串补与换流器结合的统一潮流控制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，其第一换流器的一端与串联变压器的一侧绕组并联，另一端顺次连接第二换流器和并联变压器；串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接；电抗器单元与第一开关串联后与第一换流器并联；电容器单元与第二开关串联后与第一换流器并联。与现有技术相比，本实用新型提供的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，可由电抗器提供感性的固定偏移调节，也可由电容器提供容性的固定偏移调节。可以用于输电线路或者配电线路中，进行容性或者感性调节，提高线路输送容量，提高系统稳定水平，控制线路潮流，增强系统阻尼，降低成本。且电抗器单元和电容器单元布置在换流器侧，二者的绝缘水平相对降低。
【专利说明】
串补与换流器结合的统一潮流控制器
技术领域
[0001]本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种串补与换流器结合的统一潮流控制器。
【背景技术】
[0002]随着电力系统的大力发展，新能源的规模接入、网架结构日益复杂、潮流分布不均、电压支撑能力不足等问题给电网的安全稳定运行带来了新的挑战。部分地区出现了供电瓶颈，不能满足负荷发展需要。从电网实际情况来看，潮流分布不均是制约电网输送能力的重要因素。传统电网缺乏有效的潮流调节手段，通过采用新型FACTS (FlexibleAlternative Current Transmis System)装置来改善系统运行工况，提高电网输送容量是一个现实且理想的选择。
[0003]统一潮流控制器(UnifiedPower Flow Controller，UPFC)作为第3代FACTS设备的代表，是迄今为止功能最全面的FACTS装置，能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相和端电压调节等多种基本功能。UPFC既能在电力系统稳定方面实现潮流调节，合理控制有功功率、无功功率，提高线路的输送能力，实现优化运行;又能在动态方面，通过快速无功吞吐，动态支撑接入点的电压，提高系统电压稳定性;还可以改善系统阻尼，提高功角稳定性。
[0004]常规统一潮流控制器控制功能灵活而卓越，但其在电力系统中推广使用不具备容量和价格优势。传统电容器、电抗器可作为线路串联补偿，但灵活性和动作速度都不能满足精确调节的要求。统一潮流控制器需要更加灵活的功能配置，需要将串联补偿与统一潮流控制器结合起来。
【实用新型内容】
[0005]为了满足现有技术的需要，本实用新型提供了一种串补与换流器结合的统一潮流控制器。
[0006]本实用新型的技术方案是:
[0007]所述统一潮流控制器包括电抗器单元、电容器单元、第一换流器、第二换流器、第一开关、第二开关、第三开关、串联变压器和并联变压器；
[0008]所述第一换流器的一端与所述串联变压器的一侧绕组并联，另一端顺次连接所述第二换流器和并联变压器，该并联变压器的另一端接入母线或输电线路中；所述串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接，该绕组与所述第三开关并联；
[0009]所述电抗器单元与第一开关串联后与所述第一换流器并联，所述第一开关的另一端接入所述串联变压器；
[0010]所述电容器单元与第二开关串联后与所述第一换流器并联，所述第二开关的另一端接入所述串联变压器。
[0011 ]本实用新型提供的优选实施例为:
[0012]所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器组成的串联电容器组或者由多个电容器组成的并联电容器组;所述并联电容器组包括自动投切开关，所述自动投切开关用于并联电容器组中电容器的投入、退出，从而实现并联电容器组的容值调节。
[0013]本实用新型提供的优选实施例为:
[0014]所述第一开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中的任一种开关或并联的任两种开关;所述第一开关用于控制所述电抗器单元的投入和退出；
[0015]所述第二开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中的任一种开关或并联的任两种开关;所述第二开关用于控制所述电容器单元的投入和退出；
