專利名稱：配電系統(tǒng)中多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于連接多條配電線路并且綜合調(diào)節(jié)各線路電能質(zhì)量的電力裝 置，屬于電力輸配電裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電能是當(dāng)今社會(huì)不可缺少的重要能源，它使用最方便，適用范圍最廣泛。電能質(zhì)量 問題已不僅僅是電力系統(tǒng)中電壓和頻率等基本技術(shù)問題，它關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)及設(shè)備的 安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行，關(guān)系電氣環(huán)境工程保護(hù)，關(guān)系整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益和發(fā)展 戰(zhàn)略。在電力市場(chǎng)條件下，用戶與供電企業(yè)都在追求自己的最大利益。用戶會(huì)提出滿足各 自需要的不同質(zhì)量的電能，出現(xiàn)用電的個(gè)性化。這樣電力部門不僅要滿足用戶對(duì)電量不斷 增長(zhǎng)的需求，還必須滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量的多樣性要求。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(Unified Power Quality Conditioner)作為動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié) 器和有源電力濾波器的綜合與發(fā)展，可以較好解決電能質(zhì)量的諸多問題，具有較高的理論 研究與實(shí)用價(jià)值。目前，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器主要由兩個(gè)換流器組成，并聯(lián)換流器和串聯(lián)換 流器，共用一組直流電容。其中，并聯(lián)換流器主要用于抑制電流諧波，串聯(lián)換流器主要進(jìn)行 電壓補(bǔ)償，保持供電電壓穩(wěn)定。但是，電能質(zhì)量發(fā)展到今天，研究范圍已不僅僅局限于諧波 補(bǔ)償，短路電流限制也成為電能質(zhì)量研究的一大課題。目前，故障限流器是抑制線路短路電 流水平的常用裝置，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，比如專利CN101609982A提出的并聯(lián)諧振式故障 限流，專利CN101707365A提出的三相故障限流器等。國(guó)外提出串聯(lián)VSC串接限流電感作為 故障限流器使用，效果也很好。在多條線路潮流控制方面，線間潮流控制器(IPFC)和通用 型統(tǒng)一潮流控制器(GUPFC)已被深入研究，大多用于輸電線路中，電壓等級(jí)較高，并且不適 宜進(jìn)行電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器采用三個(gè)或三個(gè)以上換流器結(jié)構(gòu)，直流側(cè)共用一 組電容，能夠根據(jù)系統(tǒng)需要選擇換流器的類型和個(gè)數(shù)，配置靈活。將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)，故障限 流和有源濾波等功能融入到多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器可以大大提高裝置成本和運(yùn) 行效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是提供一種配電系統(tǒng)中多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量 調(diào)節(jié)裝置，具有故障限流，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)，有源濾波等功能，能綜合調(diào)節(jié)兩條配電線路的電 言旨質(zhì)量。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案
一種配電系統(tǒng)中多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，所述配電系統(tǒng)包括N條三相配電 線路，N為自然數(shù)且N ≥2，
1)，當(dāng)一條三相配電線路的負(fù)載為非線性整流負(fù)載且為敏感負(fù)荷時(shí)，所述電能質(zhì)量調(diào) 節(jié)裝置包括第一電壓源換流器、與第一電壓源換流器相并聯(lián)的第二電壓源換流器、3個(gè)分別并聯(lián)有固態(tài)開關(guān)的限流電感、3個(gè)變壓器和6個(gè)連接電感；其中，所述第一電壓源換流器的 兩端并聯(lián)2個(gè)相互串聯(lián)的電容；所述3個(gè)限流電感、3個(gè)變壓器、6個(gè)連接電感分別平均設(shè)置 在所述三相配電線路的每根相線上；
