专利名称：一种基于模块化多电平换流器的hvdc兼upfc系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种基于模块化多电平换流器的HVDC兼UPFC系统。
背景技术：
在分布式发电、可再生能源、智能电网技术迅速发展的新形势下，柔性直流输电技术为弥补传统高压直流输电技术的不足提供了新的途径。传统的采用半控器件晶闸管的高压直流输电，交流侧需要无功补偿装置，逆变侧需要非常强大的电源进行有源逆变，否则会产生换相失败。柔性直流输电采用基于可关断器件的电压源换流器，具有关断电流的能力，应用PWM技术进行无源逆变，对受端系统容量没有要求，解决了传统直流输电向无源负荷点送电的难题；能够独立控制有功、无功等，具有良好的控制灵活性；潮流反转时，直流电流方向反转而直流电压极性不变，方便构成直流多端系统。柔性直流输电装置采用基于可关断器件的电压源换流器，具有关断电流的能力，应用PWM技术进行无源逆变，对受端系统容量没有要求，解决了传统直流输电向无源负荷点送电的难题；能够独立控制有功、无功等，具有良好的控制灵活性。其主电路拓扑采用两个电压源换流器(VSC)直流侧并联的方式，其中一台换流器交流侧直接或通过变压器与系统并联，直流侧连接输电线，到达输电目的地后，另一台换流器交流侧直接或通过变压器与目的地的系统并联。统一潮流控制器(UPFC)是迄今为止通用性最好的FACTS装置，仅通过控制规律的改变，就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿和移相等几种不同的功能。UPFC装置可以看作是一台静止同步补偿器(STATC0M)装置与一台静止同步串联补偿器(SSSC)装置在直流侧并联构成，它可以同时并快速、独立控制输电线路中的有功功率和无功功率，从而使得UPFC拥有STATCOM、SSSC装置都不具备的四象限运行功能。UPFC装置主电路拓扑采用两个基于MMC结构的电压源换流器(VSC)直流侧并联的方式，其中一台换流器交流侧直接或通过变压器与系统并联，另一台换流器交流侧通过变压器与系统串联。由于采用了可关断器件控制，使得并联换流器和串连换流器的输出电压可单独控制。每一个换流器在交流输出端，都能独立吸收或供给无功功率及有功功率。柔性直流输电和UPFC中，电压源换流器(VSC)通常采用二电平或三电平结构。大容量柔性直流输电和UPFC中，VSC需要采取可关断电力电子器件(典型器件如绝缘栅双极型晶体管IGBT)串联的方式提高装置的耐压能力。可关断器件IGBT串联的技术难点主要表现在受技术垄断的影响，具有自身限制短路电流特性的IGBT器件难以采购，IGBT串联均压的控制技术在理论上研究的不够深入。为降低装置输出谐波，需要采用较高的开关频率，因而装置运行损耗较大。这些限制了大容量柔性直流输电和UPFC的应用。模块化多电平换流器(MMC)是采用多个子模块串联的一种新型拓扑结构，其各相桥臂分为上桥臂和下桥臂，上下桥臂分别由N个相同的子模块和一个交流电抗器依次串联构成。每个子模块由两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)及其反并联二极管组成的半桥结构和并联的电容构成。每个子模块都是一个两端器件，它可以同时在两种电流方向的情况下进行全模块电压和零模块电压之间的切换。MMC避免了器件串联的技术难点，输出波形为多电平，有效降低了开关器件的物理开关频率和开关损耗；MMC所特有的模块化结构使其设计灵活，利于批量生产；便于分相控制和模块化设计，通过冗余技术可旁路故障单元，进而提高装置运行可靠性；器件开关频率较低，装置运行损耗较小。基于以上特点，模块化多电平换流器十分适合在柔性直流输电系统和统一潮流控制器(UPFC)中使用，在高压大功率应用中的优势尤为明显，将是下一代多电平变换器的主流拓扑之一。通常的实际工程中，柔性直流输电装置和UPFC往往是独立建设与运行的，这造成了重复投资建设、成本高、设备利用率低、管理与控制不集中等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于模块化多电平换流器的柔性直流输电HVDC兼统一潮流控制器UPFC系统，利用电压源换流器直流电压极性不变，方便构成直流多端系统的特点，柔性直流输电和UPFC共用一个换流装置，节省了工程建设成本与投资，提高了设备的利用率，便于集中管理与控制。本发明提供的一种基于模块化多电平换流器的HVDC兼UPFC系统，包括换流装置1、换流装置2、换流装置11、接地电路3、接地电路12和直流输电线13 ;所述换流装置I包括变压器7、启动电路5和换流器6 ;其改进之处在于，所述变压器7原边并联接入电网，所述变压器7副边依次与所述启动电路5和所述换流器6串联；所述换流器6两端并联接地电路3后，分成至少两条支路，支路一为接地电路3两端连接所述换流装置2后与所述电网连接，构成一组统一潮流控制器UPFC ;支路二为接地电路3两端通过所述直流输电线13与所述换流装置11连接后与电网连接，构成一组柔性直流输电HVDC ;所述直流输电线13与所述换流装置11之间并联接地电路12。所述变压器7原边中性点接地。其中，所述换流装置11包括启动电路14和换流器15 ;所述启动电路14串联在电网和所述换流器15之间。优选的，所述换流装置11还可以包括变压器16，设置在所述启动电路14和所述电网之间，用于系统电压与换流器15电压的匹配；所述变压器16原边与所述电网并联，其副边与所述启动电路14连接。所述变压器16原边中性点接地。其中，所述换流装置2包括变压器10、启动电路8和换流器9 ;所述变压器10原边串联在所述电网和负载之间，所述变压器10副边依次与所述启动电路5和所述换流器6串联。其中，所述接地电路3和12均为接地电容或接地电阻，用于防止电位悬浮，固定系统电位；所述接地电容的中性点接地；所述接地电阻的中性点接地。