專利名稱：一種基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一潮流控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力電子領(lǐng)域，具體涉及ー種基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一潮流控制器。
背景技術(shù)：
統(tǒng)ー潮流控制器(UPFC)是迄今為止通用性最好的靈活交流輸電(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擁有每個(gè)單獨(dú)運(yùn)行的STATCOM、SSSC裝置都不具備的四象限運(yùn)行功能。統(tǒng)ー潮流控制器主電路拓?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)。每個(gè)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(jié)構(gòu)。大容量UPFC中，電壓源換流器通常采用可關(guān)斷電力電子器件(典型器件如絕緣柵雙極型晶體管IGBT)直接串聯(lián)的方式提高裝置的耐壓能力?？申P(guān)斷器件IGBT串聯(lián)的技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在受技術(shù)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(gòu)，IGBT串聯(lián)均壓的控制技術(shù)在理論上研究的不夠深入，且為降低裝置輸出諧波，需要采用較高的開關(guān)頻率，因而裝置運(yùn)行損耗較大。這些都限制了大容量UPFC的應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)ー潮流控制器，采用模塊化多電平換流器構(gòu)成換流器，避免了器件串聯(lián)的技術(shù)難點(diǎn)，并且便于分相控制和模塊化設(shè)計(jì)。通過冗余技術(shù)旁路故障単元，進(jìn)而提高了裝置運(yùn)行可靠性，器件開關(guān)頻率較低，裝置運(yùn)行損耗較小。本實(shí)用新型提供的一種基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)ー潮流控制器，其改進(jìn)之處在于，所述統(tǒng)ー潮流控制器包括靜止同步補(bǔ)償器I和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2 ；所述靜止同步補(bǔ)償器I的正負(fù)母線和所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2的正負(fù)母線相連；所述靜止同步補(bǔ)償器I的輸出端和所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2的輸出端分別與電網(wǎng)連接。其中，在所述靜止同步補(bǔ)償器I和所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2之間設(shè)置支撐電容3 ;所述支撐電容3與所述靜止同步補(bǔ)償器I和所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2并聯(lián)。其中，所述靜止同步補(bǔ)償器I包括換流器7 ；所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2包括換流器9和變壓器10 ；所述換流器7 —端和電網(wǎng)連接；所述換流器7另一端和換流器9 一端連接，所述換流器9另一端通過變壓器10和電網(wǎng)連接。[0012]其中，所述靜止同步補(bǔ)償器I包括變壓器8 ;所述變壓器8的副邊與所述換流器7連接，所述變壓器8的原邊與所述電網(wǎng)并聯(lián)。其中，所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2包括啟動(dòng)電路6 ;所述啟動(dòng)電路6 —端與所述換流器9連接，所述啟動(dòng)電路6另一端與所述變壓器10 —端連接，所述變壓器10另一端串聯(lián)接入電網(wǎng)。其中，所述統(tǒng)ー潮流控制器包括旁路開關(guān)4，所述旁路開關(guān)4與所述變壓器10并聯(lián)。其中，所述換流器7由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端通過電抗器與所述變壓器(8)連接；另一端與另兩個(gè)橋臂的級(jí)聯(lián)的子模塊一端連接，形成正負(fù)極母線。其中，所述換流器7由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端與所述變壓器(8)連接，另一端串聯(lián)電抗器后與另兩個(gè)橋臂的電抗器連接，形成正負(fù)極母線。其中，所述換流器9由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和M個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端通過電抗器與所述變壓器10連接；另一端與另兩個(gè)橋臂的級(jí)聯(lián)的子模塊一端連接，形成正負(fù)極母線，與所述換流器7的正負(fù)母線連接。其中，所述換流器9由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和M個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端與所述變壓器10連接；另一端串聯(lián)電抗器后與另兩個(gè)橋臂的電抗器連接，形成正負(fù)極母線，與所述換流器7的正負(fù)母線連接。