專利名稱：一種統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)電能質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器。
背景技術(shù)：
統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UnifiedPower Quality Conditioner, UPQC)是一類能綜合解決電壓電流電能質(zhì)量問題的電能質(zhì)量控制器。UPQC包括并聯(lián)單元和串聯(lián)單元。其中，串聯(lián)單元用于解決電壓問題，具備DVR、DUPS功能；并聯(lián)單元用于解決電流問題，具備D-STATC0M、APF功能。目前國內(nèi)已有研制小容量實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的報(bào)道，但實(shí)際的工程應(yīng)用，特別是在中高壓、大容量供電領(lǐng)域的應(yīng)用仍存在一定距離。模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為基于IGBT等全控開關(guān)器件的電力電子裝置在中高壓、大功率場合的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。該技術(shù)在柔性直流輸電領(lǐng)域的應(yīng)用展示了該技術(shù)的優(yōu)勢:它與開關(guān)管串聯(lián)技術(shù)相比，更易實(shí)現(xiàn)在更高電壓等級和功率要求場合的應(yīng)用；模塊化設(shè)計(jì)可以方便地提高裝置冗余度，增加了裝置的運(yùn)行可靠性；模塊化的設(shè)計(jì)也利于標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)?；a(chǎn)，以便降低生產(chǎn)成本；多電平技術(shù)可以減小輸出電壓的諧波含量以及開關(guān)器件的開關(guān)頻率，進(jìn)而減少了開關(guān)損耗。同樣的，MMC技術(shù)也適用用UPQC裝置，為UPQC在中高壓、大容量的場合應(yīng)用提供了可能。傳統(tǒng)的MMC-UPQC的串并聯(lián)單元均采用單變換器結(jié)構(gòu)，兩變換器在公共直流側(cè)相連。電壓暫降補(bǔ)償能力是UPQC的一個重要指標(biāo)，出于提高裝置電壓暫降補(bǔ)償能力的考慮，公共直流側(cè)電壓取得很高(遠(yuǎn)大于并聯(lián)單元直掛所要求的電壓)。串、并聯(lián)單元共用直流側(cè)，兩部分的子模塊數(shù)目相等，由于并聯(lián)單元只輸出饋線電壓，所以并聯(lián)單元的子模塊數(shù)目遠(yuǎn)大于并聯(lián)工作所需的子模塊數(shù)，即并聯(lián) 單元存在較多子模塊一直冗余的情況，會造成裝置成本的浪費(fèi)問題。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，本發(fā)明提供一種統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，能有效解決子模塊冗余問題，其電壓暫降補(bǔ)償能力和工作穩(wěn)定性都較高。一種統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，包括串聯(lián)單元和并聯(lián)單元；所述串聯(lián)單元包括兩個串聯(lián)變換器和三個變壓器，所述并聯(lián)單元包括一個并聯(lián)變換器；兩個所述串聯(lián)變換器交流側(cè)的三個單相輸出端分別連接至三個所述變壓器的端子，其中兩個所述串聯(lián)變換器的同相輸出端接同一變壓器，所得的電壓通過三個所述變壓器耦合后串聯(lián)接入至三相饋線的每一條單相饋線上，兩個所述串聯(lián)變換器的直流側(cè)都分別連接至所述并聯(lián)變換器的直流側(cè)，所述并聯(lián)變換器交流側(cè)的三個單相輸出端分別連接至所述三相饋線上的每一條單相饋線上。上述統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其串聯(lián)單元采用了雙變換器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故串聯(lián)單元輸出則達(dá)到兩倍饋線電壓，提高了電壓暫降補(bǔ)償能力；并聯(lián)單元的并聯(lián)變換器采用單變換器結(jié)構(gòu)，串、并聯(lián)單元變換器通過公共直流側(cè)連接。直流側(cè)電壓可按并聯(lián)單元直掛的要求選擇，可在維持子模塊總數(shù)不變的條件下提高電壓暫降補(bǔ)償能力，同時充分利用并聯(lián)單元的所有子模塊，使并聯(lián)單元不存在子模塊冗余的問題。由于公共直流側(cè)電壓按并聯(lián)單元直掛選擇，故并聯(lián)單元不存在冗余的情況。