其中，当所述接地电路3和12均为所述接地电容时，所述换流器6由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和Q个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述启动电路5连接；另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接。其中，当所述接地电路3和12均为所述接地电容时，所述换流器9由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和W个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述启动电路8连接；另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接。其中，当所述接地电路3和12均为所述接地电容时，所述换流器15由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和R个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述启动电路14连接；另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接。其中，当所述接地电路3和12均为所述接地电阻时，所述换流器6由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端与所述启动电路5连接，另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接。其中，当所述接地电路3和12均为所述接地电阻时，所述换流器9由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和M个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端与所述启动电路8连接，另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接。其中，当所述接地电路3和12均为所述接地电阻时，所述换流器15由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和P个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端与所述启动电路14连接，另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接。其中，所述子模块由半桥结构与直流电容并联构成，所述半桥结构包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管；所述半桥结构中点与IGBT发射极之间并联子模块旁路电路；所述直流电容通过取能电源为子模块的控制电路提供电源。其中，所述启动电路5、8和14均包括并联的电阻和开关。其中，所述柔性直流输电HVDC可以采用两端形式或多端形式；所述统一潮流控制器UPFC可以采用两端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系统中，HVDC的正负母线(即公共直流母线)与UPFC的正负母线(即公共直流母线)相连。与现有技术比，本发明的有益效果为本发明可大幅提高装置容量，无需采用复杂的IGBT器件串联的技术；本发明可实现分相控制；本发明可实现模块化设计；本发明通过冗余技术可旁路故障单元，提高装置运行可靠性；为降低输出谐波，IGBT器件串联方案开关频率通常较高，装置损耗较大；本方案采用了模块化多电平技术，各个器件的开关频率较低，但可实现对外等效开关频率很高，减少输出谐波，因此装置运行损耗较小；本发明柔性直流输电和UPFC共用一个换流装置，节省了工程建设成本与投资，提高了设备的利用率，便于集中管理与控制。
图1为本发明提供的模块化多电平换流器MMC拓扑结构图(方案一)。图2为本发明提供的模块化多电平换流器MMC拓扑结构图(方案二)。图3为本发明提供的基于模块化多电平换流器MMC的柔性直流输电HVDC兼统一潮流控制器UPFC的拓扑图(方案一)。图4为本发明提供的基于模块化多电平换流器MMC的柔性直流输电HVDC兼统一潮流控制器UPFC的拓扑图(方案二)。
图5为本发明提供的单个子模块电路图。图6为本发明提供的模块化多电平换流器MMC拓扑结构图(方案三)。其中，⑴为换流装置；(2)为换流装置；(3)为接地电路中的接地电容或接地电阻；⑷为旁路开关；(5)为启动电路；(6)为换流器；(7)为变压器；⑶为启动电路；(9)为换流器；(10)为变压器；(11)为换流装置；(12)为接地电路；(13)为直流输电线；(14)为启动电路；(15)为换流器；(16)为变压器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。实施例一本实施例提供的一种基于模块化多电平换流器的HVDC兼UPFC系统，其拓扑图如图3所示，包括换流装置1、换流装置2、换流装置11、接地电路3、接地电路12和直流输电线13 ；所述换流装置I 一端与电网串联，另一端与接地电路3并联；接地电路3两端分成至少两条支路，支路一连接所述换流装置2后与所述电网连接，构成一组统一潮流控制器UPFC ;支路二通过所述直流输电线13与所述换流装置11连接后与电网连接，构成一组柔性直流输电HVDC ;所述直流输电线13与所述换流装置11之间并联接地电容12。其中，各装置构成如下所述换流装置I包括变压器7、启动电路5和换流器6(换流器6为级联半桥结构电压源换流器，为柔性直流输电与统一潮流控制器共用)；所述变压器7原边并联接入电网且接地，所述变压器7副边依次与所述启动电路5和所述换流器6串联；所述换流器6两端与接地电路3并联；所述换流装置11包括启动电路14和换流器15 ;所述启动电路14 一端与电网串联，另一端和所述换流器15串联。