在每根相線中，所述限流電感的一端與電源側(cè)連接，所述限流電感的另一端與變壓器 原邊繞組的一端連接，所述變壓器原邊繞組的另一端分別與第一連接電感的一端、負(fù)載側(cè) 相連接；所述變壓器副邊繞組的一端與第二連接電感串接后，與第一電壓源換流器的三相 橋臂相連接；所述變壓器副邊繞組的另一端與所述2個(gè)相互串聯(lián)的電容的連接中點(diǎn)連接； 所述第一連接電感的另一端與第二電壓源換流器的三相橋臂相連接；
2)，當(dāng)一條三相配電線路的負(fù)載僅為敏感負(fù)載時(shí)，所述電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置包括1個(gè)串 聯(lián)型電壓源換流器、3個(gè)分別并聯(lián)有固態(tài)開關(guān)的限流電感、3個(gè)變壓器、3個(gè)連接電感；
其中，所述電壓源換流器的兩端并聯(lián)2個(gè)相互串聯(lián)的電容；所述3個(gè)限流電感、3個(gè)變 壓器、3個(gè)連接電感分別平均設(shè)置在所述三相配電線路的每根相線上；
在每根母線中，所述限流電感的一端與電源側(cè)連接，所述限流電感的另一端與變壓器 原邊繞組的一端連接，所述變壓器原邊繞組的另一端與負(fù)載側(cè)相連接；所述變壓器副邊繞 組的一端與連接電感串接后，與電壓源換流器的三相橋臂連接；所述變壓器副邊繞組的另 一端與所述2個(gè)相互串聯(lián)的電容的連接中點(diǎn)連接。進(jìn)一步的，上述配電系統(tǒng)中多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，其中電壓源換流 器采用全控型器件IGBT，且反并聯(lián)二極管。進(jìn)一步的，上述配電系統(tǒng)中多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，其中固態(tài)開關(guān)是 GTO大功率可控器件。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案具有如下有益效果
(1)裝置可以連接多條配電線路，對(duì)多條線路的電能質(zhì)量進(jìn)行綜合控制。其中一類配 電線路采用串聯(lián)和并聯(lián)換流器，另一類配電線路采用串聯(lián)電壓源換流器。串聯(lián)電壓源換流 器可以進(jìn)行故障限流與動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)，依靠固態(tài)開關(guān)進(jìn)行模式切換。(2)利用串聯(lián)電壓源換流器進(jìn)行故障電流限制和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)，利用固態(tài)開關(guān)使 裝置在限流模式、備用模式和動(dòng)補(bǔ)模式間切換。運(yùn)行于限流模式和備用模式時(shí)，固態(tài)開關(guān)打 開，裝置運(yùn)行于動(dòng)補(bǔ)模式時(shí)，固態(tài)開關(guān)閉合。均不消耗有功功率，只有無(wú)功輸出。在線路無(wú)短路故障發(fā)生時(shí)，裝置運(yùn)行于備用模式，檢測(cè)到故障發(fā)生立即切換到限 流模式，發(fā)生電壓跌落或畸變時(shí)切換到動(dòng)補(bǔ)模式，切換迅速準(zhǔn)確；
(3)整合了動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、故障限流器和有源電力濾波器的功能于一體，一機(jī)多能， 控制目標(biāo)多樣；
(4)短路故障發(fā)生時(shí)，換流器輸出電壓可以根據(jù)系統(tǒng)需要的短路電流水平進(jìn)行調(diào)節(jié)，從 而將短路電流值限制在某個(gè)范圍。裝置控制為故障限流器運(yùn)行時(shí)，不消耗有功功率，具備節(jié) 能的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的電氣示意圖。圖2是本發(fā)明在電力系統(tǒng)中接線示意圖。圖3是本發(fā)明應(yīng)用在三相三線配電線路中的串聯(lián)型換流器結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明應(yīng)用在三相三線配電線路中的并聯(lián)型換流器的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是本發(fā)明中的串聯(lián)換流器工作原理圖。圖6是本發(fā)明作為故障限流器使用時(shí)仿真圖。圖7是本發(fā)明作為故障限流器使用時(shí)功率損耗仿真圖。
具體實(shí)施方案
