CN205724898U - 串联混合型静止同步串联补偿器 - Google Patents

串联混合型静止同步串联补偿器 Download PDF

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宋洁莹
陆振纲
邓占锋
赵国亮
蔡林海
尉志勇
戴朝波
于弘洋
潘冰
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Abstract

本实用新型提供了一种串联混合型静止同步串联补偿器，包括换流器、串联变压器和固定型偏移补偿装置；换流器和串联变压器顺次接入输电线路中；或者，换流器与串联变压器的一侧绕组并联，串联变压器的另一侧绕组接入输电线路中，所述的另一侧绕组两端并联有第一旁路开关；固定型偏移补偿装置与换流器串联或者与所述的另一侧绕组串联接。与现有技术相比，本实用新型提供的一种串联混合型静止同步串联补偿器，能够显著降低换流器所需容量，节约成本，同时具备限流的功能。

Description

串联混合型静止同步串联补偿器
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种串联混合型静止同步串联补偿器。
背景技术
静止同步串联补偿器是应用全控器件构成的同步电压源控制器，它主要由换流器、控制器和***接入设备组成。对于输电***，由于线路电流等级比较高，SSSC装置通常是通过串联变压器接入到***中。SSSC向线路串联注入补偿电压，直流侧采用电容器组作为电压支撑元件，除装置本身损耗外，SSSC一般与***之间不存在有功功率的交换，因此补偿电压相量与线路电流相量相差近似90°。SSSC等效为一同步交流电源，当SSSC注入的可控电压与线路电抗上的压降相位相反或相同，可起到类似串联电容或电感的作用。SSSC容性补偿时，线路有功功率随注入电压幅值的增加而增加；感性补偿时有功功率随注入电压幅值增加而减小。因此SSSC可等效为能快速控制线路功率的容性、感性双向可变阻抗，有着优良的控制性能。国外已投运的的可转换静止补偿器(Convertible Static Compensator，CSC)通过开关操作，能够实现SSSC模式运行，因此可以认为国外已有工程实例。纽约电力公司和美国电科院，西门子公司合作，于2004年6月在纽约州Marcy变电站投运了一套CSC装置(345kV，200MVA)，可实现两套容量各为100MVA的SSSC运行模式。
常规静止同步串联补偿器控制功能灵活而卓越，但其在电力***中推广使用不具备容量和价格优势。传统电容器、电抗器虽作为线路串联补偿，但灵活性和动作速度都不能满足精确调节的要求。
实用新型内容
为了满足现有技术的需要，本实用新型提供了一种串联混合型静止同步串联补偿器。
本实用新型的技术方案是：
所述静止同步串联补偿器包括换流器、串联变压器和固定型偏移补偿装置；
所述换流器和串联变压器顺次接入输电线路中；
或者，所述换流器与所述串联变压器的一侧绕组并联，所述串联变压器的另一侧绕组接入输电线路中，所述的另一侧绕组两端并联有第一旁路开关；
所述固定型偏移补偿装置与所述换流器串联或者与所述串联变压器的另一侧绕组串联接。
本实用新型进一步提供的优选技术方案为：
若所述固定型偏移补偿装置与所述换流器串联，该串联支路两端并联有第二旁路开关；
若所述固定型偏移补偿装置与所述的另一侧绕组串联，该换流器两端并联有第二旁路开关。
本实用新型进一步提供的优选技术方案为：所述第一旁路开关和第二旁路开关包括机械开关或者电力电子开关，或者并联连接的机械开关和电力电子开关。
本实用新型进一步提供的优选技术方案为：所述固定型偏移补偿装置包括容性偏移型补偿装置、感性偏移型补偿装置或者双向偏移型补偿装置；
所述容性偏移型补偿装置包括并联的电容器单元和第一开关；
所述感性偏移型补偿装置包括并联的电抗器单元和第二开关；
所述双向偏移型补偿装置包括串联的所述容性偏移型补偿装置和感性偏移型补偿装置。
本实用新型进一步提供的优选技术方案为：
所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器组成的串联电容器组或者由多个电容器组成的并联电容器组；所述并联电容器组包括自动投切开关，该自动投切开关用于投入和退出并联电容器组中的电容器，从而实现并联电容器组的容值调节；
所述电抗器单元包括一个电抗器或者由多个电抗器并联组成的并联电抗器组或者由多个电抗器串联组成的串联电抗器组；所述串联电抗器组的电抗器设置有抽头。
