组合型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组合型统一潮流控制器，包括电抗器单元、电容器单元、第一换流器、第二换流器、串联变压器和并联变压器，其中电抗器单元、电容器单元两端均并联开关装置；电抗器单元、电容器单元和第一换流器串联后，与串联变压器的一侧绕组并联，串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接；第一换流器通过第二换流器与并联变压器连接，该并联变压器的另一端接入输电线路中。与现有技术相比，本实用新型提供的一种组合型统一潮流控制器，通过投入不同的电抗器容量或者电容器容量，可以得到不同的稳态运行工作点，使得该组合型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。
【专利说明】
组合型统一潮流控制器
技术领域
[0001]本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种组合型统一潮流控制器。
【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组合型统一潮流控制器。
[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、串联变压器和并联变压器；
[0008]所述电抗器单元、电容器单元和第一换流器串联后，与所述串联变压器的一侧绕组并联，所述串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接，所述的另一侧绕组上并联有第三开关装置；
[0009]所述第一换流器通过所述第二换流器与所述并联变压器连接，该并联变压器的另一端接入输电线路中；
[0010]所述电抗器单元包括一个电抗器或串联的多个电抗器，所述电抗器上并联有第一开关装置;所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器串联和并联形成电容器组，所述电容器上并联有第二开关装置。
[0011 ]本实用新型提供的进一步优选实施例为:
[0012]所述第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置采用机械开关或者电力电子开关;
[0013]所述电力电子开关包括反向并联的半控型电力电子器件，该半控型电力电子器件采用晶闸管;所述机械开关为隔离开关或者断路器。
[0014]本实用新型提供的进一步优选实施例为:
[0015]所述第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置采用机械开关或者电力电子开关;
[0016]所述电力电子开关包括反向并联的全控型电力电子器件，该全控型电力电子器件采用IGBT、GT0、IGCT和SIC中任一种;所述机械开关为隔离开关或者断路器。
[0017]本实用新型提供的进一步优选实施例为:
[0018]所述第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置包括并联的机械开关和电力电子开关；
[0019]所述电力电子开关包括反向并联的半控型电力电子器件，该半控型电力电子器件采用晶闸管;所述机械开关为隔离开关或者断路器。
[0020]本实用新型提供的进一步优选实施例为:
[0021]所述第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置包括并联的机械开关和电力电子开关；
[0022]所述电力电子开关包括反向并联的全控型电力电子器件，该全控型电力电子器件采用IGBT、GT0、IGCT和SIC中任一种;所述机械开关为隔离开关或者断路器。
[0023]本实用新型提供的进一步优选实施例为:
[0024]所述换流器包括两电平换流器、三电平换流器、模块化多电平换流器、H桥级联型换流器、二极管钳位型换流器和飞跨电容型换流器中至少一种换流器。
[0025]与最接近的现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0026]1、本实用新型提供的一种组合型统一潮流控制器，通过投入不同的电抗器容量或者电容器容量，可以得到不同的稳态运行工作点，实现容性或感性双向补偿，使得该组合型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；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，可以大幅提高或减小线路输送容量，阻尼线路功率或者电压振荡，降低装置成本。
[0027]2、本实用新型提供的一种组合型统一潮流控制器，可以减少电压源换流器的容量，降低电抗器和电容器的绝缘等级。通过第一开关装置和第二开关装置，可以分级调节输电线路的等效容抗，侧重于稳态控制;换流器可以提供连续快速双向的调节能力，侧重于动态控制。
【附图说明】
[0028]图1:本实用新型实施例中一种组合型统一潮流控制器结构示意图；
[0029]图2:本实用新型实施例中另一种组合型统一潮流控制器结构示意图
[0030]图3:本实用新型实施例中换流器的等效阻抗范围示意图；
[0031]图4:本实用新型实施例中容性补偿的等值电路图；
[0032]图5:本实用新型实施例中容性补偿的阻抗补偿域示意图；
[0033]图6:本实用新型实施例中容性补偿中装置侧补偿范围示意图；
[0034]图7:本实用新型实施例中感性补偿的等值电路图；
[0035]图8:本实用新型实施例中感性补偿的阻抗补偿域示意图；
[0036]图9:本实用新型实施例中感性补偿中装置侧补偿范围示意图；
[0037]图10:本实用新型实施例中动态补偿的等值电路图；
[0038]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】
[0039]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。
[0040]下面分别结合附图，对本实用新型实施例提供的一种组合型统一潮流控制器进行说明。
[0041]图1为本实用新型实施例提供的一种组合型统一潮流控制器结构示意图，如图所示，本实施例中组合型统一潮流控制器包括:
