换流站串联调节系统及控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种用于换流站的串联控制单元、换流站串联调节系统及控制方法。

背景技术：

随着经济发展，各地区用电规模持续高速增长。由于存在着新能源发电(风力发电、光伏发电)集中区域与用电负荷中心区域相距较远的问题，通常需要通过多回高压直流输电实现送电电网与受端电网点对点的大功率输送。受端电网通常需要建设高压或者特高压交流电网来承载大量直流，受端交直流混联电网格局日益形成。因受端电网电气距离较近，当交流电网发生故障时，可能会引起多路直流同时发生换相失败或者闭锁，对受端电网造成巨大冲击，严重时可能会导致受端电网大量切负荷，甚至发生电压崩溃。

另外，受端交流电网需要疏散大功率电源，换流站近区由于交流疏散通道以及短路电流等因素，部分直流受电功率限制。

现有技术facts(flexibleactransmissionsystems，柔性交流输电系统)，通过采用电力电子设备和其它静态控制器来提高系统可控性和功率输送能力的交流输电系统，通过快速电压补偿、功率控制等控制手段为解决以上问题提供了方案。但对于并联型电力电子设备，由于交流系统短路容量较大，其对电压补偿效果比较有限，没有有功控制能力。

采用模块化多电平电压源换流器的静止同步串联补偿器sssc、统一潮流控制器upfc以及线间潮流控制器ipfc等具有串联补偿与和移相控制等功能的补偿器，可以迅速改变串联电压，改变两侧交流系统电压，优化调节系统潮流。所以，以换流变压器为核心的串联电压控制具有可靠性高、应用较为成熟等优点，可以作为直流输电系统交流电压调节以及潮流分布改善的有效手段。

背景技术部分的内容仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种用于换流站的串联控制单元及采用该串联控制单元的调节系统和控制方法。通过所述调节系统及其中串联控制单元拓扑结构和连接方式的改进，实现快速调节交流系统电压，进行快速电压补偿，并经直流变压器或直接与直流电网相连，实现交、直流电能互供，或通过交-直-交换流器与其他交流网络相连改善电网潮流分布。

本文所述的任何方面或特征均可以与本文所述的任何或所有的其他方面和特征共用。

根据本发明的一个方面，一种用于换流站的串联控制单元，所述串联控制单元包括：

换流器子单元，至少包括一整流单元；

旁路开关子单元，至少包括一三相开关；

变压器子单元，包括两侧绕组，第一侧绕组与所述换流器子单元连接，第二侧绕组与所述旁路开关子单元连接。

根据本发明的一个方面，所述换流器子单元还包括一并联电容单元，所述并联电容单元集成于所述整流单元。

根据本发明的一个方面，所述换流器子单元还包括一逆变单元，所述逆变单元直流侧与所述整流单元连接，交流侧接入交流电网。

根据本发明的一个方面，所述变压器子单元的第二侧绕组与所述旁路开关子单元之间采用星形或三角形方式连接。

根据本发明的一个方面，所述换流器子单元在所述串联控制单元中的连接方式包括：

同步串联补偿方式，该方式下所述换流器子单元包括整流单元和并联电容单元，所述整流单元交流侧连接变压器子单元，直流侧与所述并联电容单元并联，所述串联控制单元运行于同步串联补偿模式；或

与直流电网联网方式，该方式下所述换流器子单元仅包括整流单元，所述整流单元交流侧连接变压器子单元，直流侧与直流电网连接，所述串联控制单元运行于与直流电网联网模式；或

交流潮流控制方式，该方式下所述换流器子单元包括整流单元、并联电容单元和逆变单元，所述整流单元交流侧连接变压器子单元，直流侧与所述并联电容单元并联连接所述逆变单元直流侧，所述逆变单元交流侧与受端交流电网连接，所述串联控制单元运行于交流潮流控制模式。

本发明通过所述串联控制单元可快速对换流站电压进行调节，减少常规直流换相失败次数，同时可增加柔性直流交流侧电压稳定性，并且通过所述串联控制单元串入变压器子单元，还可对谐波起到一定的隔离作用。