本实用新型进一步提供的优选技术方案为：
所述第一开关和第二开关均包括断路器、隔离开关和电力电子开关中任一种开关或者并联的任两种开关；
所述电力电子开关包括由反向并联的晶闸管组成的晶闸管双向开关，通过改变所述晶闸管的触发角调整所述电抗器单元的等效阻抗。
本实用新型进一步提供的优选技术方案为：所述换流器均包括两电平换流器、三电平换流器、二极管钳位型换流器、飞跨电容型换流器、模块化多电平换流器、H桥级联型多电平换流器或者电压源型换流器；
所述换流器均采用单相结构、三相结构或者三单相结构。
与最接近的现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型提供的一种串联混合型静止同步串联补偿器，能够实现容性、感性双向补偿，补偿模式可以根据***需求迅速切换；
2、本实用新型提供的一种串联混合型静止同步串联补偿器，将电抗器、电容器和全控型电力电子换流器相结合，仅需较小的换流器容量即可实现大范围的容性补偿和感性补偿；
3、本实用新型提供的一种串联混合型静止同步串联补偿器，通过开工装置的配置能够在不同运行工况下有效保护串联混合型静止同步串联补偿器；
4、本实用新型提供的一种串联混合型静止同步串联补偿器，能够显著降低换流器所需容量，节约成本，同时具备限流的功能。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
图1：本实用新型实施例中一种串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图；
图2：本实用新型实施例中另一种串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图；
图3：本实用新型实施例中感性偏移型补偿装置结构示意图；
图4：本实用新型实施例中容性偏移型补偿装置结构示意图；
图5：本实用新型实施例中双向偏移型补偿装置结构示意图；
图6：本实用新型实施例中基于双向偏移型补偿装置的串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图；
图7：本实用新型实施例中基于双向偏移型补偿装置的另一种串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图；
图8：本实用新型实施例中双向偏移型补偿装置采用晶闸管开关和机械开关的串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图；
图9：本实用新型实施例中容性补偿的等值电路图；
图10：本实用新型实施例中感性补偿的等值电路图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
下面结合附图对本实用新型提供的一种串联混合型静止同步串联补偿器进行说明。本实用新型中静止同步串联补偿器包括换流器、串联变压器和固定型偏移补偿装置。其中，
1、静止同步串联补偿器包括换流器和固定型偏移补偿装置时，换流器与固定型偏移补偿装置顺次接入输电线路中。
2、静止同步串联补偿器包括换流器、串联变压器和固定型偏移补偿装置时，换流器与串联变压器的一侧绕组并联，串联变压器的另一侧绕组接入输电线路中，所述的另一侧绕组两端并联有第一旁路开关。固定型偏移补偿装置与换流器串联或者与所述的另一侧绕组串联接。第一旁路开关包括机械开关或者电力电子开关，或者并联连接的机械开关和电力电子开关
图1为本实用新型实施例中一种串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图，如图所示，本实施例中固定型偏移补偿装置与串联变压器的另一侧绕组串联后接入电力***的输电线路中，换流器两端并联有第二旁路开关。本实施例中第二旁路开关包括机械开关或者电力电子开关，或者并联连接的机械开关和电力电子开关。
图2为本实用新型实施例中另一种串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图，如图所示，本实施例中固定型偏移补偿装置与换流器串联后与串联变压器的一侧绕组并联，该串联支路两端并联有第二旁路开关。本实施例中第二旁路开关包括机械开关或者电力电子开关，或者并联连接的机械开关和电力电子开关。
本实用新型中换流器均包括两电平换流器、三电平换流器、二极管钳位型换流器、飞跨电容型换流器、模块化多电平换流器、H桥级联型多电平换流器或者电压源型换流器；换流器均采用单相结构、三相结构或者三单相结构，应用于三相四线制***或应用于双回线、多回线时可对应调整换流器结构以配合应用需要。