[0016]所述第三开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中的任一种开关或并联的任两种开关;所述第三开关用于控制所述串联变压器的投入和退出。
[0017]本实用新型提供的优选实施例为:
[0018]所述第一开关和第二开关包括所述电力电子开关时，所述电力电子开关包括晶闸管双向开关，该晶闸管双向开关包括反向并联的晶闸管；
[0019]所述第一开关的晶闸管双向开关，还用于通过改变其晶闸管的触发角，调整所述电抗器单元的等效阻抗。
[0020]本实用新型提供的优选实施例为:所述第一换流器和第二换流器均包括两电平换流器、三电平换流器、二极管钳位型换流器、飞跨电容型换流器、模块化多电平换流器和H桥级联型多电平换流器中的任一中或多种换流器。
[0021 ]与最接近的现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0022]1、本实用新型提供的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，可以用于输电线路或者配电线路中，进彳丁容性或者感性调节，提尚线路输送容量，提尚系统稳定水平，控制线路潮流，增强系统阻尼，解决了现有统一潮流控制器不能连续大范围快速调节的问题，降低了统一潮流控制器成本；
[0023]2、本实用新型提供的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，降低了电抗器和电容器的绝缘等级，提高动态响应性能；同时可以减少电压源换流器的容量。
[0024]3、本实用新型提供的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，电抗器单元可以通过自动投切开关实现电容容量的调节，电抗器单元并联的晶闸管双向开关可以连续调节电抗，从而实现对等效容抗的分级和连续调节，侧重于稳态控制;换流器可以提供连续快速的双向调节能力，侧重于动态控制。
【附图说明】
[0025]图1:本实用新型实施例中一种串补与换流器结合的统一潮流控制器结构示意图；
[0026]图2:本实用新型实施例中另一种串补与换流器结合的统一潮流控制器结构示意图；
[0027]图3:本实用新型实施例中再一种串补与换流器结合的统一潮流控制器结构示意图；
[0028]图4:本实用新型实施例中电抗器单元与电容器单元的连接示意图；
[0029]图5:本实用新型实施例中换流器的等效阻抗范围示意图；
[0030]图6:本实用新型实施例中一种串补与换流器结合的统一潮流控制器的补偿范围示意图；[0031 ] 其中，101:电抗器单元；102:电容器单元；103:第一换流器；104:串联变压器；105:
第二换流器;106:并联变压器。
【具体实施方式】
[0032]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0033]下面分别结合附图，对本实用新型实施例提供的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器进行说明。
[0034]图1为本实用新型实施例中一种串补与换流器结合的统一潮流控制器结构示意图，如图所示，本实施例中串补与换流器结合的统一潮流控制器包括:
[0035]电抗器单元101、电容器单元102、第一换流器103、串联变压器104、第二换流器105、并联变压器106、第一开关、第二开关和第三开关。其中，
[0036]第一换流器103的一端与串联变压104器的一侧绕组并联，另一端顺次连接第二换流器105和并联变压器106，该并联变压器106的另一端接入母线或输电线路中；串联变压器104的另一侧绕组与输电线路连接，该绕组与第三开关并联。
[0037]电抗器单元101与第一开关串联后与第一换流器103并联，第一开关的另一端接入串联变压器104。
[0038]电容器单元102与第二开关串联后与第一换流器103并联，第二开关的另一端接入串联变压器104。
[0039]本实用新型实施例中电容器单元102包括一个电容器或多个电容器组成的串联电容器组或者多个电容器组成的并联电容器组;并联电容器组包括自动投切开关，该自动投切开关用于并联电容器组中电容器的投入、退出，从而实现并联电容器组的容值调节。