为了实现系统电压与换流器15电压的匹配，在启动电路14和所述电网之间设置一个变压器16，所述变压器16原边与所述电网并联且接地，其副边与所述启动电路14连接。所述换流装置2包括变压器10、启动电路8和换流器9 ;所述变压器10原边串联接入所述电网，所述变压器10副边依次与所述启动电路5和所述换流器6串联；所述变压器10原边与负载连接。所述启动电路5、8和14均用于实现装置的软启动，其均包括并联的电阻和开关。换流器6和换流器9的正负母线相连，正负母线之间并联接地电路3，构成中间直流环节相连，这样有功功率可以在两个换流装置之间进行双向传递；无功功率可由每个换流装置在其交流侧独立地与系统进行交换。所述接地电路3和12—柔性直流输电与统一潮流控制器共用，其为接地电容或接地电阻，用于防止电位悬浮，固定系统电位；所述接地电容的中性点接地；所述接地电阻的中性点接地。当所述接地电路3和12均为所述接地电容时所述换流器6如图1所示，由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和Q个结构相同的子模块，每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述启动电路5连接，另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接而引出直流正负母线(如图中标注的正负号所示)；所述换流器9结构与图1所示结构相同，由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和W个结构相同的子模块，每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述启动电路5连接，另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接而引出直流正负母线；所述换流器15结构与图1所示结构相同，由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和R个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述启动电路5连接；另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接而引出直流正负母线。上述的电抗用于抑制变流装置输出谐波。其中，Q、W和R均为正整数，并且Q、W和R的个数可相等，也可不等。当所述接地电路3和12均为所述接地电阻时所述换流器6如图2所示，由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和N个结构相同的子模块，每个桥臂的子模块级联后一端与所述启动电路5连接，另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接而引出直流正负母线(如图中标注的正负号所示)；所述换流器9结构与图2所示结构相同，由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和M个结构相同的子模块，每个桥臂的子模块级联后一端与所述启动电路5连接，另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接而引出直流正负母线；所述换流器15结构与图2所示结构相同，由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和P个结构相同的子模块，每个桥臂的子模块级联后一端与所述启动电路5连接，另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接而引出直流正负母线。上述的电抗用于抑制来自系统的雷电、操作波对设备的侵害。其中，N、M和P均为正整数，并且N、M和P的个数可相等，也可不等。上述的所述子模块其电路图如图5所示，由半桥结构与直流电容并联构成，所述半桥结构包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管；所述半桥结构中点与IGBT发射极之间并联子模块旁路电路；子模块半桥用于输出所需电压；其直流电容器用于提供子模块电压支撑；子模块内部故障时，其旁路电路用于使子模块退出运行，实现STATC0M(换流站I)装置冗余运行；所述直流电容通过取能电源为子模块的控制电路提供电源，控制电路用于实现对子模块的控制、监测及保护。所述柔性直流输电HVDC可以采用两端形式或多端形式；所述统一潮流控制器UPFC可以采用两端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系统中，HVDC的正负母线(即公共直流母线)与UPFC的正负母线(即公共直流母线)相连(正极接正极，负极接负极)。实施例二本实施例与实施例一基本相同，但区别点在于本实施例为了控制换流装置2的接入与退出，本实施例在变压器10两端并联一个旁路开关4，如图6所示。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种基于模块化多电平换流器的HVDC兼UPFC系统，包括换流装置(1、2、11)、接地电路(3、12)和直流输电线(13);所述换流装置⑴包括变压器(7)、启动电路(5)和换流器(6);其特征在于， 所述变压器(7)原边并联接入电网，所述变压器(7)副边依次与所述启动电路(5)和所述换流器￠)串联；所述换流器(6)两端并联接地电路(3)后，分成至少两条支路，支路一为接地电路(3)两端连接所述换流装置(2)后与所述电网连接，构成一组统一潮流控制器UPFC ;支路二为接地电路(3)两端通过所述直流输电线(13)与所述换流装置(11)连接后与电网连接，构成一组柔性直流输电HVDC ;所述直流输电线(13)与所述换流装置(11)之间并联接地电路(12)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换流装置(11)包括启动电路(14)和换流器(15);所述启动电路(14)串联在电网和所述换流器(15)之间。