下面結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述
參照?qǐng)D1和圖3所示，電壓源換流器采用全控型器件IGBT，且反并聯(lián)二極管，直流側(cè)儲(chǔ)
能裝置采用兩組電容器C1和CJ2 ,
電容器中點(diǎn)作為三組連接變壓器的公共端。圖3中的連接電感￡靠近系統(tǒng)側(cè)省略了用于濾
除開關(guān)頻率附近諧波的高通濾波器。限流電感^與固態(tài)開關(guān)爲(wèi)并聯(lián)，其中，固態(tài)開關(guān)用于
裝置在不同工作模式間切換。為了方便表示，圖1將三相配電線路和換流器的三相橋臂用 一根相線表示，串聯(lián)型和并聯(lián)型換流器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖參見圖3和圖4所示。參照?qǐng)D2，系統(tǒng)通過兩條配線線路向敏感負(fù)荷供電，其中線路1為非線性整流負(fù) 載，系統(tǒng)電流諧波較為明顯，線路2為電阻負(fù)載，僅為敏感負(fù)荷。三個(gè)電壓源換流器根據(jù)負(fù) 載情況按照?qǐng)D1方式配置，圖2省略了與串聯(lián)換流器相連的限流電感和固態(tài)開關(guān)。結(jié)合圖3和圖5給出串聯(lián)換流器作為動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器和故障限流器的功能實(shí)現(xiàn)方 法。以換流器1為例，正常運(yùn)行時(shí)，串聯(lián)換流器作為故障限流器使用，有兩種工作模式，即備
用模式和限流模式，此時(shí)開關(guān)I1打開。備用模式是在線路未發(fā)生電壓畸變與短路故障狀態(tài)
下的運(yùn)行模式，限流模式是在線路發(fā)生短路故障時(shí)短暫的運(yùn)行模式，而一旦發(fā)生動(dòng)態(tài)電壓 跌落，固態(tài)開關(guān)立即閉合，裝置切換到動(dòng)補(bǔ)模式運(yùn)行，補(bǔ)償電壓跌落與畸變。
圖4為并聯(lián)型換流器的結(jié)構(gòu)圖，檢測(cè)算法采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)算法，控 制算法采用滯環(huán)電流跟蹤控制。如圖5所示，裝置作為故障限流器運(yùn)行，串聯(lián)VSC被調(diào)制成受控電壓源。在備用模 式下，串聯(lián)VSC輸出電壓補(bǔ)償4上電壓降落，即6 = IjmLi，此時(shí)，線路始端電壓和終端電
壓相等，有Ffw = ,在串聯(lián)vsc上未產(chǎn)生電壓降落；在限流模式下，調(diào)制串聯(lián)vsc輸出電壓
與限流電感電壓降落同相位，從而使VSC表現(xiàn)電感特性，減小故障電流。此時(shí)輸出電壓極限 值，即極限電壓環(huán)的大小受直流側(cè)電容電壓高低和器件耐壓水平影響。系統(tǒng)可根據(jù)不同需
要選擇輸出的巧幅值，但其相位應(yīng)與限流電感電壓相同。在控制過程中，僅有無(wú)功的流動(dòng)，
并無(wú)有功消耗，直流側(cè)電壓不會(huì)因?yàn)槟Ｊ降那袚Q而波動(dòng)，因此直流側(cè)可采用電容作為儲(chǔ)能 元件。同時(shí)，正常情況下，假設(shè)線路呈純感性，當(dāng)串聯(lián)VSC工作于備用模式時(shí)，也不消耗有功 功率，有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。并聯(lián)電壓源換流器用于抑制非線性負(fù)荷向系統(tǒng)注入的電流諧波，直流側(cè)電壓采用 PI控制，當(dāng)串聯(lián)側(cè)需要補(bǔ)償電壓跌落的時(shí)候，直流側(cè)電容電壓為其提供有功功率支持，此 時(shí)，電容電壓降低，電容電壓降低直接導(dǎo)致交流與直流側(cè)功率不平衡，有功功率將從系統(tǒng)側(cè) 即交流側(cè)流向直流電容側(cè)。整體上看，也即當(dāng)串聯(lián)與并聯(lián)換流器的有功功率不平衡時(shí)，將導(dǎo)致有功功率的流動(dòng)，使交直流側(cè)功率趨于平衡。參照?qǐng)D6仿真波形，其中(a)是裝置在備用模式和限流模式切換時(shí)，限流電感電壓 和換流器輸出電壓波形圖，(b)是裝置在備用模式和動(dòng)補(bǔ)模式切換時(shí)，限流電感和換流器輸
出電壓波形圖。裝置運(yùn)行于備用模式時(shí)，開關(guān)A處于打開狀態(tài)，換流器輸出電壓與限流電
感電壓大小相等，相位相差I(lǐng)SOii,當(dāng)檢測(cè)到有故障發(fā)生時(shí)，裝置迅速切換到限流模式，換流 器輸出電壓相位與限流電感電壓相位相同，幅值的選取需根據(jù)線路短路電流水平，如圖(a) 所示。備用模式下檢測(cè)到電壓跌落發(fā)生時(shí)，裝置迅速切換到動(dòng)補(bǔ)模式，開關(guān)美迅速閉合，將