[0040]本实用新型实施例中第一开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中的任一种开关或并联的任两种开关，该第一开关用于控制电抗器单元的投入和退出。当电力电子开关为晶闸管双向开关，其包括反向并联的晶闸管，闭合第二开关，以将电容器单元直接与第一换流器并联，断开第三开关，改变晶闸管双向开关中晶闸管的触发角，调整电抗器单元101的等效阻抗，从而对输电线路进行容性补偿或者感性补偿:
[0041]当改变晶闸管双向开关中晶闸管的触发角后，电抗器单元101的等效电抗小于电容器单元102的等效容抗，则统一潮流控制器工作在容性补偿模式，对输电线路进行容性补
Iz? O
[0042]当改变晶闸管双向开关中晶闸管的触发角后，电抗器单元101的等效电抗大于电容器单元102的等效容抗，则统一潮流控制器工作在感性补偿模式，对输电线路进行感性补m
Iz? O
[0043]通过对第一换流器和第二换流器的控制，在实现容性或感性补偿功能的同时，还可以控制串入阻抗精确调节线路的相位角。
[0044]本实用新型实施例中第二开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中的任一种开关或并联的任两种开关，该第二开关用于控制电容器单元的投入和退出。其中，并联的两种开关可以是断路器与隔离开关并联，断路器与电力电子开关并联，隔离开关与电力电子开关并联。
[0045]本实用新型实施例中第三开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中的任一种开关或并联的任两种开关;第三开关用于控制所述串联变压器的投入和退出。
[0046]本实施例中通过闭合第一开关，断开第二开关，断开第三开关，统一潮流控制器能够用于实现感性偏移补偿；闭合第二开关，断开第一开关，断开第三开关，统一潮流控制器能够用于实现容性偏移补偿;断开第一开关，断开第二开关，断开第三开关，统一潮流控制器能够用于实现无偏移的补偿。
[0047]本实用新型实施例中第一换流器103、第二换流器105军包括两电平换流器、三电平换流器、二极管钳位型换流器、飞跨电容型换流器、模块化多电平换流器和H桥级联型多电平换流器中的任一中或多种换流器。
[0048]图2为本实用新型实施例中优选的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器结构示意图，如图所示，本实施例中电抗器单元101包括一个电抗器L，电容器单元102包括一个电容器C，第一换流器103、第二换流器105为换流器VSC，串联变压器104为串联变压器Tse。电抗器L与第一开关串联后并联在第一换流器VSC两端，电容器C和第二开关串联后也并联在第一换流器VSC两端，第一开关和第二开关分别接入串联变压器Tse的一侧绕组中，串联变压器Tse的另一侧绕组连接于系统I和系统2之间的输电线路中，该绕组两端并联有第三开关。并联变压器106接入系统侧。
[0049]图3为本实用新型实施例中再一种串补与换流器结合的统一潮流控制器结构示意图，如图所示，本实施例中电抗器单元101包括一个电抗器L，电容器单元102包括一个电容器C，换流器103为换流器VSC，耦合变压器104为耦合变压器Tse。电抗器L与第一开关串联，电容器C并联在电抗器L与第一开关组成的支路两端，电抗器L、第一开关和电容器C组成的混联支路与换流器VSC串联后并联在耦合变压器Tse的一侧绕组两端，耦合变压器Tse的另一侧绕组连接于系统I和系统2之间的输电线路中，该绕组两端并联有第二开关。
[0050]图4为本实用新型实施例中优选的电抗器单元101与电容器单元102的连接示意图，如图所示，本实施例中电抗器单元101包括一个电抗器，电容器单元包括电容器和投切开关，第一开关为晶闸管双向开关。电抗器与晶闸管双向开关串联后再与电容器并联，避雷器MOV和机械开关S分别与电容器并联。其中，机械开关S用于在电抗器单元101或者电容器单元102发生故障时旁路电抗器单元101和电容器单元102。
[0051]图5为本实用新型实施例中第一换流器103的等效阻抗范围示意图，如图所示，本实施例中换流器103通过调节输出电压与流过输电线路的电流幅值、相角关系，可以得到换流器等效阻抗范围在以Zinv为半径的圆之内，电抗值范围为[_Χιην，+Χιην]，设定容性补偿为正向补偿。
[0052]图6为本实用新型实施例中串补与换流器结合的统一潮流控制器的补偿范围示意图，如图所示，该串补与换流器结合的统一潮流控制器包括容性补偿模式和感性补偿模式，可以实现不同阻抗的补偿。
