器（1）、高压输电线路（2）、基于模块化多电平换流器的并联整流侧（3）、基于模块化多电平换流器的串联逆变侧（4）、串联变压器（5）、三相桥式固态限流器（6）；并联变压器（1）的一端连接高压输电线路（2）的一端，并联变压器（1）的另一端通过线路与基于模块化多电平换流器的并联侧（3）相连，基于模块化多电平换流器的并联整流侧（3）与基于模块化多电平换流器的串联逆变侧（4）之间通过直流母线连接，基于模块化多电平换流器的串联逆变侧（4）、三相桥式固态限流器（6）分别通过线路与串联变压器（5）相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器，其特征在于所述的基于模块化多电平换流器的并联整流侧（3）的子模块由半H桥构成，子模块的主要结构由绝缘栅双极型晶体管构成，用于将三相交流电整流为直流电，并且稳定直流侧的母线电压。
3.根据权利要求1所述的一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器，其特征在于所述的基于模块化多电平换流器的串联逆变侧（4）的子模块由半H桥构成，子模块的主要结构由绝缘栅双极型晶体管构成，用于将直流电逆变为三相交流电，并且向***输出经过调节后的电压。
4.据权利要求2或3所述的一种基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器，其特征在于所述的模块化多电平换流器中的子模块数量为N，N可以为任何有实际意义的正整数。
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CN105186551A (zh) * 2015-09-14 2015-12-23 浙江大学 基于模块化多电平换流器的限流式统一潮流控制器及方法
CN105703392A (zh) * 2016-03-08 2016-06-22 全球能源互联网研究院 一种组合型统一潮流控制器

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