圖1為本發(fā)明統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器在一實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)不意圖。圖2為圖1中模塊化多電平變換器在一實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2中子模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。如圖1所示，是本發(fā)明統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器在一實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)示意圖，包括串聯(lián)單元11和并聯(lián)單元；所述串聯(lián)單元11包括兩個串聯(lián)變換器111和三個變壓器(Ta、Tb、T。)，所述并聯(lián)單元包括一個并聯(lián)變換器121 ；兩個所述串聯(lián)變換器(串聯(lián)變換器111和串聯(lián)變換器112)交流側(cè)的三個單相輸出端分別連接至三個所述變壓器(Ta、Tb、T。)的端子，其中兩個所述串聯(lián)變換器(串聯(lián)變換器111和串聯(lián)變換器112)的同相輸出端接同一變壓器，所得的電壓通過三個所述變壓器(Ta、Tb、Tc)耦合后串聯(lián)接入至三相饋線(Ua、Ub、U。)的每一條單相饋線上，兩個所述串聯(lián)變換器111的直流側(cè)都分別連接至所述并聯(lián)變換器的直流側(cè)，所述并聯(lián)變換器121交流側(cè)的三個單相輸出端分別連接至所述三相饋線(Ua、ub、U。)上的每一條單相饋線上；如圖1所示，本發(fā)明提供了一種新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC-UPQC，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC-UPQC由串聯(lián)單元11和并聯(lián)單元組成。串聯(lián)單元11包括兩個串聯(lián)變換器(串聯(lián)變換器111和串聯(lián)變換器112)和三個變壓器(Ta、Tb、T。)，并聯(lián)單元包括一個并聯(lián)變換器121。兩串聯(lián)變換器(串聯(lián)變換器111和串聯(lián)變換器112)控制瞬時值互為相反數(shù)值的電壓源，交流側(cè)輸出均為三相三線，兩串聯(lián)變換器(串聯(lián)變換器111和串聯(lián)變換器112)的三相輸出的同相輸出端分別連接到三個變壓器(Ta、Tb、T。)的變換器側(cè)端子，如圖1所示，串聯(lián)變換器111的A相輸出端和串聯(lián)變換器112的A相輸出端都連接至變壓器Ta的變換器側(cè)端子，同理，串聯(lián)變換器111的B相輸出端和串聯(lián)變換器112的B相輸出端都連接至變壓器Tb的變換器側(cè)端子，串聯(lián)變換器111的C相輸出端和串聯(lián)變換器112的C相輸出端都連接至變壓器T。的變換器側(cè)端子，通過這三個變壓器(Ta、Tb、T。)耦合后分別串聯(lián)接入到三相饋線(Ua、Ub、U。)上。并聯(lián)變換器121控制為電流源，其交流側(cè)輸出為三線三相，直接掛接在三個串聯(lián)單元11的單相耦合變壓器(Ta、Tb、Tc)串接后的三相饋線(Ua、Ub、U。)上。串、并聯(lián)單元的三個變換器均在公共直流側(cè)相連，該公共直流側(cè)電壓按并聯(lián)變換器121輸出達(dá)到直掛饋線的電壓來選擇。由于串聯(lián)單元11采用了雙變換器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故串聯(lián)單元11輸出則達(dá)到兩倍饋線電壓，提高了電壓暫降補(bǔ)償能力。由于公共直流側(cè)電壓按并聯(lián)單元直掛選擇，故并聯(lián)單元的子模塊不存在冗余的情況。例如將本實(shí) 施例中的MMC-UPQC應(yīng)用在10kV饋線，要求并聯(lián)單元直掛饋線，串并聯(lián)單元容量相同，電壓補(bǔ)償能力為可補(bǔ)償60%的電壓暫降，新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC-UPQC的公共直流側(cè)電壓按15kV選擇，并聯(lián)單元可輸出交流10kV，即并聯(lián)單元只需原有子模塊數(shù)目的2/3。