專利名稱：一種基于三電平電壓源換流器的hvdc兼upfc系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種基于三電平電壓源換流器的HVDC兼 UPFC系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在分布式發(fā)電、可再生能源、智能電網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展的新形勢(shì)下，柔性直流輸電技術(shù)為彌補(bǔ)傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)的不足提供了新的途徑。傳統(tǒng)的采用半控器件晶閘管的高壓直流輸電，交流側(cè)需要無功補(bǔ)償裝置，逆變側(cè)需要非常強(qiáng)大的電源進(jìn)行有源逆變，否則會(huì)產(chǎn)生換相失敗。柔性直流輸電采用基于可關(guān)斷器件的電壓源換流器，具有關(guān)斷電流的能力， 應(yīng)用PWM技術(shù)進(jìn)行無源逆變，對(duì)受端系統(tǒng)容量沒有要求，解決了傳統(tǒng)直流輸電向無源負(fù)荷點(diǎn)送電的難題；能夠獨(dú)立控制有功、無功等，具有良好的控制靈活性；潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，方便構(gòu)成直流多端系統(tǒng)。
柔性直流輸電裝置采用基于可關(guān)斷器件的電壓源換流器，具有關(guān)斷電流的能力， 應(yīng)用PWM技術(shù)進(jìn)行無源逆變，對(duì)受端系統(tǒng)容量沒有要求，解決了傳統(tǒng)直流輸電向無源負(fù)荷點(diǎn)送電的難題；能夠獨(dú)立控制有功、無功等，具有良好的控制靈活性。其主電路拓?fù)洳捎脙蓚€(gè)電壓源換流器(VSC)直流側(cè)并聯(lián)的方式，其中一臺(tái)換流器交流側(cè)直接或通過變壓器與系統(tǒng)并聯(lián)，直流側(cè)連接輸電線，到達(dá)輸電目的地后，另一臺(tái)換流器交流側(cè)直接或通過變壓器與目的地的系統(tǒng)并聯(lián)。
統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)是迄今為止通用性最好的FACTS裝置，僅通過控制規(guī)律的改變，就能分別或同時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償和移相等幾種不同的功能。UPFC裝置可以看作是一臺(tái)靜止同步補(bǔ)償器(STATC0M)裝置與一臺(tái)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)裝置在直流側(cè)并聯(lián)構(gòu)成，它可以同時(shí)并快速、獨(dú)立控制輸電線路中的有功功率和無功功率，從而使得 UPFC擁有STATCOM、SSSC裝置都不具備的四象限運(yùn)行功能。
UPFC裝置主電路拓?fù)洳捎脙蓚€(gè)電壓源換流器(VSC)直流側(cè)并聯(lián)的方式，其中一臺(tái)換流器交流側(cè)直接或通過變壓器與系統(tǒng)并聯(lián)，另一臺(tái)換流器交流側(cè)通過變壓器與系統(tǒng)串聯(lián)。由于采用了可關(guān)斷器件控制，使得并聯(lián)換流器和串連換流器的輸出電壓可單獨(dú)控制。每一個(gè)換流器在交流輸出端，都能獨(dú)立吸收或供給無功功率及有功功率。
柔性直流輸電和UPFC使用的電壓源換流器通常采用二電平和三電平兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不足之處在于，當(dāng)其應(yīng)用于高壓場(chǎng)合時(shí)，需要用高反壓的功率開關(guān)管或?qū)⒍鄠€(gè)功率開關(guān)管串聯(lián)使用。此外，由于VSC交流側(cè)輸出電壓總在二電平上切換，當(dāng)開關(guān)頻率不高時(shí)，將導(dǎo)致諧波含量相對(duì)較大。三電平VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中以多個(gè)功率開關(guān)串聯(lián)使用， 并采用二極管鉗位以獲得交流輸出電壓的三電平調(diào)制。三電平VSC在提高耐壓等級(jí)的同時(shí)有效地降低了交流諧波電壓、電流，從而改善了其網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。