其中，所述啟動(dòng)電路6包括并聯(lián)的電阻和開關(guān)。其中，所述子模塊由半橋結(jié)構(gòu)與直流電容并聯(lián)構(gòu)成，所述半橋結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊，每個(gè)IGBT模塊包括反并聯(lián)的IGBT和ニ極管；所述半橋結(jié)構(gòu)中點(diǎn)與IGBT發(fā)射極之間并聯(lián)子模塊旁路電路；所述直流電容通過取能電路為子模塊的控制電路提供電源。與現(xiàn)有技術(shù)比，本實(shí)用新型的有益效果為本實(shí)用新型采用以模塊方式級(jí)聯(lián)的形式，降低了對(duì)器件本身的要求；本實(shí)用新型可大幅提高裝置容量，無需采用復(fù)雜的IGBT器件串聯(lián)的技術(shù)；本實(shí)用新型通過對(duì)橋臂的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分相控制；本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，集成度高，設(shè)計(jì)方便；本實(shí)用新型通過冗余技術(shù)可旁路故障単元，提高裝置運(yùn)行可靠性；為降低輸出諧波，IGBT器件串聯(lián)方案開關(guān)頻率通常較高，裝置損耗較大；本本實(shí)用新型采用了模塊化多電平技木，各個(gè)器件的開關(guān)頻率較低，但可實(shí)現(xiàn)對(duì)外等效開關(guān)頻率很高，減少輸出諧波，因此裝置運(yùn)行損耗較小。

圖I為本實(shí)用新型提供的基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)ー潮流控制器主電
路一O圖2為本實(shí)用新型提供的基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)ー潮流控制器主電路ニ。[0032]圖3為本實(shí)用新型提供的子模塊結(jié)構(gòu)圖。圖4為本實(shí)用新型提供的基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)ー潮流控制器主電路ニ。圖5為本實(shí)用新型提供的基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)ー潮流控制器主電路四。圖中⑴為靜止同步補(bǔ)償器、⑵為靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器、⑶為支撐電容、⑷為旁路開關(guān)、(5)為啟動(dòng)電路、(6)為啟動(dòng)電路、(7)為換流器、⑶為變壓器、(9)為換流器、
(10)為變壓器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步的詳細(xì)說明。實(shí)施例一本實(shí)施例提供的一種基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)ー潮流控制器如圖I所示，包括靜止同步補(bǔ)償器I和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2 ;靜止同步補(bǔ)償器I包括換流器7 ;所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2包括換流器9和變壓器10 ；換流器7由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，六個(gè)橋臂結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和N(N為自然數(shù))個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；所述子模塊級(jí)聯(lián)后通過電抗器接入電網(wǎng)；具體的，子模塊的半橋結(jié)構(gòu)中點(diǎn)與下管IGBT發(fā)射極分別作為子模塊引出端，依次與前后的模塊級(jí)聯(lián)，再與一個(gè)電抗器串聯(lián)構(gòu)成I個(gè)橋臂，上下兩個(gè)橋臂串聯(lián)，構(gòu)成I相換流裝置，3相換流裝置整體并聯(lián)，并引出正負(fù)母線。上下橋臂中點(diǎn)處作為靜止同步補(bǔ)償器的輸出端，即在子模塊串聯(lián)電抗器接入電網(wǎng)。換流器9和換流器7結(jié)構(gòu)相同，由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和M(M為自然數(shù)，M可以等于N，也可以不等于N)個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；所述子模塊級(jí)聯(lián)后通過電抗器、變壓器10和負(fù)載連接。換流器7的正負(fù)母線和換流器9的正負(fù)母線對(duì)應(yīng)連接。本實(shí)施例的子模塊通過電抗器與系統(tǒng)連接，一方面可以抑制來自電網(wǎng)的雷電、操作波對(duì)設(shè)備的侵害，另ー方面可以抑制換流裝置輸出諧波。優(yōu)選的，本實(shí)施例在所述靜止同步補(bǔ)償器I和所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2之間設(shè)置支撐電容3 ;換流器7的正負(fù)母線和換流器9的正負(fù)母線之間并聯(lián)支撐電容3。兩個(gè)換流裝置通過由支撐電容3構(gòu)成的中間直流環(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。