[0042]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。其中，
[0043]电抗器单元101、电容器单元102和换流器103串联后，与串联变压器104的一侧绕组并联，串联变压器104的另一侧绕组与输电线路连接，该另一侧绕组上并联有第三开关装置，第三开关装置用于投切串联变压器104。
[0044]第一换流器103通过第二换流器105与并联变压器106连接，该并联变压器106的另一端接入输电线路中。
[0045]电抗器单元101包括一个电抗器或串联的多个电抗器，该电抗器上并联有第一开关装置，第一开关装置用于投切电抗器。
[0046]电容器单元102包括一个电容器或串联的多个电容器，该电容器上并联有第二开关装置，第二开关装置用于投切电容器。
[0047]第一换流器103和第二换流器105均包括两电平换流器、三电平换流器、模块化多电平换流器、H桥级联型换流器、二极管钳位型换流器和飞跨电容型换流器中至少一种换流器。
[0048]本实用新型实施例中第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置均包括多种优选实施例，下面对各个优选实施例进行具体说明:
[0049]实施例一
[0050]本实施例中第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置采用机械开关或者电力电子开关。其中，电力电子开关包括反向并联的半控型电力电子器件，该半控型电力电子器件采用晶闸管;机械开关为隔离开关或者断路器。
[0051 ] 实施例二
[0052]本实施例中第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置采用机械开关或者电力电子开关。其中，电力电子开关包括反向并联的全控型电力电子器件，该全控型电力电子器件采用IGBT、GTO、IGCT和SIC中任一种;机械开关为隔离开关或者断路器。
[0053]实施例三
[0054]本实施例中第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置包括并联的机械开关和电力电子开关。其中，电力电子开关包括反向并联的半控型电力电子器件，该半控型电力电子器件采用晶闸管;机械开关为隔离开关或者断路器。
[0055]实施例四
[0056]本实施例中第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置包括并联的机械开关和电力电子开关。其中，电力电子开关包括反向并联的全控型电力电子器件，该全控型电力电子器件采用IGBT、GT0、IGCT和SIC中任一种;机械开关为隔离开关或者断路器。
[0057]图2为本实用新型实施例优选的一种组合型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，该电抗器L与第一开关装置并联；电容器单元102包括一个电容器C，该电容器C与第二开关装置并联;第一换流器103、第二换流器105均为换流器VSC;串联变压器单元104包括一个串联变压器Tse，该串联变压器Tse与第三开关装置并联，并联变压器单元105接入系统。其中，
[0058]本实施例中电抗器L、电容器C和换流器VSC串联后并联在串联变压器Tse的一侧绕组两端，串联变压器Tse的另一侧绕组连接于系统I和系统2之间的输电线路上。
[0059]图3为本实用新型实施例优选的第一换流器103的等效阻抗范围示意图，如图所示，本实施例中换流器单元103通过调节输出电压和流过输电线路中电流的幅值、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[_Xinv，+Xinv]，设定容性补偿为正向补偿、感性补偿为负向补偿，则如图3所示，容性补偿范围为[0，+Xinv]，感性补偿范围为[-Xinv，O ]。
[0060]图4为本实用新型实施例中组合型统一潮流控制器容性补偿时的等值电路图，如图所示，本实施例中设定串联变压器的变比为k:1，电容器的容抗为X。，则第一开关装置闭合，第二开关装置和第三开关装置断开时，统一潮流控制器工作于容性补偿模式。电容器单元102提供一个正向偏移的稳态运行工作点，换流器103提供动态工作范围；通过调整电容器单元102中电容器的电容值或者串并联数量，调节稳态运行工作点。
[0061]图5为本实用新型实施例中组合型统一潮流控制器在容性补偿时的换流器103阻抗补偿范围示意图，如图所示，本实施例中第一换流器103的等效阻抗范围在以Zinv为半径的圆之内，电抗值范围为[-Xirw，+Xinv ]。
[0062]图6为本实用新型实施例中组合型统一潮流控制器在容性补偿时装置侧的补偿范围示意图，如图所示该组合型统一潮流控制器在装置侧的补偿范围为以X。为圆心，Zinv为半径的阻抗圆。通过投入不同的电抗器容量，可以得到不同的稳态运行工作点，使得该组合型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]图7为本实用新型实施例中组合型统一潮流控制器感性补偿时的等值电路图，如图所示，本实施例中设定串联变压器的变比为k:1，电抗器的容抗为Xl，则第二开关装置闭合，第一开关装置和第三开关装置断开时，统一潮流控制器工作于感性补偿模式。电抗器单元101提供一个反向偏移的稳态运行工作点，换流器103提供动态工作范围；通过调整电抗器单元101中电抗器的电抗值或者串并联数量，调节稳态运行工作点。
[0064]图8为本实用新型实施例中组合型统一潮流控制器在感性补偿时的换流器103阻抗补偿范围示意图，如图所示，本实施例中换流器103的等效阻抗范围在以Zinv为半径的圆之内，电抗值范围为[-Xirw，+Xirw]。
[0065]图9为本实用新型实施例中组合型统一潮流控制器在感性补偿时装置侧的补偿范围示意图，如图所示，该组合型统一潮流控制器在装置侧的补偿范围为以i为圆心，Zinv为半径的阻抗圆。通过投入不同的电抗器容量，可以得到不同的稳态运行工作点，使得该组合型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。