通常的實(shí)際工程中，柔性直流輸電裝置和UPFC往往是獨(dú)立建設(shè)與運(yùn)行的，這造成了重復(fù)投資建設(shè)、成本高、設(shè)備利用率低、管理與控制不集中等問題。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC 系統(tǒng)，利用電壓源換流器直流電壓極性不變，方便構(gòu)成直流多端系統(tǒng)的特點(diǎn)，柔性直流輸電 HVDC和統(tǒng)一潮流控制器UPFC共用一個(gè)換流裝置，節(jié)省了工程建設(shè)成本與投資，提高了設(shè)備利用率，便于集中管理與控制，并且可改善其網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。
本發(fā)明提供的一種基于三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC系統(tǒng)，包括換流裝置I、換流裝置2、換流裝置11、接地電路3、接地電路12、開關(guān)4和直流輸電線13 ;所述換流裝置I包括變壓器7和換流器6 ;其改進(jìn)之處在于，
所述變壓器7原邊并聯(lián)接入電網(wǎng)且接地，所述變壓器7副邊與所述換流器6串聯(lián)； 所述換流器6兩端并聯(lián)接地電路3后，分成至少兩條支路，支路一為接地電路3兩端連接所述換流裝置2后與所述電網(wǎng)連接，構(gòu)成一組統(tǒng)一潮流控制器UPFC ;支路二為接地電路3兩端通過所述直流輸電線13與所述換流裝置11連接后與電網(wǎng)連接，構(gòu)成一組柔性直流輸電 HVDC ;所述直流輸電線13與所述換流裝置11之間并聯(lián)接地電容12 ;所述開關(guān)4與所述換流裝置⑵并聯(lián)。
其中，所述換流裝置I包括啟動(dòng)電路5 ;所述啟動(dòng)電路5串聯(lián)在所述變壓器7副邊和所述換流器6之間。
其中，所述換流裝置11包括換流器15 ;所述換流器15串聯(lián)在電網(wǎng)和所述接地電路12之間。優(yōu)選的，所述換流裝置11還可以包括啟動(dòng)電路14，串聯(lián)在所述電網(wǎng)和所述換流器15之間。優(yōu)選的，所述換流裝置11還可以包括變壓器16，設(shè)置在所述啟動(dòng)電路14和所述電網(wǎng)之間，用于系統(tǒng)電壓與換流器15電壓的匹配；所述變壓器16原邊與所述電網(wǎng)并聯(lián)且接地，其副邊與所述啟動(dòng)電路14連接。
其中，所述換流裝置2包括變壓器10和換流器9 ;所述變壓器10原邊串聯(lián)串聯(lián)在所述電網(wǎng)和負(fù)載之間，所述變壓器10副邊與所述換流器6串聯(lián)。優(yōu)選的，所述換流裝置2 還可以包括啟動(dòng)電路8，所述啟動(dòng)電路8串聯(lián)在所述變壓器10和所述換流器9之間。
其中，所述接地電路3和12均為接地電容，用于防止電位懸浮，固定系統(tǒng)電位；所述接地電容的中性點(diǎn)接地。優(yōu)選的，所述接地電路3和12還可以均為接地電阻，用于防止電位懸浮，固定系統(tǒng)電位；所述接地電阻的中性點(diǎn)接地。
其中，所述換流器6、9和15均包括三相換流裝置、濾波電感、鉗位二極管、支撐電容；每相換流裝置由上橋臂和下橋臂串聯(lián)而成；所述每相換流裝置中點(diǎn)處經(jīng)過交流濾波電感與啟動(dòng)電路串聯(lián)；所述三相換流裝置并聯(lián)，形成正負(fù)母線；
所述鉗位二極管包括上橋臂鉗位二極管和下橋臂鉗位二極管；所述每相換流裝置中，所述上橋臂中點(diǎn)與上橋臂鉗位二極管陰極連接，下橋臂中點(diǎn)與下橋臂鉗位二極管陽極連接，上橋臂鉗位二極管陽極與下橋臂鉗位二極管陰極串聯(lián)；
兩個(gè)所述支撐電容串聯(lián)后，并聯(lián)在正負(fù)母線之間，串聯(lián)的兩個(gè)電容的中點(diǎn)與每相串聯(lián)的鉗位二極管的中點(diǎn)相連。優(yōu)選的，所述上橋臂和所述下橋臂均包括至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)的 IGBT模塊；所述IGBT模塊包括反并聯(lián)的IGBT和二極管。
其中，所述換流器(6、9、15)均采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
其中，所述啟動(dòng)電路(5、8、14)均包括并聯(lián)的電阻和開關(guān)。
其中，HVDC可以采用兩端形式或多端形式；UPFC可以采用兩端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系統(tǒng)中，HVDC的正負(fù)母線(即公共直流母線)與UPFC的正負(fù)母線(即公共直流母線)相連。
