專利名稱：一種用于不平衡系統的統一潮流控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種靈活交流輸電領域的統一潮流控制器，具體涉及一種用于不平衡系統的統一潮流控制器。
背景技術：
IlOkV及以上電壓等級電網中性點采用直接接地方式，當三相負載不對稱時，線路上會出現零序電流。三相電壓不平衡度是衡量電網電能質量的一個重要指標。隨著人們對電能 質量要求的提高，電壓不平衡問題正受到越來越多的關注。在三相系統中，引起電壓不平衡的原因主要來自兩方面發(fā)電機的輸出電壓不平衡和負載不對稱。理論上講，發(fā)電機的輸出電壓并不是完全對稱的，具有一定的不平衡度，但都應限制在標準所允許的范圍內。 配電端的三相負載不可能完全對稱，特別是在大容量單相負載存在的場合，電壓不平衡問題尤為嚴重。當電壓不平衡較為嚴重時，就會影響某些設備的正常工作，如電機、電力電子裝置等。電力機車是波動性很大的大功率單相整流負荷，對于三相對稱的電力系統供電來說，電鐵牽引負荷具有非線形、不對稱和波動性的特點，將產生三相不平衡的諧波電流注入系統，使電力系統的電壓波動。因此，在電力機車高速發(fā)展，對電網影響越來越大的背景下， 對于不平衡系統的控制顯得尤為重要。
統一潮流控制器(UPFC)是一種功能最強大、特性最優(yōu)越的新一代柔性交流輸電 (FACTS)裝置，是迄今為止通用性最好的FACTS裝置，綜合了 FACTS元件的多種靈活控制手段，僅通過控制規(guī)律的改變，就能分別或同時實現并聯補償、串聯補償和移相等幾種不同的功能。UPFC裝置可以看作是一臺靜止同步補償器(STATCOM)裝置與一臺靜止同步串聯補償器(SSSC)裝置在直流側并聯構成，它可以同時并快速、獨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行功能。
UPFC裝置主電路拓撲采用兩個電壓源換流器(VSC)直流側并聯的方式，其中一臺變流器交流側直接或通過變壓器與系統并聯，另一臺變流器交流側通過變壓器與系統串聯。每個電壓源換流器通常采用兩電平或三電平三相電壓源換流器結構。
大容量UPFC中，電壓源換流器通常采用可關斷電力電子器件(典型器件如絕緣柵雙極型晶體管IGBT)串聯的方式提高裝置的耐壓能力。可關斷器件IGBT串聯的技術難點主要表現在受技術壟斷的影響，具有自身限制短路電流特性的IGBT器件難以采購，IGBT 串聯均壓的控制技術在理論上研究的不夠深入。為降低裝置輸出諧波，需要采用較高的開關頻率，因而裝置運行損耗較大。這些限制了大容量UPFC的應用。發(fā)明內容
針對現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種統一潮流控制器UPFC主電路拓撲結構， 采用模塊化多電平換流器構成變流器，避免了器件串聯的技術難點，該統一潮流控制器具有以下特點便于分相控制和模塊化設計，通過冗余技術可旁路故障單元，進而提高統一潮流控制器運行可靠性，器件開關頻率低，統一潮流控制器UPFC運行損耗小。直流母線采用4兩個電容器分裂出中點電壓，并與輸出變壓器中性點連接，構成三相四線MMC變換器，具有以下優(yōu)點電壓控制能力好，零序電流控制好，元件數量少，成本低，性價比高。
本發(fā)明的目的是采用下述技術方案實現的
一種用于不平衡系統的統一潮流控制器，其改進之處在于，所述統一潮流控制器包括靜止同步補償器I和靜止同步串聯補償器2 ；
在所述靜止同步補償器I和靜止同步串聯補償器2之間設置有上部分裂電容3和下部分裂電容4;所述上部分裂電容3和下部分裂電容4串聯后分別與靜止同步補償器I和靜止同步串聯補償器2并聯；
所述上部分裂電容3和下部分裂電容4串聯后形成分裂電容支路；所述分裂電容支路的中點與所述靜止同步串聯補償器2的串聯變壓器11的中性點連接；
所述靜止同步補償器I的輸出端和所述靜止同步串聯補償器2的輸出端分別與電網連接。
其中，所述靜止同步補償器I包括啟動電路6、換流器8和接入變壓器9 ；
所述換流器8 一端依次通過所述啟動電路6和接入變壓器9與電網連接；
所述接入變壓器9的副邊與所述啟動電路6連接；所述接入變壓器9的原邊與所述電網連接。
其中，所述換流器8由三相構成；三相并聯；每相由串聯的結構相同的上下兩橋臂構成；上下兩橋臂的中點處引出作為所述靜止同步補償器I的輸出端。
其中，所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和N個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端通過電抗器與所述啟動電路6連接；每個橋臂的子模塊級聯后另一端與另兩相橋臂的級聯的子模塊一端連接，形成所述換流器8的正負極母線；或