根据本发明的一个方面，一种换流站调节系统，所述系统包括换流阀、换流变压器、上述任一串联控制单元，及一个用于接收信号和发出指令的调节系统控制器；

其中，所述串联控制单元接入所述调节系统的方式包括：

串接在所述换流阀交流侧与所述换流变压器之间；或

串接在所述换流变压器与高端交流换流母线或低端交流换流母线之间；或

串接在高端交流换流母线或低端交流换流母线与交流电网之间。

根据本发明的一个方面，一种换流站调节系统的控制方法，根据所述串联控制单元的换流器子单元的组成及接入电网的不同，所述控制方法包括：

同步串联补偿方式，该方式下所述换流器子单元包括整流单元和并联电容单元，所述整流单元交流侧连接变压器子单元，所述整流单元直流侧与所述并联电容单元并联，所述串联控制单元运行于同步串联补偿模式；或

与直流电网联网方式，该方式下所述换流器子单元仅包括整流单元，所述整流单元交流侧连接变压器子单元，直流侧与直流电网连接，交流电网通过所述串联控制单元与直流电网交换电能，所述串联控制单元运行于与直流电网联网模式；或

交流潮流控制方式，该方式下所述换流器子单元包括整流单元、并联电容单元和逆变单元，所述整流单元交流侧连接变压器子单元，所述整流单元直流侧与所述并联电容单元并联连接所述逆变单元直流侧，所述逆变单元交流侧与受端交流电网连接，所述受端交流电网通过所述串联控制单元交换有功、无功功率，并实现对交流电网的电压调节，所述串联控制单元运行于交流潮流控制模式。

根据本发明的一个方面，所述同步串联补偿方式下，所述串联控制单元的换流器子单元通过变压器子单元从变压器子单元接入的交流电网取能；所述调节系统控制器采集所述调节系统接入的交流电网的电压、电流，计算电压、电流幅值与相位，并根据交流电压幅值偏差，得到电压幅值参考值，结合交流电网电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元整流单元一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制；

所述与直流电网联网方式下，交流电网通过所述串联控制单元与直流电网交换电能，所述串联控制单元的换流器子单元通过变压器子单元从变压器子单元接入的交流电网取能，或者由所述换流器子单元直接从直流电网取能；

当运行在电压控制模式下时，所述调节系统控制器采集所述调节系统接入的交流电网电压、电流，计算电压、电流幅值与相位，根据交流电压幅值偏差，得到电压幅值参考值，结合交流电网电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元整流单元一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制；

当运行在功率模式下时，所述调节系统控制器采集所述调节系接入的交流电网电压、电流，计算所述串联控制单元有功或者无功功率，根据功率偏差，得到功率参考值，结合交流电网电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元整流单元一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制；

所述交流潮流控制方式下，受端交流电网通过所述串联控制单元与交流电网交换有功、无功功率，同时对交流电网的电压进行调节，所述串联控制单元的换流器子单元通过变压器子单元从变压器子单元接入的交流电网取能，或直接通过换流器子单元从受端交流电网取能，

当运行在电压控制模式下时，所述调节系统控制器采集所述调节系统接入的交流电网电压、电流，计算电压、电流幅值与相位，根据交流电压幅值偏差，得到电压幅值参考值，结合交流系统电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元整流单元一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制；

当运行在功率控制模式下时，所述调节系统控制器采集所述调节系统接入的交流电网电压、电流，计算所述串联控制单元有功或者无功功率，根据功率偏差，得到功率参考值，结合交流系统电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元整流单元一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制。

根据本发明的一个方面，所述串联控制单元电压相位与电流相位相差90度或者270度时，电压幅值可在0至最大设计电压幅值范围内变化。

根据本发明的一个方面，所述直流电网是由电源和电压源换流器构成的电网，所述电源包括有源交流电网、储能设备或发电机。

本发明所述换流站调节系统和控制方法通过串联电压幅值和相角控制，能够快速控制交流线路有功功率或者无功功率，实现有功功率灵活控制，并能对其他直流或交流系统进行灵活供电，维持该直流或交流系统电压稳定。

附图说明

图1为本发明换流站调节系统结构框图。

图2为本发明所述串联控制单元接入所述调节系统的三种典型方案，其中，

(a)为串联控制单元串接在换流阀与换流变压器之间；

(b)串联控制单元串接在换流变压器与直流高端或者低端交流母线之间；

(c)串联控制单元串接在高、低端交流母线与交流系统之间。

图3为本发明换流站串联调节系统中换流器子单元拓扑结构，其中，

(a)同步串联补偿方式拓扑结构示意图；

(b)与直流电网联网方式拓扑结构示意图；

(c)交流潮流控制方式拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。为了简化本发明的公开，下文中仅对特定方式或例子进行描述。所以，它们仅仅为示例，描述的目的并不在于限制本发明。此外，下文所述任一实施例中的任一方面或特征,如果需要均可与任一其他实施例共用。