與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為
本發(fā)明使用鉗位二極管，獲得交流輸出電壓的三電平調(diào)制；
本發(fā)明的三電平VSC提高了功率開關(guān)器件耐壓等級(jí)；
本發(fā)明有效地降低了交流諧波電壓、電流，從而改善了其網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)；
本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)分相控制；
本發(fā)明柔性直流輸電和UPFC共用一個(gè)換流裝置，節(jié)省了工程建設(shè)成本與投資，提高了設(shè)備利用率，便于集中管理與控制。


圖I為本發(fā)明提供的三電平電壓源換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖2為本發(fā)明提供的基于三電平電壓源換流器的柔性直流輸電HVDC兼統(tǒng)一潮流控制器UPFC拓?fù)鋱D(方案一)。
圖3為本發(fā)明提供的基于三電平電壓源換流器的柔性直流輸電HVDC兼統(tǒng)一潮流控制器UPFC拓?fù)鋱D(方案二)。
其中，(I)為換流裝置；(2)為換流裝置(3)為接地電路中的接地電容或接地電阻；⑷為旁路開關(guān)；(5)為啟動(dòng)電路；(6)為換流器；(7)為變壓器；⑶為啟動(dòng)電路；(9)為換流器；(10)為變壓器；(11)為換流裝置；(12)為接地電路；(13)為直流輸電線；(14)為啟動(dòng)電路；(15)為換流器；(16)為變壓器；(17)為濾波電感；(18)為上橋臂的兩個(gè)級(jí)聯(lián)的 IGBT模塊；(19)為下橋臂兩個(gè)級(jí)聯(lián)的IGBT模塊；(20)為鉗位二極管；(21)為鉗位二極管；(22)為支撐電容；(23)為支撐電容。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本實(shí)施例提供的一種基于三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC系統(tǒng)，其拓?fù)鋱D如圖2或圖3所示，包括換流裝置I、換流裝置2、換流裝置11、接地電路3、接地電路12、開關(guān) 4和直流輸電線13 ;其中開關(guān)4為旁路開關(guān)；
所述換流裝置I 一端與電網(wǎng)串聯(lián)，另一端與接地電路3并聯(lián)；接地電路3兩端分成至少兩條支路，支路一為接地電路3兩端連接所述換流裝置2后與所述電網(wǎng)連接，構(gòu)成一組統(tǒng)一潮流控制器UPFC ;支路二為接地電路3兩端通過所述直流輸電線13與所述換流裝置 11連接后與電網(wǎng)連接，構(gòu)成一組柔性直流輸電HVDC ;所述直流輸電線13與所述換流裝置 11之間并聯(lián)接地電容12 ;開關(guān)4與所述換流裝置2并聯(lián)。
其中，各裝置構(gòu)成如下
所述換流裝置I包括變壓器7、啟動(dòng)電路5和換流器6(換流器6為級(jí)聯(lián)半橋結(jié)構(gòu)電壓源換流器，為柔性直流輸電與統(tǒng)一潮流控制器共用)；所述變壓器7原邊并聯(lián)接入電網(wǎng)且接地，所述變壓器7副邊依次與所述啟動(dòng)電路5和所述換流器6串聯(lián)；所述換流器6兩端與接地電路3并聯(lián)；
所述換流裝置11包括啟動(dòng)電路14和換流器15 ;所述啟動(dòng)電路14 一端與電網(wǎng)串聯(lián)，另一端和所述換流器15串聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓與換流器15電壓的匹配，在啟動(dòng)電路 14和所述電網(wǎng)之間設(shè)置一個(gè)變壓器16，所述變壓器16原邊與所述電網(wǎng)并聯(lián)且接地，其副邊與所述啟動(dòng)電路14連接。
所述換流裝置2包括變壓器10、啟動(dòng)電路8和換流器9 ;所述變壓器10原邊串聯(lián)接入所述電網(wǎng)，所述變壓器10副邊依次與所述啟動(dòng)電路8和所述換流器9串聯(lián)；所述變壓器10原邊與負(fù)載連接。
換流器6和換流器9的正負(fù)母線相連，正負(fù)母線之間并聯(lián)接地電路3，構(gòu)成中間直流環(huán)節(jié)相連，這樣有功功率可以在兩個(gè)換流裝置之間進(jìn)行雙向傳遞；無功功率可由每個(gè)換流裝置在其交流側(cè)獨(dú)立地與系統(tǒng)進(jìn)行交換。