由于新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC的三個變換器在公共直流側(cè)相連，故串聯(lián)單元的兩變換器均可采用與并聯(lián)單元的相同數(shù)目的子模塊，即為原有串聯(lián)單元子模塊數(shù)的2/3，兩串聯(lián)變換器111的輸出均可達(dá)到交流10kV。由于串聯(lián)單元11采用兩變換器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故串聯(lián)單元11的輸出能力為20kV。本例中，與基于現(xiàn)有技術(shù)的MMC-UPQC相比，新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC-UPQC在維持總子模塊數(shù)目不變的情況下，串聯(lián)單元的輸出能力提高了 1/3，并聯(lián)單元子模塊也不存在冗余的問題而與傳統(tǒng)的UPQC相比，傳統(tǒng)的UPQC直流側(cè)電壓需選擇在22kV。由于串、并聯(lián)變換器共用直流側(cè)，故并聯(lián)變換器也具備輸出交流15kV能力，但由于并聯(lián)單元直掛IOkV饋線上，故并聯(lián)變換器只工作在10kV，等效于約1/3的子模塊一直處于不投入的狀態(tài)，即存在冗余的現(xiàn)象。在一較佳實(shí)施例中，所述串聯(lián)變換器111和并聯(lián)變換器121都為模塊化多電平變換器。在一較佳實(shí)施例中，如圖2所示，為所述模塊化多電平變換器的結(jié)構(gòu)示意圖，所述模塊化多電平變換器為三相全橋逆變器結(jié)構(gòu)，其交流側(cè)每相(A、B、C)都包括兩個橋臂(如圖中的橋臂20和橋臂21)，每個所述橋臂20都包括一個橋臂電抗器201和I N個子模塊(如圖中的子模塊201和子模塊202 )，每相的兩個所述橋臂20中的兩個所述橋臂電抗器201串聯(lián)連接，每相的兩個所述橋臂電抗器201連接線上的中點(diǎn)為所述模塊化多電平變換器交流側(cè)每一相的輸出端(A、B、C)；如圖3所示，是子模塊202的結(jié)構(gòu)示意圖，每個所述橋臂20中的每個所述子模塊202包括第一絕緣柵雙極型晶體管Il和第二絕緣柵雙極型晶體管12，第一絕緣柵雙極型晶體管Il的集電極連 接第二絕緣柵雙極型晶體管12的發(fā)射極，兩個所述絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)連接后再并聯(lián)一個電容C，兩個絕緣柵雙極型晶體管都反并聯(lián)一個二極管(二極管Dl和二極管D2)；每個所述橋臂20中的所述橋臂電抗器201連接至第一子模塊202中第一絕緣柵雙極型晶體管Il的發(fā)射極，每個子模塊202中的第一絕緣柵雙極型晶體管Il的集電極依次與另一個子模塊202中的第一絕緣柵雙極型晶體管Il的發(fā)射極連接；如圖2所示，子模塊都通過其第一絕緣柵雙極型晶體管Il的集電極連接到下一個子模塊202中的第一絕緣柵雙極型晶體管Il的發(fā)射極，各個子模塊依次連接；所述模塊化多電平變換器交流側(cè)三相的同側(cè)橋臂中的第N子模塊中的第一絕緣柵雙極型晶體管的集電極都并聯(lián)連接后為所述模塊化多電平變換器的直流側(cè)端點(diǎn)(Ud。)。在一較佳實(shí)施例中，所述變壓器(1；、1；、1'。)為單相隔離變壓器。在一較佳實(shí)施例中，兩個所述串聯(lián)變換器111都還可各并聯(lián)連接一個雙向晶閘管，采用雙向晶閘管旁路能實(shí)現(xiàn)串聯(lián)單元冗余運(yùn)行?，F(xiàn)有技術(shù)中串聯(lián)單元采用單變換器結(jié)構(gòu)，當(dāng)串聯(lián)變換器損壞時，裝置需退出運(yùn)行；而本實(shí)施例的串聯(lián)單元采用雙變換器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在某個串聯(lián)變換器損壞時，可通過雙向晶閘管旁路實(shí)現(xiàn)串聯(lián)單元的冗余運(yùn)行，裝置可維持運(yùn)行。本發(fā)明統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其串聯(lián)單元采用了雙變換器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故串聯(lián)單元輸出則達(dá)到兩倍饋線電壓，提高了電壓暫降補(bǔ)償能力；并聯(lián)變換器采用單變換器結(jié)構(gòu)，串、并聯(lián)單元變換器通過公共直流側(cè)連接。