实施例1

参阅图1所示，一种用于换流站的串联控制单元2，所述串联控制单元2包括：

换流器子单元23，至少包括一整流单元231；

旁路开关子单元22，至少包括一三相开关221；

变压器子单元21，包括两侧绕组，第一侧绕组211与所述换流器子单元23连接，第二侧绕组212与所述旁路开关子单元22连接。

本实施例中，所述换流器子单元23还包括一并联电容单元232，所述并联电容单元232集成于所述整流单元231。进一步的，所述换流器子单元23还包括一逆变单元233，所述逆变单元233直流侧与所述整流单元231连接，交流侧接入交流电网。

其中所述换流器子单元23至少包括一整流单元231，在实际使用中，根据不同应用场景可进一步包括并联电容单元232，再进一步包括逆变单元233；在包括并联电容单元232的情况下，所述并联电容单元232可集成设置于所述整流单元231，本发明并不以此为限。可以理解的，所述整流单元231和所述并联电容单元232分别独立设置，在功能实现上与两者集成设置是一致的。

本实施例中，所述变压器子单元21的第二侧绕组212与所述旁路开关子单元22之间根据实际工况需要，采用星形或三角形方式连接。所述旁路开关子单元22采用三相机械开关，此处仅为示例，实践中也可以是普通或全控电子开关，本发明并不以此为限。如图1所示，图中ac1、ac2表征为两个不同的交流电网，所述旁路开关子单元22未闭合时，所述串联控制单元2被投入并正常工作；所述旁路开关子单元22闭合时，所述串联控制单元2被旁路。

本实施例中，所述换流器子单元23为电压源型换流器，其采用的可关断器件类型包括，mosfet、gto、igbt或igct，此处仅为示例，实践中也可能是其他类似器件，本发明并不以此为限。所述mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effecttransistor)，依照其“通道”(工作载流子)的极性不同，可分为“n型”与“p型”的两种类型，通常又称为nmosfet与pmosfet。所述gto(gateturn-offthyristor，门极可关断晶闸管)是电流控制型器件，是晶闸管的一种派生器件。它的主要特点是门极加正脉冲信号触发管子导通，门极加负脉冲信号触发管子关断，因而属于全控型器件。所述igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有mosfet的高输入阻抗和gtr(gianttransistor，电力晶体管)的低导通压降两方面的优点。所述igct(integratedgatecommutatedthyristors，集成门极换流晶闸管)是一种中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件(集成门极换流晶闸管＝门极换流晶闸管+门极单元)，其将gto芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。

根据上述实施例1所述串联控制单元2中换流器子单元23的组成及所接入电网的不同，所述串联控制单元2的运行模式包括：

实施例1.1

如图3(a)所示，同步串联补偿模式，该模式下所述换流器子单元23包括整流单元231和并联电容单元232，所述整流单元231交流侧连接变压器子单元21，直流侧与所述并联电容单元232并联。

实施例1.2

如图3(b)所示，与直流电网联网模式，该模式下所述换流器子单元23仅包括整流单元231，所述整流单元231交流侧连接变压器子单元21，直流侧与直流电网连接。

实施例1.3

如图3(c)所示，交流潮流控制模式，该模式下所述换流器子单元23包括整流单元231、并联电容单元232和逆变单元233，所述整流单元231交流侧连接变压器子单元21，直流侧与所述并联电容单元232并联连接于所述逆变单元233的直流侧，所述逆变单元233交流侧与受端交流电网连接。

实施例2

参阅图2(a、b、c)，一种换流站调节系统，所述系统包括换流阀1、换流变压器3、上述任一所述的串联控制单元2，及一个用于接收信号和发出指令的调节系统控制器(图中未示出)。

根据上述串联控制单元2接入所述调节系统拓扑结构的不同，所述调节系统包括以下三种具体实施方式：

实施例2.1

所述串联控制单元2串接在所述换流阀1交流侧与所述换流变压器3之间。

实施例2.2

所述串联控制单元2串接在所述换流变压器1与高端交流换流母线或低端交流换流母线之间；。

实施例2.3

所述串联控制单元2串接在高端交流换流母线或低端交流换流母线与交流电网之间。

实施例3

参阅图1、2、3，一种换流站调节系统的控制方法，根据所述串联控制单元2中换流器子单元23的组成及所接入电网的不同，所述方法包括下面三种可选方式：

实施例3.1

同步串联补偿方式，该方式下所述换流器子单元23包括整流单元231和并联电容单元232，所述整流单元231交流侧连接变压器子单元21，所述整流单元231直流侧与所述并联电容单元232并联，所述串联控制单元2运行于同步串联补偿模式。