所述接地電路3和12——柔性直流輸電與統(tǒng)一潮流控制器共用，其為接地電容 (如圖2)或接地電阻(如圖3)，用于防止電位懸浮，固定系統(tǒng)電位；所述接地電容的中性點(diǎn)接地；所述接地電阻的中性點(diǎn)接地。
所述換流器6的拓?fù)鋱D如圖I所示，包括三相換流裝置、濾波電感、鉗位二極管、支撐電容；每相換流裝置由上橋臂和下橋臂串聯(lián)而成。任一一相換流裝置中點(diǎn)處經(jīng)過交流濾波電感29與啟動(dòng)電路串聯(lián)；所述三相換流裝置并聯(lián)，形成正負(fù)母線(如圖中標(biāo)注的正負(fù)號(hào)所示)。本實(shí)施例以其中任一相舉例說明所述鉗位二極管包括上橋臂鉗位二極管27和下橋臂鉗位二極管28 ;所述上橋臂中點(diǎn)與上橋臂鉗位二極管27陰極連接，下橋臂中點(diǎn)與下橋臂鉗位二極管28陽極連接，上橋臂鉗位二極管27陽極與下橋臂鉗位二極管28陰極串聯(lián)； 兩個(gè)所述支撐電容23和24串聯(lián)后，并聯(lián)在正負(fù)母線之間，串聯(lián)的兩個(gè)電容的中點(diǎn)與每相串聯(lián)的鉗位二極管的中點(diǎn)相連。其中上橋臂包括至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)的IGBT模塊25，下橋臂包括至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)的IGBT模塊26 ;所述IGBT模塊包括反并聯(lián)的IGBT和二極管。對(duì)三電平電壓源換流器控制時(shí)，其直流電容器用于提供換流器電壓支撐；交流濾波電感用于濾除交流側(cè)電流諧波；鉗位二極管用于獲得交流輸出電壓的三電平調(diào)制；取能電源用于給控制電路提供控制電源；控制電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器的控制、監(jiān)測(cè)及保護(hù)。需要說明的是，本實(shí)施例的三個(gè)三電平電壓源換流器上下橋臂中的IGBT模塊數(shù)可相等也可不等，且每個(gè)IGBT模塊可由等數(shù)量IGBT模塊串聯(lián)替代，IBGT模塊的個(gè)數(shù)均為正整數(shù)。
所述啟動(dòng)電路5、8和14均用于實(shí)現(xiàn)裝置的軟啟動(dòng)，其均包括并聯(lián)的電阻和開關(guān)。
本實(shí)施例HVDC可以采用兩端形式或多端形式；UPFC可以采用兩端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系統(tǒng)中，HVDC的正負(fù)母線(即公共直流母線)與UPFC的正負(fù)母線(即公共直流母線)相連(正極與正極連，負(fù)極與負(fù)極連)。
最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種基于三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC系統(tǒng)，包括換流裝置(1、2、11)、接地電路(3、12)、開關(guān)(4)和直流輸電線(13);所述換流裝置(I)包括變壓器(7)和換流器(6);其特征在于， 所述變壓器(7)原邊并聯(lián)接入電網(wǎng)且接地，所述變壓器(7)副邊與所述換流器(6)串聯(lián)；所述換流器(6)兩端并聯(lián)接地電路(3)后，分成至少兩條支路，支路一為接地電路(3)兩端連接所述換流裝置(2)后與所述電網(wǎng)連接，構(gòu)成一組統(tǒng)一潮流控制器UPFC ;支路二為接地電路(3)兩端通過所述直流輸電線(13)與所述換流裝置(11)連接后與電網(wǎng)連接，構(gòu)成一組柔性直流輸電HVDC ;所述直流輸電線(13)與所述換流裝置(11)之間并聯(lián)接地電容(12);所述開關(guān)(4)與所述換流裝置(2)并聯(lián)。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換流裝置(I)包括啟動(dòng)電路(5);所述啟動(dòng)電路(5)串聯(lián)在所述變壓器(7)副邊和所述換流器(6)之間。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換流裝置(11)包括換流器(15);所述換流器(15)串聯(lián)在電網(wǎng)和所述接地電路(12)之間。