[0053]本实用新型中统一潮流控制器包括固定容性偏移结构和固定感性偏移结构。其中，
[0054]1、固定容性偏移结构
[0055]本实施例中统一潮流控制器包括电容器单元、第一换流器、第二换流器、第二开关、第三开关、串联变压器和并联变压器；
[0056]第一换流器的一端与串联变压器的一侧绕组并联，另一端顺次连接第二换流器和并联变压器，该并联变压器的另一端接入母线或输电线路中；串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接，该绕组与第三开关并联；电容器单元与第二开关串联后与第一换流器并联，第二开关的另一端接入串联变压器。
[0057]2、固定感性偏移结构
[0058]本实施例中统一潮流控制器为包括电抗器单元、第一换流器、第二换流器、第一开关、第三开关、串联变压器和并联变压器；
[0059]第一换流器的一端与串联变压器的一侧绕组并联，另一端顺次连接第二换流器和并联变压器，该并联变压器的另一端接入母线或输电线路中；串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接，该绕组与第三开关并联；电抗器单元与第一开关串联后与第一换流器并联，第一开关的另一端接入串联变压器。
[0060]一、容性补偿模式
[0061]本实施例中设定电容器单元102的容抗为X。，第一换流器103的等效阻抗范围在以Zinv为半径的圆之内，且容性补偿为正向补偿，则容性补偿模式下串补与换流器结合的统一潮流控制器在装置侧的补偿范围为容抗X。与换流器阻抗Zinv的向量和。
[0062]本实施例中第一开关的晶闸管触发角可连续调节，还可以调节第一换流器103串入的阻抗，第一换流器103具有更快的响应速度，可用于增强系统阻尼，进一步提高系统的动态响应能力。通过投入不同的电容器容量，可以得到容抗X。，使得该串补与换流器结合的统一潮流控制器在分级调节的同时实现动态调节，具有更大的动态调节范围。
[0063]二、感性补偿模式
[0064]本实施例中设定电抗器的电抗为XL，第一换流器103的等效阻抗范围在以Zinv为半径的圆之内，且容性补偿为正向补偿，则感性补偿模式下串补与换流器结合的统一潮流控制器在装置侧的补偿范围为电抗Xl与换流器阻抗Zinv的向量和。
[0065]本实施例中若输电线路出线故障，为了降低输电线路的短路电流，减少避雷器吸收的能量，则控制第一开关中晶闸管全部导通，同时也可以快速调节第一换流器103串入的阻抗值，提高系统的动态响应能力。当实现容性补偿模式向感性补偿模式的动态调节时，串补与换流器结合的统一潮流控制器在装置侧的最大感性补偿为-XL-Zinv，最大容性补偿为Xc
+Zinv ο
[0066]下面对本实用新型实施例优选的串补与换流器结合的统一潮流控制器的工作过程进行说明:
[0067]1、串补与换流器结合的统一潮流控制器未接入系统
[0068]串补与换流器结合的统一潮流控制器接入系统之前，第二开关闭合，第一换流器103和第一开关的晶闸管双向开关闭锁，串补与换流器结合的统一潮流控制器处于旁路状态，不对系统的运行状态造成任何影响。
[0069]2、串补与换流器结合的统一潮流控制器接入系统
[0070]串补与换流器结合的统一潮流控制器根据上层调度指令和实际运行工况确定需要补偿的阻抗值。在长距离输电线路的电抗较大时，需要运行在容性补偿模式，补偿输电线路的电抗，降低传输损耗。当输电线路由于短路故障或者负载增加、并行线路跳闸等原因导致过载，需要运行在感性阻抗补偿模式，限制电流幅值。通过调节第一开关中晶闸管双向开关的晶闸管触发角，使得串补与换流器结合的统一潮流控制器工作在容性补偿模式或者感性补偿模式，同时根据系统阻尼调节的需要控制第一换流器103的运行，提高系统动态响应。
[0071]本实用新型实施例中串补与换流器结合的统一潮流控制器在系统故障或装置故障时的保护措施主要包括:
[0072]1、在系统侧发生故障时，例如线路发生单相接地故障或者线路过流时，为保护串补与换流器结合的统一潮流控制器，需要将第二开关闭合，退出第一换流器103的运行。
[0073]2、在第一换流器103内部发生故障时，需要将第一换流器103的开关器件触发脉冲闭锁，并将第二开关闭合，退出第一换流器103的运行，此时电抗器单元101和电容器单元102仍可以进行容性补偿或者感性补偿。