本实用新型中固定型偏移补偿装置包括容性偏移型补偿装置、感性偏移型补偿装置或者双向偏移型补偿装置。其中，
图3为本实用新型实施例中感性偏移型补偿装置结构示意图，如图所示，本实施例中感性偏移型补偿装置包括并联的电抗器单元和第二开关。电抗器单元包括一个电抗器或者由多个电抗器并联组成的并联电抗器组或者由多个电抗器串联组成的串联电抗器组；串联电抗器组的电抗器设置有抽头。
第二开关均包括断路器、隔离开关和电力电子开关中任一种开关或者并联的任两种开关；电力电子开关包括由反向并联的晶闸管组成的晶闸管双向开关，通过改变晶闸管的触发角调整所述电抗器单元的等效阻抗。
本实施例中感性偏移型补偿装置用于维持静止同步串联补偿器工作在感性补偿模式，其电抗器单元提供一个反向偏移的稳态运行工作点，换流器提供动态工作范围；通过调整电抗器单元中电抗器的电容值或者串联数量，调节所述稳态运行工作点。
图4为本实用新型实施例中容性偏移型补偿装置结构示意图，如图所示，本实施例中容性偏移型补偿装置包括并联的电容器单元和第一开关。电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器组成的串联电容器组或者由多个电容器组成的并联电容器组；并联电容器组包括自动投切开关，该自动投切开关用于投入和退出并联电容器组中的电容器，从而实现并联电容器组的容值调节。
第一开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中任一种开关或者并联的任两种开关；电力电子开关包括由反向并联的晶闸管组成的晶闸管双向开关，通过改变晶闸管的触发角调整所述电抗器单元的等效阻抗。
本实施例中容性偏移型补偿装置用于维持静止同步串联补偿器工作在容性补偿模式，其电容器单元提供一个正向偏移的稳态运行工作点，换流器提供动态工作范围；通过调整电容器单元中电容器的电容值或者串联数量，调节稳态运行工作点。
图5为本实用新型实施例中双向偏移型补偿装置结构示意图，如图所示，本实施例中双向偏移型补偿装置包括串联的所述容性偏移型补偿装置和感性偏移型补偿装置。
本实施例中双向偏移型补偿装置包括容性偏移模式和感性偏移模式；
1、容性偏移模式包括：
第一开关断开，第二开闭合，则双向偏移型补偿装置工作于容性偏移模式；或者，
第二开关采用晶闸管双向开关时，通过调整其晶闸管的触发角，使得电抗器单元的等效电抗小于电容器单元的等效容抗，则双向偏移型补偿装置工作于容性偏移模式。
2、感性偏移模式包括：
第一开关闭合，第二开关断开，则双向偏移型补偿装置工作于感性偏移模式；或者，
第二开关采用晶闸管双向开关时，通过调整其晶闸管的触发角，使得电抗器单元的等效电抗大于电容器单元的等效容抗，则双向偏移型补偿装置工作于感性偏移模式。
本实用新型提供了三种基于双向偏移型补偿装置的串联混合型静止同步串联补偿器，下面分别结合图6-8进行说明。其中，
图6为本实用新型实施例中基于双向偏移型补偿装置的串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图。如图所示，本实施例中静止同步串联补偿器包括电抗器单元、电容器单元、换流器和串联变压器。其中，
①：电抗器单元串联接入输电线路中，电抗器单元包括一个电抗器或者串联的多个电抗器，每个电抗器两端并联有第一开关。
②：电容器单元串联接入输电线路中，电容器单元包括一个电容器或者串联的多个电容器，每个电容器两端并联有第二开关。
③：换流器并联在串联变压器的一侧绕组两端，串联变压器的另一侧绕组与第一旁路开关并联，可以实现保护装置或退出装置的功能。
本实施例中换流器采用H桥级联型换流器、MMC型换流器、二极管钳位型换流器和飞跨电容型换流器中任一种。
本实施例中第一开关、第二开关和第一旁路开关的结构包括两种类型：
第一种：第一开关、第二开关和第一旁路开关采用机械开关或者电力电子开关。
第二种：第一开关、第二开关和第一旁路开关均包括机械开关和电力电子开关，该机械开关和电力电子开关并联。
上述两种类型结构中电力电子开关均包括反向并联的两个电力电子器件。本实施例中电力电气器件可以采用半控型电力电子器件也可以采用全控型电力电子器件：半控型电力电子器件采用晶闸管，全控型电力电子器件采用IGBT、GTO、IGCT和SIC中任一种。