優(yōu)選的，本實(shí)施例的靜止同步補(bǔ)償器I包括還可以變壓器8 ;變壓器8的副邊與換流器7連接，變壓器8的原邊與電網(wǎng)并聯(lián)。變壓器8用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓與靜止同步補(bǔ)償器輸出電壓的匹配。優(yōu)選的，本實(shí)施例的靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器2還可以包括啟動(dòng)電路6，啟動(dòng)電路6由并聯(lián)的電阻和開關(guān)組成。啟動(dòng)電路6 —端與換流器9連接，另一端與變壓器10 —端連接，變壓器10另一端串聯(lián)接入電網(wǎng)。啟動(dòng)電路6可以實(shí)現(xiàn)換流器9平穩(wěn)啟動(dòng)。變壓器10用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓與靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器輸出電壓的匹配。優(yōu)選的，本實(shí)施例的統(tǒng)ー潮流控制器為了安全設(shè)置，還設(shè)置了旁路開關(guān)4，旁路開關(guān)4與變壓器10并聯(lián)，用于實(shí)現(xiàn)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的退出。[0045]本實(shí)施例的子模塊用于輸出所需電壓，其由半橋結(jié)構(gòu)與直流電容構(gòu)成，所述半橋結(jié)構(gòu)包括上下兩個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊，上管IGBT集電極與下管IGBT發(fā)射極之間并聯(lián)直流電容，半橋結(jié)構(gòu)中點(diǎn)與下管IGBT發(fā)射極之間并聯(lián)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(nèi)部故障時(shí)，其旁路電路用于使子模塊退出運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)靜止同步補(bǔ)償器的冗余運(yùn)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?shí)現(xiàn)對(duì)子模塊的控制、監(jiān)測(cè)及保護(hù)。本實(shí)施例的旁路電路可由開關(guān)實(shí)現(xiàn)，控制電路可由數(shù)字或模擬電路實(shí)現(xiàn)。取能電源可參考專利 201010624225. 6 或 ZL201020700480. X 實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例ニ本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，但區(qū)別點(diǎn)在于換流器7和換流器9中的電抗器的位置不同。本實(shí)施例的電抗器串在正負(fù)母線側(cè)，如圖2所示。其用于抑制換流裝置輸出諧波。 實(shí)施例三本實(shí)施例與實(shí)施例一或?qū)嵤├嘶鞠嗤?，但區(qū)別點(diǎn)在于為了實(shí)現(xiàn)換流器更平穩(wěn)的啟動(dòng)，本實(shí)施例在換流器7和變壓器8之間設(shè)置ー個(gè)啟動(dòng)電路5，如圖4和圖5所示。啟動(dòng)電路5 —端與換流器7連接，另一端與變壓器8連接后與電網(wǎng)并聯(lián)。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(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)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本實(shí)用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)ー潮流控制器，其特征在于，所述統(tǒng)ー潮流控制器包括靜止同步補(bǔ)償器⑴和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器⑵； 所述靜止同步補(bǔ)償器(I)的正負(fù)母線和所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(2)的正負(fù)母線相連；所述靜止同步補(bǔ)償器(I)的輸出端和所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(2)的輸出端分別與電網(wǎng)連接。
2.如權(quán)利要求I所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，在所述靜止同步補(bǔ)償器(I)和所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器⑵之間設(shè)置支撐電容⑶；所述支撐電容⑶與所述靜止同步補(bǔ)償器⑴和所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器⑵并聯(lián)。
3.如權(quán)利要求I所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述靜止同步補(bǔ)償器(I)包括換流器⑵； 所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(2)包括換流器(9)和變壓器(10)； 所述換流器(7) —端和電網(wǎng)連接；所述換流器(7)另一端和換流器(9) 一端連接，所述換流器(9)另一端通過變壓器(10)和電網(wǎng)連接。