该实施例中，所述串联控制单元2的换流器子单元23通过变压器子单元21从变压器子单元21接入的交流电网取能；所述调节系统控制器采集所述调节系统接入的交流电网的电压、电流，计算电压、电流幅值与相位，并根据交流电压幅值偏差，得到电压幅值参考值，结合交流电网电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元整流单元一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制；

该实施例中，所述串联控制单元2电压相位与电流相位相差90度或者270度情况下，电压幅值可在0至最大设计电压幅值范围内变化。

实施例3.2

与直流电网联网方式，该方式下所述换流器子单元23仅包括整流单元231，所述整流单元231交流侧连接变压器子单元21，直流侧与直流电网连接，交流电网通过所述串联控制单元2与直流电网交换电能，所述串联控制单元2运行于与直流电网联网模式。

该实施例中，交流电网通过所述串联控制单元2与直流电网交换电能，所述串联控制单元2的换流器子单元23通过变压器子单元21从变压器子单元21接入的交流电网取能，或者由所述换流器子单元23直接从直流电网取能；

当运行在电压控制模式下时，所述调节系统控制器采集所述调节系统接入的交流电网电压、电流，计算电压、电流幅值与相位，根据交流电压幅值偏差，得到电压幅值参考值，结合交流电网电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元23整流单元231一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制；

当运行在功率模式下时，所述调节系统控制器采集所述调节系接入的交流电网电压、电流，计算所述串联控制单元2有功或者无功功率，根据功率偏差，得到功率参考值，结合交流电网电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元23整流单元231一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制；

该实施例中，所述整流单元231直流侧与直流电网之间采用直流变压器相连，此时，换流站近区交流电网可通过所述串联控制单元2与直流电网交换电能。

该实施例中，所述串联控制单元2电压相位与电流相位相差90度或者270度情况下，电压幅值可在0至最大设计电压幅值范围内变化。

该实施例中，所述直流电网是由电源以及电压源换流器构成的电网，所述电源包括有源交流电网、储能设备或发电机。

实施例3.3

交流潮流控制方式，该方式下所述换流器子单元23包括整流单元231、并联电容单元232和逆变单元233，所述整流单元231交流侧连接变压器子单元21，所述整流单元231直流侧与所述并联电容单元232并联连接于所述逆变单元233直流侧，所述逆变单元233交流侧与受端交流电网连接，所述受端交流电网通过所述串联控制单元2交换有功、无功功率，并可对交流电网的电压进行调节，所述串联控制单元2运行于交流潮流控制模式。

该实施例中，受端交流电网通过所述串联控制单元2与交流电网交换有功、无功功率，同时对交流电网的电压进行调节，所述串联控制单元2的换流器子单元23通过变压器子单元21从变压器子单元21接入的交流电网取能，或直接通过换流器子单元23从受端交流电网取能，

当运行在电压控制模式下时，所述调节系统控制器采集所述调节系统接入的交流电网电压、电流，计算电压、电流幅值与相位，根据交流电压幅值偏差，得到电压幅值参考值，结合交流系统电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元23整流单元231一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制；

当运行在功率控制模式下时，所述调节系统控制器采集所述调节系统接入的交流电网电压、电流，计算所述串联控制单元2有功或者无功功率，根据功率偏差，得到功率参考值，结合交流系统电流相位、电压幅值参考值以及电压、电流限制，计算出换流器子单元23整流单元231一侧输出三相电压的参考值，并实现闭环控制。

该实施例中，所述串联控制单元2电压相位与电流相位相差90度或者270度情况下，电压幅值可在0至最大设计电压幅值范围内变化。

本发明实施例1所述的串联控制单元，通过该串联控制单元可快速对换流站电压进行调节，减少常规直流换相失败次数，同时可增加柔性直流交流侧电压稳定性，并且通过所述串联控制单元串入变压器子单元，还可对谐波起到一定的隔离作用。

本发明实施例2和3所述调节系统和控制方法，通过串联电压幅值和相角控制功能，能够快速控制交流线路有功功率或者无功功率，实现有功功率灵活控制，并能对其他直流或交流系统进行灵活供电，维持该直流或交流系统电压稳定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明提出的串联控制单元和基于该串联控制单元所提出的调节系统和控制方法的技术构思，加以等同替换或改变的方案，都应落入本发明的保护范围之内。