图7为本实用新型实施例中基于双向偏移型补偿装置的另一种串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图，如图所示，本实施例中静止同步串联补偿器包括电抗器单元、电容器单元、换流器和串联变压器。其中，
①：电抗器单元串联接入输电线路中，电抗器单元包括一个电抗器或者串联的多个电抗器，每个电抗器两端并联有第一开关。
②：电容器单元串联接入输电线路中，电容器单元包括一个电容器或者串联的多个电容器，每个电容器两端并联有第二开关。
③：换流器并联在串联变压器的一侧绕组两端，串联变压器的另一侧绕组与第一旁路开关并联，可以实现保护装置或退出装置的功能，同时换流器的两端并联有第三开关，第一旁路开关与第三开关，二者中任一开关装置发生拒动时，另一开关装置动作。
本实施例中换流器采用H桥级联型换流器、MMC型换流器、二极管钳位型换流器和飞跨电容型换流器中任一种。
本实施例中第一开关、第二开关、第三开关和第一旁路开关的结构包括两种类型：
第一种：第一开关、第二开关、第三开关和第一旁路开关采用机械开关或者电力电子开关。
第二种：第一开关、第二开关、第三开关和第一旁路开关均包括机械开关和电力电子开关，该机械开关和电力电子开关并联。
上述两种类型结构中电力电子开关均包括反向并联的两个电力电子器件。本实施例中电力电气器件可以采用半控型电力电子器件也可以采用全控型电力电子器件：半控型电力电子器件采用晶闸管，全控型电力电子器件采用IGBT、GTO、IGCT和SIC中任一种。
本实用新型中串联混合型静止同步串联补偿器的工作模式包括容性补偿模式和感性补偿模式，本实施例中定义输电线路的容性补偿为正向补偿，感性补偿为反向补偿；
①：容性补偿模式
当第一开关闭合，第二开关和第一旁路开关断开时，静止同步串联补偿器工作于容性补偿模式。电容器单元提供一个正向偏移的稳态运行工作点，换流器提供动态工作范围，从而使得整个补偿器的控制范围显著增大。
通过调整电容器单元中电容器的电容值或者电容器的串联数量，调节稳态运行工作点，即使得该静止同步串联补偿器具备分级调节功能。
②：感性补偿模式
当第二开关闭合，第一开关和第一旁路开关断开时，静止同步串联补偿器工作于感性补偿模式。电抗器单元提供一个反向偏移的稳态运行工作点，换流器提供动态工作范围，从而使得整个补偿器的控制范围显著增大。
通过调整电抗器单元中电抗器的电容值或者电容器的串联数量，调节稳态运行工作点，即使得该静止同步串联补偿器具备分级调节功能。
当在换流器附加储能装置后，串入电压的相位无需与线路电流正交，即超前或滞后90°，该静止同步串联补偿器的工作模式不仅限于单纯的容性补偿模式和感性补偿模式，而呈现一种偏容性或偏感性的复杂补偿特性。
图8为本实用新型实施例中双向偏移型补偿装置采用晶闸管开关和机械开关的串联混合型静止同步串联补偿器结构示意图，如图所示，本实施例中第一开关、第二开关和第一旁路开关均由机械开关和电力电子开关并联组成，其中：
第一开关包括机械开关BRK1、反向并联的晶闸管THY11和晶闸管THY12；
第二开关包括机械开关BRK2、反向并联的晶闸管THY21和晶闸管THY22；
第一旁路开关包括机械开关BRK3、反向并联的晶闸管THY31和晶闸管THY32。
本实施例中串联混合型静止同步串联补偿器的工作过程为：
1、静止同步串联补偿器未接入***
混合型静止同步串联补偿器接入***1和***2之前，机械开关BRK1、机械开关BRK2、机械开关BRK3均闭合，整个混合型静止同步串联补偿器处于旁路状态，不对***初始运行状态造成任何影响。
2、静止同步串联补偿器接入***
(1)容性补偿模式
若长距离输电线路的电抗较大时，通过串入电容可以补偿输电线路的电抗，降低传输损耗。因此将混合型静止同步串联补偿器接入***1和***2，并控制其工作于容性补偿模式：
闭合机械开关BRK1，断开机械开关BRK2和机械开关BRK3，晶闸管均闭锁，此时***等值电路如图9所示。换流器和串联变压器组成的常规静止同步补偿器可以工作在感性补偿模式下，从而预留较大的正向补偿能力，在***发生故障，需要提高暂态稳定性的场景下能够迅速最大程度降低线路等交电抗，提高暂态稳定极限，并通过该常规静止同步补偿器的动态控制对***震荡进行阻尼。
(2)容性补偿模式切换至感性补偿模式
若静止同步串联补偿器工作于容性补偿模式时，出现输电线路过电流，则控制电容器两端的晶闸管THY21和晶闸管THY22，以及串联变压器接入输电线路的一侧绕组两端的晶闸管THY31和晶闸管THY32迅速导通，同时控制机械开关BRK2和机械开关BRK3闭合，通过开关装置旁路电容器、串联变压器以保护混合型静止同步串联补偿器。断开机械开关BRK1，投入电抗器进行限流。