所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和N個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端與所述啟動電路6連接；每個橋臂的子模塊級聯后另一端串聯電抗器后與另兩相橋臂的電抗器連接，形成所述換流器8的正負極母線。
其中，所述啟動電路6包括并聯的電阻和開關。
其中，所述靜止同步串聯補償器2包括啟動電路7、換流器10和串聯變壓器11 ；
所述換流器10 —端依次通過啟動電路7和串聯變壓器11與電網連接。
所述換流器10另一端通過分裂電容支路與換流器8的另一端連接。
其中，所述換流器10由三相構成；三相并聯；每相由串聯的結構相同的上下兩橋臂構成；上下兩橋臂的中點處引出作為所述靜止同步串聯補償器2的輸出端。
其中，所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和M個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端通過電抗器與所述串聯變壓器11連接；另一端與另兩相橋臂的級聯的子模塊一端連接，形成所述換流器10正負極母線，分別與所述換流器8的正負極母線對應連接；或
所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和M個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端通過電抗器與所述串聯變壓器11連接；另一端串聯電抗器后與另兩相橋臂的電抗器連接，形成所述換流器10的正負極母線，分別與所述換流器8的正負極母線對應連接。
其中，所述啟動電路7包括并聯的電阻和開關。
其中，所述統一潮流控制器包括旁路開關5 ;所述旁路開關5與所述串聯變壓器11 并聯。
其中，所述串聯變壓器11的原邊分別與電網和啟動電路7連接；所述串聯變壓器 11副邊與負載連接。
其中，所述子模塊由半橋結構與直流電容并聯構成，所述半橋結構包括兩個串聯的IGBT模塊，每個IGBT模塊包括反并聯的IGBT和二極管；
所述半橋結構中點與IGBT發(fā)射極之間并聯子模塊旁路電路；
所述直流電容通過取能電源為子模塊的控制電路提供電源。
其中，所述換流器8的正負極母線和換流器10正負極母線稱作直流母線；所述直流母線采用上部分裂電容3和下部分裂電容4分裂出中點電壓，并與串聯變壓器11的中性點連接，構成三相四線模塊化多電平換流器MMC。
與現有技術比，本發(fā)明達到的有益效果是
I、本發(fā)明提供的用于不平衡系統的統一潮流控制器，可大幅提高統一潮流控制器容量，無需采用復雜的IGBT器件串聯的技術；
2、本發(fā)明提供的用于不平衡系統的統一潮流控制器可實現分相控制；
3、本發(fā)明提供的用于不平衡系統的統一潮流控制器可實現模塊化設計；
4、本發(fā)明提供的用于不平衡系統的統一潮流控制器通過冗余技術可旁路故障單元，提高裝置運行可靠性；
5、本發(fā)明提供的用于不平衡系統的統一潮流控制器，為降低輸出諧波，IGBT器件串聯方案開關頻率通常很高，裝置損耗大；本方案采用了模塊化多電平技術，各個器件的開關頻率低，但可實現對外等效開關頻率很高，減少輸出諧波，因此裝置運行損耗?。?br> 6、本發(fā)明提供的用于不平衡系統的統一潮流控制器，三相四線拓撲結構電壓控制能力好，零序電流控制好，元件數量少，成本低，性價比高。


圖I是串聯側單相MMC拓撲結構圖2是串聯側四橋臂MMC拓撲結構圖3是本發(fā)明提供的用于不平衡系統的統一潮流控制器串聯側帶分裂電容的三相四線MMC拓撲方案一不意其中(1)為靜止同步補償器、(2)為靜止同步串聯補償器、⑶為上部分裂電容、 ⑷為下部分裂電容、(5)為旁路開關、(6)為啟動電路、(7)為啟動電路、(8)為換流器、(9) 為接入變壓器、(10)為換流器、(11)為串聯變壓器。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
本發(fā)明提出了一種用于不平衡系統的統一潮流控制器UPFC，規(guī)避了器件串聯的技術難點，具有便于分相控制和模塊化設計，通過冗余技術可旁路故障單元，提高統一潮流控制器運行可靠性，且器件開關頻率低，統一潮流控制器運行損耗小。
串聯側MMC變換器可采用如下幾種方案
I、串聯側單相MMC方案(附圖I)。串聯側每相采用全橋結構，輸出通過單相變壓器串入線路。該方案串聯側三相可獨立調節(jié)，控制靈活、性能優(yōu)越，控制策略相對簡單。但是該方案元件數量最多，成本最高，性價比低。