限流電感短接，換流器輸出電壓補(bǔ)償系統(tǒng)電壓跌落，如圖(b)所示?？梢钥闯觯b置模式切 換迅速，控制準(zhǔn)確。參照?qǐng)D7仿真波形，裝置作為故障限流器使用時(shí)，不消耗有功功率，只有無(wú)功輸 出，裝置具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種配電系統(tǒng)中多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述配電系統(tǒng)包 括N條三相配電線路，N為自然數(shù)且N彡2，1)，當(dāng)一條三相配電線路的負(fù)載為非線性整流負(fù)載且為敏感負(fù)荷時(shí)，所述電能質(zhì)量調(diào) 節(jié)裝置包括第一電壓源換流器、與第一電壓源換流器相并聯(lián)的第二電壓源換流器、3個(gè)分別 并聯(lián)有固態(tài)開關(guān)的限流電感、3個(gè)變壓器和6個(gè)連接電感；其中，所述第一電壓源換流器的 兩端并聯(lián)2個(gè)相互串聯(lián)的電容；所述3個(gè)限流電感、3個(gè)變壓器、6個(gè)連接電感分別平均設(shè)置 在所述三相配電線路的每根相線上；在每根相線中，所述限流電感的一端與電源側(cè)連接，所述限流電感的另一端與變壓器 原邊繞組的一端連接，所述變壓器原邊繞組的另一端分別與第一連接電感的一端、負(fù)載側(cè) 相連接；所述變壓器副邊繞組的一端與第二連接電感串接后，與第一電壓源換流器的三相 橋臂相連接；所述變壓器副邊繞組的另一端與所述2個(gè)相互串聯(lián)的電容的連接中點(diǎn)連接； 所述第一連接電感的另一端與第二電壓源換流器的三相橋臂相連接；2)，當(dāng)一條三相配電線路的負(fù)載僅為敏感負(fù)載時(shí)，所述電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置包括1個(gè)串 聯(lián)型電壓源換流器、3個(gè)分別并聯(lián)有固態(tài)開關(guān)的限流電感、3個(gè)變壓器、3個(gè)連接電感；其中，所述電壓源換流器的兩端并聯(lián)2個(gè)相互串聯(lián)的電容；所述3個(gè)限流電感、3個(gè)變 壓器、3個(gè)連接電感分別平均設(shè)置在所述三相配電線路的每根相線上；在每根母線中，所述限流電感的一端與電源側(cè)連接，所述限流電感的另一端與變壓器 原邊繞組的一端連接，所述變壓器原邊繞組的另一端與負(fù)載側(cè)相連接；所述變壓器副邊繞 組的一端與連接電感串接后，與電壓源換流器的三相橋臂連接；所述變壓器副邊繞組的另 一端與所述2個(gè)相互串聯(lián)的電容的連接中點(diǎn)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配電系統(tǒng)中多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，其特征在 于所述電壓源換流器采用全控型器件IGBT，且反并聯(lián)二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的配電系統(tǒng)中多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，其特征在 于所述固態(tài)開關(guān)是GTO大功率可控器件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種配電系統(tǒng)中多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，主要包括限流電感、變壓器和連接電感；根據(jù)三相配電線路的負(fù)載為非線性整流或電阻型的不同情況，裝置分別包括2個(gè)并聯(lián)型電壓源換流器、1個(gè)串聯(lián)型電壓源換流器；限流電感分別并聯(lián)有固態(tài)開關(guān)，用于裝置在不同運(yùn)行模式間進(jìn)行切換；本發(fā)明集故障限流器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器和有源電力濾波器于一體，依靠串聯(lián)換流器限制短路電流和補(bǔ)償電壓跌落，依靠并聯(lián)換流器抑制電流諧波；本發(fā)明作為故障限流器運(yùn)行時(shí)，不消耗有功功率，具備節(jié)能優(yōu)點(diǎn)；既能滿足不同負(fù)載對(duì)供電電壓需求，又能有效防止非線性負(fù)載污染系統(tǒng)，在提高電能質(zhì)量的同時(shí)，降低線路短路電流水平，為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)打下基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)H02H9/02GK102097793SQ20101061531
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者吳峰, 梅軍, 王立峰, 鄭建勇 申請(qǐng)人:東南大學(xué)