直流側(cè)電壓可按并聯(lián)單元直掛的要求選擇，可在維持子模塊總數(shù)不變的條件下提高電壓暫降補(bǔ)償能力，同時充分利用并聯(lián)單元的所有子模塊，使并聯(lián)單元不存在子模塊冗余的問題。由于公共直流側(cè)電壓按并聯(lián)單元直掛選擇，故并聯(lián)單元的子模塊不存在冗余的情況。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明 專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，包括串聯(lián)單元和并聯(lián)單元；所述串聯(lián)單元包括兩個串聯(lián)變換器和三個變壓器，所述并聯(lián)單元包括一個并聯(lián)變換器； 兩個所述串聯(lián)變換器交流側(cè)的三個單相輸出端分別連接至三個所述變壓器的端子，其中兩個所述串聯(lián)變換器的同相輸出端接同一變壓器，所得的電壓通過三個所述變壓器耦合后串聯(lián)接入至三相饋線的每一條單相饋線上，兩個所述串聯(lián)變換器的直流側(cè)都分別連接至所述并聯(lián)變換器的直流側(cè)，所述并聯(lián)變換器交流側(cè)的三個單相輸出端分別連接至所述三相饋線上的每一條單相饋線上。
2.根 據(jù)權(quán)利要求1所述的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，所述串聯(lián)變換器和并聯(lián)變換器都為模塊化多電平變換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，所述模塊化多電平變換器為三相全橋逆變器結(jié)構(gòu)，其交流側(cè)每相都包括兩個橋臂，每個所述橋臂都包括一個橋臂電抗器和I N個子模塊，每相的兩個所述橋臂中的兩個所述橋臂電抗器串聯(lián)連接，每相的兩個所述橋臂電抗器連接線上的中點(diǎn)為所述模塊化多電平變換器交流側(cè)每一相的輸出端; 每個所述橋臂中的每個所述子模塊包括第一絕緣柵雙極型晶體管和第二絕緣柵雙極型晶體管，第一絕緣柵雙極型晶體管的集電極連接第二絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極，兩個所述絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)連接后再并聯(lián)一個電容，兩個絕緣柵雙極型晶體管都反并聯(lián)一個二極管； 每個所述橋臂中的所述橋臂電抗器連接至第一子模塊中第一絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極，每個子模塊中的第一絕緣柵雙極型晶體管的集電極依次與另一個子模塊中的第一絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極連接； 所述模塊化多電平變換器交流側(cè)三相的同側(cè)橋臂中的第N子模塊中的第一絕緣柵雙極型晶體管的集電極都并聯(lián)連接后為所述模塊化多電平變換器的公共直流側(cè)端點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，所述變壓器為單相隔離變壓器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，兩個所述串聯(lián)變換器都還各并聯(lián)連接一個雙向晶閘管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，包括串聯(lián)單元和并聯(lián)單元；所述串聯(lián)單元包括兩個串聯(lián)變換器和三個變壓器，所述并聯(lián)單元包括一個并聯(lián)變換器；兩個所述串聯(lián)變換器交流側(cè)的三個單相輸出端分別連接至三個所述變壓器的端子，其中兩個所述串聯(lián)變換器的同相輸出端接同一變壓器，所得的電壓通過三個所述變壓器耦合后串聯(lián)接入至三相饋線的每一條單相饋線上，兩個所述串聯(lián)變換器的直流側(cè)都分別連接至所述并聯(lián)變換器的直流側(cè)，所述并聯(lián)變換器交流側(cè)的三個單相輸出端分別連接至所述三相饋線上的每一條單相饋線。本發(fā)明能有效解決子模塊冗余問題，其電壓暫降補(bǔ)償能力和工作穩(wěn)定性都較高。
文檔編號H02J3/00GK103236693SQ20131014914
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者王浩, 盛超, 徐柏榆, 馬明, 劉正富, 張俊峰, 楊汾艷, 王奕, 曾杰, 孫聞, 陳曉科, 劉進(jìn)軍 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院, 西安交通大學(xué)