II、串聯側四橋臂MMC方案(附圖2)。串聯側由四個MMC橋臂構成，輸出通過單相或三相(五柱)變壓器串入線路。該方案串聯側三相電壓不如單相變換器那樣控制靈活， 元件數量多，成本高，性價比較低。
III、串聯側帶分裂電容的三相四線MMC方案(附圖3)。直流母線采用兩個電容器分裂出中點電壓，并與輸出變壓器中性點連接，構成三相四線MMC變換器，具有以下特點 電壓控制能力較好，零序電流控制較好，元件數量較少，成本較低，性價比較高。
本發(fā)明采用串聯側帶分裂電容的三相四線MMC方案。
實施例I
本發(fā)明提供的一種用于不平衡系統的統一潮流控制器串聯側帶分裂電容的三相四線MMC拓撲方案一如圖3所示，統一潮流控制器包括靜止同步補償器I和靜止同步串聯補償器2 ;在靜止同步補償器I和靜止同步串聯補償器2之間設置有上部分裂電容3和下部分裂電容4 ;上部分裂電容3和下部分裂電容4串聯后分別與靜止同步補償器I和靜止同步串聯補償器2并聯；上部分裂電容3和下部分裂電容4串聯后形成分裂電容支路；分裂電容支路的中點與所述靜止同步串聯補償器2的串聯變壓器11的中性點連接；靜止同步補償器I的輸出端和所述靜止同步串聯補償器2的輸出端分別與電網連接。
靜止同步補償器I的正負極母線和靜止同步串聯補償器2正負極母線稱作直流母線；直流母線采用兩個電容器3和4分裂出中點電壓，并與串聯變壓器11中性點連接，構成三相四線MMC變換器。中性點電流可流過兩個分裂電容器3和4。
靜止同步補償器I和靜止同步串聯補償器2通過由分裂電容3和4構成的中間直流環(huán)節(jié)相連，這樣有功功率可以在兩個換流裝置之間進行雙向傳遞；無功功率可由每個換流裝置在其交流側獨立地與系統進行交換。
靜止同步補償器I包括啟動電路6、換流器8和接入變壓器9 ;換流器8 一端依次通過啟動電路6和接入變壓器9與電網連接；接入變壓器9的副邊與啟動電路6連接；接入變壓器9的原邊與電網連接。
換流器8由三相構成；三相并聯；每相由串聯的結構相同的上下兩橋臂構成；上下兩橋臂的中點處引出作為靜止同步補償器I的輸出端。
其中，上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和N (N為自然數)個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端通過電抗器與啟動電路6連接；每個橋臂的子模塊級聯后另一端與另兩相橋臂的級聯的子模塊一端連接，形成換流器8的正負極母線；具體的， 半橋橋臂中點與下管IGBT發(fā)射極分別作為子模塊引出端，依次與前后的子模塊串聯，再與 I個換流電抗串聯構成I個橋臂。上下兩個橋臂串聯，構成I相換流裝置，三相換流裝置整體并聯，并引出正負母線。上下橋臂中點處引出作為STATCOM換流器的輸出端，與啟動電路6 串聯后，通過與系統并聯的變壓器9接入系統。接入變壓器9用于實現系統電壓與STATCOM 裝置輸出電壓的匹配。
啟動電路6由啟動電阻與啟動電阻旁路開關并聯構成。啟動電路6用于實現靜止CN 102983584 A書明說5/6頁同步補償器I的軟啟動。換流器10和換流器8結構相同，換流器10由三相構成；三相并聯；每相由串聯的結構相同的上下兩橋臂構成；上下兩橋臂的中點處引出作為所述靜止同步串聯補償器2的輸出端。
上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和M(M為自然數，M可以等于N，也可以不等于N)個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端通過電抗器與所述串聯變壓器11連接；另一端與另兩相橋臂的級聯的子模塊一端連接，形成所述換流器10正負極母線，分別與所述換流器8的正負極母線對應連接。
具體的，半橋橋臂中點與下管IGBT發(fā)射極分別作為子模塊引出端，依次與前后的子模塊串聯，再與I個換流電抗串聯構成I個橋臂。上下兩個橋臂串聯，構成I相換流裝置，三相換流裝置整體并聯，并引出正負母線。上下橋臂中點處引出作為SSSC換流器的輸出端，與啟動電路7串聯后，通過與系統串聯的變壓器11接入系統。本實施例的子模塊通過電抗器與系統連接，一方面可以抑制來自電網的雷電、操作波對設備的侵害，另一方面可以抑制換流裝置輸出諧波。
串聯變壓器11中性點與由上部分裂電容3和下部分裂電容4串聯后分裂出的中點連接。串聯變壓器11的原邊一端與系統連接，一端與負載連接。串聯變壓器11用于實現系統電壓與靜止同步串聯補償器2輸出電壓的匹配。
啟動電路7由啟動電阻與啟動電阻旁路開關并聯構成。啟動電路7用于實現靜止同步串聯補償器2的軟啟動。