[0066]图10为本实用新型实施例中组合型统一潮流控制器动态补偿时的等值电路图，如图所示，本实施例中当第一开关装置和第二开关装置闭合，第三开关装置断开时，统一潮流控制器工作于动态调节模式。第一换流器103提供动态工作范围；通过调整第一换流器103，连续调节稳态运行工作点处于容性工作区域或者处于感性工作区域。本实施例中组合型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Xe+Zinv。通过投入组合统一潮流控制器，可以实现从容性阻抗补偿到感性阻抗补偿的动态调节。
[0067]下面对本实用新型实施例中组合型统一潮流控制器的工作过程进行说明:
[0068]1、组合型统一潮流控制器未接入系统
[0069]组合型统一潮流控制器接入系统之前，第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置均处于闭合状态，整个组合型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。
[0070]2、组合型统一潮流控制器接入系统
[0071]组合型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阻抗较大时，需要运行在容性补偿模式，补偿输电线路的阻抗，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，限制电路幅值。在组合型统一潮流控制器用作提高系统阻尼，抑制系统振荡时，运行在动态补偿模式。
[0072]根据需要补偿的阻抗值，选取容性补偿模式、感性补偿模式和动态调节模式中稳态运行工作点最接近补偿阻抗的运行模式，尽量满足动态调节的要求。在不同的运行模式切换时，需要进行对应电抗器单元101、电容器单元102或者第一换流器103的投切时需要注意，在各单元投退时，开关装置在电流过零点处断开，避免出现过电压。在各单元投出时，开关装置在电压过零点投入，避免电流冲击，从而实现补偿模式的无冲击切换。
[0073]本实用新型实施例中组合型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:
[0074]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，为保护第一换流器103，需要将第二开关装置闭合，退出第一换流器103的运行。
[0075]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，并将第二开关装置闭合，退出第一换流器103的运行。
[0076]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。
[0077]本实用新型实施例中组合型统一潮流控制器通过投入不同的电抗器容量或者电容器容量，可以得到不同的稳态运行工作点，使得该组合型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。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，可以大幅提高或减小线路输送容量，阻尼线路功率或者电压振荡，降低装置成本。
[0078]需要说明的是，串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。
[0079]需要说明的是，串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。
[0080]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】
1.一种组合型统一潮流控制器，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、串联变压器和并联变压器； 所述电抗器单元、电容器单元和第一换流器串联后，与所述串联变压器的一侧绕组并联，所述串联变压器的另一侧绕组与输电线路连接，所述的另一侧绕组上并联有第三开关装置； 所述第一换流器通过所述第二换流器与所述并联变压器连接，该并联变压器的另一端接入输电线路中； 所述电抗器单元包括一个电抗器或串联的多个电抗器，所述电抗器上并联有第一开关装置;所述电容器单元包括一个电容器或者由多个电容器串联和并联形成电容器组，所述电容器上并联有第二开关装置。2.如权利要求1所述的一种组合型统一潮流控制器，其特征在于， 所述第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置采用机械开关或者电力电子开关；所述电力电子开关包括反向并联的半控型电力电子器件，该半控型电力电子器件采用晶闸管;所述机械开关为隔离开关或者断路器。3.如权利要求1所述的一种组合型统一潮流控制器，其特征在于， 所述第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置采用机械开关或者电力电子开关；所述电力电子开关包括反向并联的全控型电力电子器件，该全控型电力电子器件采用IGBT、GTO、IGCT和SIC中任一种;所述机械开关为隔离开关或者断路器。4.如权利要求1所述的一种组合型统一潮流控制器，其特征在于， 所述第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置包括并联的机械开关和电力电子开关; 所述电力电子开关包括反向并联的半控型电力电子器件，该半控型电力电子器件采用晶闸管;所述机械开关为隔离开关或者断路器。5.如权利要求1所述的一种组合型统一潮流控制器，其特征在于， 所述第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置包括并联的机械开关和电力电子开关; 所述电力电子开关包括反向并联的全控型电力电子器件，该全控型电力电子器件采用IGBT、GTO、IGCT和SIC中任一种;所述机械开关为隔离开关或者断路器。6.如权利要求1所述的一种组合型统一潮流控制器，其特征在于， 所述换流器包括两电平换流器、三电平换流器、模块化多电平换流器、H桥级联型换流器、二极管钳位型换流器和飞跨电容型换流器中至少一种换流器。
【文档编号】H02J3/18GK205544326SQ201620173236
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】陆振纲, 宋洁莹, 蔡林海, 尉志勇, 赵国亮, 邓占锋
【申请人】全球能源互联网研究院, 国家电网公司