[0074]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。同时，本实用新型并未标注用于保护电容器、串联变压器、换流器及其开关装置的避雷器、间隙等设备，不表示装置设计制造和工程实际实施时，不存在这些设备。实际工程实施时，会有许多本实施例附图中并未标注的隔离刀闸、断路器、电流测量设备、电压测量设备，不表示工程实际实施时，不存在这些设备。
[0075]本实用新型实施例中串补与换流器结合的统一潮流控制器，可以用于输电线路或者配电线路中，进行容性或者感性调节，提高线路输送容量，提高系统稳定水平，控制线路潮流，增强系统阻尼，解决了现有统一潮流控制器不能连续大范围快速调节的问题，降低了统一潮流控制器成本。
[0076]本实用新型另一实施例如图3所示，电抗器单元、电容器单元和换流器单元并联连接后接入串联变压器的一侧。通过调节第一开关中晶闸管双向开关的晶闸管触发角，调节并入电抗器单元的电抗值，电容器组的自动投切可以调节并入电容器的容值，换流器单元可实现以Zinv为半径的阻抗圆。通过电抗器单元、电容器单元和换流器的等效阻抗调节可以控制注入到系统侧的阻抗，从而实现大范围阻抗的动态调节。
[0077]需要说明的是，与换流器串联接入电感和电容的情况不限于实施例所示的结构，任何通过增加或减少电感和电容来实现大范围串联补偿的情况，都属于本实用新型范围之内。统一潮流控制的并联侧可以连接到本线路的母线也可以连接到其他线路，都属于本实用新型范围之内。
[0078]显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，其特征在于，所述统一潮流控制器包括电抗器单元、电容器单元、第一换流器、第二换流器、第一开关、第二开关、第三开关、串联变压器和并联变压器； 所述第一换流器的一端与所述串联变压器的一侧绕组并联，另一端顺次连接所述第二换流器和并联变压器，该并联变压器的另一端接入母线或输电线路中；所述串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接，该绕组与所述第三开关并联； 所述电抗器单元与第一开关串联后与所述第一换流器并联，所述第一开关的另一端接入所述串联变压器； 所述电容器单元与第二开关串联后与所述第一换流器并联，所述第二开关的另一端接入所述串联变压器。2.如权利要求1所述的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，其特征在于， 所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器组成的串联电容器组或者由多个电容器组成的并联电容器组;所述并联电容器组包括自动投切开关，所述自动投切开关用于并联电容器组中电容器的投入、退出，从而实现并联电容器组的容值调节。3.如权利要求1所述的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，其特征在于， 所述第一开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中的任一种开关或并联的任两种开关;所述第一开关用于控制所述电抗器单元的投入和退出； 所述第二开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中的任一种开关或并联的任两种开关;所述第二开关用于控制所述电容器单元的投入和退出； 所述第三开关包括断路器、隔离开关和电力电子开关中的任一种开关或并联的任两种开关;所述第三开关用于控制所述串联变压器的投入和退出。4.如权利要求3所述的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，其特征在于， 所述第一开关和第二开关包括所述电力电子开关时，所述电力电子开关包括晶闸管双向开关，该晶闸管双向开关包括反向并联的晶闸管； 所述第一开关的晶闸管双向开关，还用于通过改变其晶闸管的触发角，调整所述电抗器单元的等效阻抗。5.如权利要求1所述的一种串补与换流器结合的统一潮流控制器，其特征在于，所述第一换流器和第二换流器均包括两电平换流器、三电平换流器、二极管钳位型换流器、飞跨电容型换流器、模块化多电平换流器和H桥级联型多电平换流器中的任一中或多种换流器。
【文档编号】H02J3/06GK205544288SQ201620173259
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】赵国亮, 陆振纲, 宋洁莹, 尉志勇, 蔡林海, 邓占锋
【申请人】全球能源互联网研究院, 国家电网公司