4.如權(quán)利要求3任一所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換流裝置(11)包括啟動(dòng)電路(14)，串聯(lián)在所述電網(wǎng)和所述換流器(15)之間。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換流裝置(11)包括變壓器(16)，設(shè)置在所述啟動(dòng)電路(14)和所述電網(wǎng)之間，用于系統(tǒng)電壓與換流器(15)電壓的匹配；所述變壓器(16)原邊與所述電網(wǎng)并聯(lián)且接地，其副邊與所述啟動(dòng)電路(14)連接。
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換流裝置(2)包括變壓器(10)和換流器(9);所述變壓器(10)原邊串聯(lián)串聯(lián)在所述電網(wǎng)和負(fù)載之間，所述變壓器(10)副邊與所述換流器(6)串聯(lián)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換流裝置(2)包括啟動(dòng)電路(8)，所述啟動(dòng)電路(8)串聯(lián)在所述變壓器(10)和所述換流器(9)之間。
8.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述接地電路(3、12)為接地電容，用于防止電位懸浮，固定系統(tǒng)電位；所述接地電容的中性點(diǎn)接地。
9.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述接地電路(3、12)為接地電阻，用于防止電位懸浮，固定系統(tǒng)電位；所述接地電阻的中性點(diǎn)接地。
10.如權(quán)利要求1-7任一所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換流器(6、9、15)包括三相換流裝置、濾波電感、鉗位二極管、支撐電容；每相換流裝置由上橋臂和下橋臂串聯(lián)而成；所述每相換流裝置中點(diǎn)處經(jīng)過交流濾波電感與啟動(dòng)電路串聯(lián)；所述三相換流裝置并聯(lián)，形成正負(fù)母線； 所述鉗位二極管包括上橋臂鉗位二極管和下橋臂鉗位二極管；所述每相換流裝置中，所述上橋臂中點(diǎn)與上橋臂鉗位二極管陰極連接，下橋臂中點(diǎn)與下橋臂鉗位二極管陽極連接，上橋臂鉗位二極管陽極與下橋臂鉗位二極管陰極串聯(lián)； 兩個(gè)所述支撐電容串聯(lián)后，并聯(lián)在正負(fù)母線之間，串聯(lián)的兩個(gè)電容的中點(diǎn)與每相串聯(lián)的鉗位二極管的中點(diǎn)相連。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述上橋臂和所述下橋臂均包括至少兩個(gè)級(jí)聯(lián)的IGBT模塊；所述IGBT模塊包括反并聯(lián)的IGBT和二極管。
12.如權(quán)利要求1-7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換流器(6、9、15)均采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求2、4、5、7或10任一所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述啟動(dòng)電路(5、8、14)包括并聯(lián)的電阻和開關(guān)。
14.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述柔性直流輸電HVDC采用兩端形式或多端形式；所述統(tǒng)一潮流控制器UPFC采用兩端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系統(tǒng)中，HVDC的正負(fù)母線與UPFC的正負(fù)母線相連。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于三電平電壓源換流器的HVDC兼UPFC系統(tǒng)，包括換流裝置(1、2、11)、接地電路(3、12)、開關(guān)(4)和直流輸電線(13)；換流裝置(1)與換流裝置(2)構(gòu)成UPFC，換流裝置(1)與換流裝置(11)構(gòu)成HVDC。本發(fā)明的HVDC和UPFC共用一個(gè)換流裝置，節(jié)省了工程建設(shè)成本與投資，提高了設(shè)備的利用率，便于集中管理與控制，并且可改善其網(wǎng)側(cè)波形品質(zhì)。
文檔編號(hào)H02M7/797GK102983586SQ20121026716
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者王軒, 吳倩, 閆殳裔, 王宇紅, 喻勁松, 何維國 申請(qǐng)人:中電普瑞科技有限公司, 上海市電力公司, 國家電網(wǎng)公司