優(yōu)選的，本實施例的統一潮流控制器為了安全設置，還設置了旁路開關5，旁路開關5與串聯變壓器11并聯，用于實現靜止同步串聯補償器的退出。
本實施例的子模塊用于輸出所需電壓，其由半橋結構與直流電容構成，所述半橋結構包括上下兩個串聯的IGBT模塊，上管IGBT集電極與下管IGBT發(fā)射極之間并聯直流電容，半橋結構中點與下管IGBT發(fā)射極之間并聯子模塊旁路電路，取能電源從直流電容器取電，為子模塊的控制電路提供控制電源。子模塊的直流電容用于提供子模塊電壓支撐。子模塊內部故障時，其旁路電路用于使子模塊退出運行，實現靜止同步補償器的冗余運行。取能電源用于給子模塊控制電路提供控制電源?？刂齐娐酚糜趯崿F對子模塊的控制、監(jiān)測及保護。本實施例的旁路電路可由開關實現，控制電路可由數字或模擬電路實現。取能電源可參考專利 201010624225. 6 或 ZL201020700480. X 實現。
實施例2
本實施例與實施例I基本相同，但區(qū)別點在于
換流器8和換流器10中的電抗器的位置不同。本實施例的電抗器串在正負母線側，其用于抑制換流裝置輸出諧波。
具體的，換流器8由三相構成；三相并聯；每相由串聯的結構相同的上下兩橋臂構成；上下兩橋臂的中點處引出作為靜止同步補償器I的輸出端。上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和N個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端與啟動電路6連接； 每個橋臂的子模塊級聯后另一端串聯電抗器后與另兩相橋臂的電抗器連接，形成所述換流器8的正負極母線。
換流器10由三相構成；三相并聯；每相由串聯的結構相同的上下兩橋臂構成；上8下兩橋臂的中點處引出作為所述靜止同步串聯補償器2的輸出端。上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和M個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端通過電抗器與所述串聯變壓器11連接；另一端串聯電抗器后與另兩相橋臂的電抗器連接，形成所述換流器 10的正負極母線，分別與所述換流器8的正負極母線對應連接。
本發(fā)明提供的用于不平衡系統的統一潮流控制器UPFC，其中直流母線采用兩個電容器分裂出中點電壓，并與輸出變壓器中性點連接，構成三相四線MMC變換器，具有以下特點電壓控制能力好，零序電流控制好，元件數量少，成本低，性價比高。
最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進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，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種用于不平衡系統的統一潮流控制器，其特征在于，所述統一潮流控制器包括靜止同步補償器⑴和靜止同步串聯補償器⑵； 在所述靜止同步補償器(I)和靜止同步串聯補償器(2)之間設置有上部分裂電容(3)和下部分裂電容(4);所述上部分裂電容(3)和下部分裂電容(4)串聯后分別與靜止同步補償器(I)和靜止同步串聯補償器(2)并聯； 所述上部分裂電容(3)和下部分裂電容(4)串聯后形成分裂電容支路；所述分裂電容支路的中點與所述靜止同步串聯補償器⑵的串聯變壓器(11)的中性點連接； 所述統一潮流控制器包括旁路開關(5);所述旁路開關(5)與所述串聯變壓器(11)并聯； 所述靜止同步補償器(I)的輸出端和所述靜止同步串聯補償器(2)的輸出端分別與電網連接。
2.如權利要求I所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述靜止同步補償器(I)包括啟動電路(6)、換流器⑶和接入變壓器(9)； 所述換流器(8) —端依次通過所述啟動電路(6)和接入變壓器(9)與電網連接； 所述接入變壓器(9)的副邊與所述啟動電路(6)連接；所述接入變壓器(9)的原邊與所述電網連接。
3.如權利要求2所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述換流器(8)由三相構成；三相并聯；每相由串聯的結構相同的上下兩橋臂構成；上下兩橋臂的中點處引出作為所述靜止同步補償器(I)的輸出端。