切换方法：迅速导通电容器两端的晶闸管THY21和晶闸管THY22，同时闭合机械开关BRK2，断开机械开关BRK1，实现容性补偿模式切换至感性补偿模式。
本实施例中，图8中未对应图7标出第三开关。若静止同步串联补偿器应用于较高电压等级，即串联变压器中换流器侧电压低于***侧电压时，原则上第三开关的动作速度可快于第一旁路开关，此时增加第三开关包括机械开关BRK4、反向并联的晶闸管THY41和晶闸管THY42，在线路过流时反向并联的晶闸管THY41和晶闸管THY42迅速导通，将换流器旁路以保护换流器。
(3)感性补偿模式
当输电线路由于短路故障或者负载增加、并行线路跳闸等原因导致过载，需要限流时，闭合机械开关BRK2，断开机械开关BRK1和机械开关BRK3，晶闸管均闭锁，此时***等值电路如图10所示。换流器和串联变压器组成的常规静止同步补偿器可以工作在容性补偿模式下，从而预留较大的反向补偿能力。
(4)感性补偿模式切换至容性补偿模式
迅速导通电抗器两端的晶闸管THY11和晶闸管THY12，同时闭合机械开关BRK1，断开机械开关BRK2，实现感性补偿模式切换至容性补偿模式。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。同时，本实用新型濒危标注用于保护电容器、串联变压器、换流器及其开关装置的避雷器、间隙等设备，不表示装置设计制造和工程实际实施时，不存在这些设备。实际工程实施时，会有许多本实施例附图中并未标注的隔离刀闸、断路器、电流测量设备、电压测量设备，不表示工程实际实施时，不存在这些设备。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (7)

1.一种串联混合型静止同步串联补偿器，其特征在于，所述静止同步串联补偿器包括换流器、串联变压器和固定型偏移补偿装置；
所述换流器和串联变压器顺次接入输电线路中；
或者，所述换流器与所述串联变压器的一侧绕组并联，所述串联变压器的另一侧绕组接入输电线路中，所述的另一侧绕组两端并联有第一旁路开关；
所述固定型偏移补偿装置与所述换流器串联或者与所述串联变压器的另一侧绕组串联接。
2.如权利要求1所述的一种串联混合型静止同步串联补偿器，其特征在于，
若所述固定型偏移补偿装置与所述换流器串联，该串联支路两端并联有第二旁路开关；
若所述固定型偏移补偿装置与所述的另一侧绕组串联，该换流器两端并联有第二旁路开关。
3.如权利要求1或2所述的一种串联混合型静止同步串联补偿器，其特征在于，所述第一旁路开关和第二旁路开关包括机械开关或者电力电子开关，或者并联连接的机械开关和电力电子开关。
4.如权利要求1所述的一种串联混合型静止同步串联补偿器，其特征在于，所述固定型偏移补偿装置包括容性偏移型补偿装置、感性偏移型补偿装置或者双向偏移型补偿装置；
所述容性偏移型补偿装置包括并联的电容器单元和第一开关；
所述感性偏移型补偿装置包括并联的电抗器单元和第二开关；
所述双向偏移型补偿装置包括串联的所述容性偏移型补偿装置和感性偏移型补偿装置。
5.如权利要求4所述的一种串联混合型静止同步串联补偿器，其特征在于，
所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器组成的串联电容器组或者由多个电容器组成的并联电容器组；所述并联电容器组包括自动投切开关，该自动投切开关用于投入和退出并联电容器组中的电容器，从而实现并联电容器组的容值调节；
所述电抗器单元包括一个电抗器或者由多个电抗器并联组成的并联电抗器组或者由多个电抗器串联组成的串联电抗器组；所述串联电抗器组的电抗器设置有抽头。
6.如权利要求4所述的一种串联混合型静止同步串联补偿器，其特征在于，
所述第一开关和第二开关均包括断路器、隔离开关和电力电子开关中任一种开关或者并联的任两种开关；
所述电力电子开关包括由反向并联的晶闸管组成的晶闸管双向开关，通过改变所述晶闸管的触发角调整所述电抗器单元的等效阻抗。
7.如权利要求1所述的一种串联混合型静止同步串联补偿器，其特征在于，所述换流器均包括两电平换流器、三电平换流器、二极管钳位型换流器、飞跨电容型换流器、模块化多电平换流器、H桥级联型多电平换流器或者电压源型换流器；
所述换流器均采用单相结构、三相结构或者三单相结构。
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