3.如权利要求2任一所述的系统，其特征在于，所述换流装置(11)包括变压器(16)，设置在所述启动电路(14)和所述电网之间，用于系统电压与换流器(15)电压的匹配；所述变压器(16)原边与所述电网并联，其副边与所述启动电路(14)连接。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换流装置(2)包括变压器(10)、启动电路(8)和换流器(9);所述变压器(10)原边串联在所述电网和负载之间，所述变压器(10)副边依次与所述启动电路(5)和所述换流器￠)串联。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接地电路(3、12)为接地电容或接地电阻，用于防止电位悬浮，固定系统电位；所述接地电容的中性点接地；所述接地电阻的中性点接地。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述接地电路(3、12)为所述接地电容时，所述换流器(6)由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和Q个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述启动电路(5)连接；另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述接地电路(3、12)为所述接地电容时，所述换流器(9)由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和W个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述启动电路(8)连接；另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述接地电路(3、12)为所述接地电容时，所述换流器(15)由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和R个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与所述启动电路(14)连接；另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述接地电路(3、12)为所述接地电阻时，所述换流器(6)由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端与所述启动电路(5)连接，另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述接地电路(3、12)为所述接地电阻时，所述换流器(9)由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和M个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端与所述启动电路(8)连接，另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述接地电路(3、12)为所述接地电阻时，所述换流器(15)由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括I个电抗器和P个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端与所述启动电路(14)连接，另一端串联电抗器后与另两个桥臂的电抗器连接。
12.如权利要求6-11任一所述的系统，其特征在于，所述子模块由半桥结构与直流电容并联构成，所述半桥结构包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管； 所述半桥结构中点与IGBT发射极之间并联子模块旁路电路； 所述直流电容通过取能电源为子模块的控制电路提供电源。
13.如权利要求1-11任一所述的系统，其特征在于，所述启动电路(5、8、14)包括并联的电阻和开关。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变压器(7)原边中性点接地。
15.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述变压器(16)原边中性点接地。
16.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述柔性直流输电HVDC采用两端形式或多端形式；所述统一潮流控制器UPFC采用两端或多端形式；所述HVDC兼UPFC系统中，HVDC的正负母线与UPFC的正负母线相连。
全文摘要
本发明提出了一种基于模块化多电平换流器的HVDC兼UPFC系统，包括换流装置(1、2、11)、接地电路(3、12)和直流输电线(13)；换流装置(1)与换流装置(2)构成UPFC，换流装置(1)与换流装置(11)构成HVDC。本发明的HVDC和UPFC共用一个换流装置，节省了工程建设成本与投资，提高了设备的利用率，便于集中管理与控制。换流装置使用模块化多电平换流器拓扑结构，规避了器件串联的技术难点，具有便于分相控制和模块化设计，通过冗余技术可旁路故障单元，提高装置运行可靠性，且器件开关频率较低，装置运行损耗较小。
文档编号H02M7/797GK103001242SQ201210267160
公开日2013年3月27日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者王轩, 赵刚, 刘慧文, 闫殳裔, 宋晓通, 刘隽 申请人:中电普瑞科技有限公司, 上海市电力公司, 国家电网公司