4.如權(quán)利要求I所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述靜止同步補(bǔ)償器(I)包括變壓器(8);所述變壓器(8)的副邊與所述換流器(7)連接，所述變壓器(8)的原邊與所述電網(wǎng)并聯(lián)。
5.如權(quán)利要求I所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(2)包括啟動(dòng)電路(6);所述啟動(dòng)電路(6) —端與所述換流器(9)連接,所述啟動(dòng)電路(6)另一端與所述變壓器(10) —端連接，所述變壓器(10)另一端串聯(lián)接入電網(wǎng)。
6.如權(quán)利要求I所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述統(tǒng)ー潮流控制器包括旁路開關(guān)(4)，所述旁路開關(guān)(4)與所述變壓器(10)并聯(lián)。
7.如權(quán)利要求3所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述換流器(7)由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端通過電抗器與所述變壓器(8)連接；另一端與另兩個(gè)橋臂的級(jí)聯(lián)的子模塊一端連接，形成正負(fù)極母線。
8.如權(quán)利要求3所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述換流器(7)由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端與所述變壓器(8)連接，另一端串聯(lián)電抗器后與另兩個(gè)橋臂的電抗器連接，形成正負(fù)極母線。
9.如權(quán)利要求3所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述換流器(9)由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和M個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端通過電抗器與所述變壓器(10)連接；另一端與另兩個(gè)橋臂的級(jí)聯(lián)的子模塊一端連接，形成正負(fù)極母線，與所述換流器(7)的正負(fù)母線連接。
10.如權(quán)利要求3所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述換流器(9)由3相六個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括I個(gè)電抗器和M個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊；每個(gè)橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)后一端與所述變壓器(10)連接；另一端串聯(lián)電抗器后與另兩個(gè)橋臂的電抗器連接，形成正負(fù)極母線，與所述換流器(7)的正負(fù)母線連接。
11.如權(quán)利要求5所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述啟動(dòng)電路(6)包括并聯(lián)的電阻和開關(guān)。
12.如權(quán)利要求7-10中任一所述的統(tǒng)一潮流控制器，其特征在于，所述子模塊由半橋結(jié)構(gòu)與直流電容并聯(lián)構(gòu)成，所述半橋結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊，每個(gè)IGBT模塊包括反并聯(lián)的IGBT和ニ極管； 所述半橋結(jié)構(gòu)中點(diǎn)與IGBT發(fā)射極之間并聯(lián)子模塊旁路電路； 所述直流電容通過取能電路為子模塊的控制電路提供電源。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一潮流控制器，包括靜止同步補(bǔ)償器和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器。靜止同步補(bǔ)償器的正負(fù)母線和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的正負(fù)母線相連；靜止同步補(bǔ)償器的輸出端和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的輸出端分別與電網(wǎng)連接。本實(shí)用新型采用以模塊方式級(jí)聯(lián)的形式，降低了對(duì)器件本身的要求；實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，集成度高，設(shè)計(jì)方便；本實(shí)用新型通過冗余技術(shù)可旁路故障單元，提高裝置運(yùn)行可靠性；原有技術(shù)為降低輸出諧波，IGBT器件串聯(lián)方案開關(guān)頻率通常較高，裝置損耗較大；本實(shí)用新型采用了模塊化多電平技術(shù)，各個(gè)器件的開關(guān)頻率較低，但可實(shí)現(xiàn)對(duì)外等效開關(guān)頻率很高，減少輸出諧波，因此裝置運(yùn)行損耗較小。
文檔編號(hào)H02J3/01GK202535087SQ201220064120
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月23日
發(fā)明者劉慧文, 武守遠(yuǎn), 王柯, 王軒, 韓天緒 申請(qǐng)人:中電普瑞科技有限公司