4.如權利要求3所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和N個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端通過電抗器與所述啟動電路(6)連接；每個橋臂的子模塊級聯后另一端與另兩相橋臂的級聯的子模塊一端連接，形成所述換流器(8)的正負極母線；或 所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和N個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端與所述啟動電路(6)連接；每個橋臂的子模塊級聯后另一端串聯電抗器后與另兩相橋臂的電抗器連接，形成所述換流器(8)的正負極母線。
5.如權利要求2所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述啟動電路(6)包括并聯的電阻和開關。
6.如權利要求I所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述靜止同步串聯補償器(2)包括啟動電路(7)、換流器(10)和串聯變壓器(11)； 所述換流器(10) —端依次通過啟動電路(7)和串聯變壓器(11)與電網連接。
所述換流器(10)另一端通過分裂電容支路與換流器(8)的另一端連接。
7.如權利要求5所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述換流器(10)由三相構成；三相并聯；每相由串聯的結構相同的上下兩橋臂構成；上下兩橋臂的中點處引出作為所述靜止同步串聯補償器⑵的輸出端。
8.如權利要求7所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和M個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端通過電抗器與所述串聯變壓器(11)連接；另一端與另兩相橋臂的級聯的子模塊一端連接，形成所述換流器(10)正負極母線，分別與所述換流器(8)的正負極母線對應連接；或所述上下兩橋臂中每個橋臂包括I個電抗器和M個結構相同的子模塊；每個橋臂的子模塊級聯后一端通過電抗器與所述串聯變壓器(11)連接；另一端串聯電抗器后與另兩相橋臂的電抗器連接，形成所述換流器(10)正負極母線，分別與所述換流器(8)的正負極母線對應連接。
9.如權利要求5所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述啟動電路(7)包括并聯的電阻和開關。
10.如權利要求2-9中任一項所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述串聯變壓器(11)的原邊分別與電網和啟動電路(7)連接；所述串聯變壓器(11)副邊與負載連接。
11.如權利要求4或7所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述子模塊由半橋結構與直流電容并聯構成，所述半橋結構包括兩個串聯的IGBT模塊，每個IGBT模塊包括反并聯的IGBT和二極管； 所述半橋結構中點與IGBT發(fā)射極之間并聯子模塊旁路電路； 所述直流電容通過取能電源為子模塊的控制電路提供電源。
12.如權利要求4或7所述的統一潮流控制器，其特征在于，所述換流器(8)的正負極母線和換流器(10)正負極母線稱作直流母線；所述直流母線采用上部分裂電容(3)和下部分裂電容⑷分裂出中點電壓，并與串聯變壓器(11)的中性點連接，構成三相四線模塊化多電平換流器MMC。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于不平衡系統的統一潮流控制器。統一潮流控制器包括靜止同步補償器和靜止同步串聯補償器；在靜止同步補償器和靜止同步串聯補償器之間設置有上部分裂電容和下部分裂電容；上部分裂電容和下部分裂電容串聯后分別與靜止同步補償器和靜止同步串聯補償器并聯；上部分裂電容和下部分裂電容串聯后形成分裂電容支路；分裂電容支路的中點與所述靜止同步串聯補償器的串聯變壓器的中性點連接；靜止同步補償器的輸出端和所述靜止同步串聯補償器的輸出端分別與電網連接。該統一潮流控制器便于分相控制和模塊化設計，統一潮流控制器UPFC運行損耗小，電壓控制能力好，零序電流控制好，元件數量少，成本低，性價比高。
文檔編號H02J3/01GK102983584SQ201210267168
公開日2013年3月20日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權日2012年7月13日
發(fā)明者王軒, 喻勁松, 閆殳裔, 李欣, 武守遠, 何維國 申請人:中電普瑞科技有限公司, 上海市電力公司, 國家電網公司