基于模塊化多電平換流器的限流式統一潮流控制器及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力電子和直流輸電領域，尤其涉及一種基于模塊化多電平換流器的限流式統一潮流控制器及方法。
技術背景
[0002]隨著柔性交流輸電系統的發展，大量的柔性裝置被廣泛應用于電力系統，統一潮流控制器(UPFC)是第三代FACTS裝置的代表，其功能強大，可為電網提供先進的控制手段，得到了廣泛關注。
[0003]而目前國內外有關UPFC的研究主要集中在工程應用，控制策略方面，其廣泛基于IGBT的兩電平拓撲、三電平拓撲。而兩電平和三電平拓撲結構諧波含量大，系統側需要加裝濾波裝置，成本高，占地面積大。同時UPFC主要功能是進行潮流調節，但是隨著電網規模的發展，線路短路故障時有發生，如果系統發生短路故障，只能通過關閉系統的方式來防止短路沖擊電流對裝置和系統的破壞。
[0004]而模塊化多電平換流器(MMC)采用模塊化設計，組裝方便，諧波含量低，同時將三相橋式固態限流器(FCL)巧妙的引入UPFC系統中，結合FCL的短路限流功能，石油、煤炭、天然氣等不可再生能源的供應緊缺，以及使用不可再生能源帶來的環境污染日益嚴重，世界各國對風能、太陽能等可再生清潔能源的開發和利用也越來越重視。可再生能源發電所占的比重也迅速提尚。
【發明內容】
[0005]本發明的目的旨在針對現有統一潮流控制器的不足，提供一種基于模塊化多電平換流器的限流式統一潮流控制器。
[0006]—種基于模塊化多電平換流器的限流式統一潮流控制器包括:并聯變壓器、高壓輸電線路、基于模塊化多電平換流器的并聯整流側、基于模塊化多電平換流器的串聯逆變偵叭串聯變壓器、三相橋式固態限流器；并聯變壓器的一端連接高壓輸電線路的一端，并聯變壓器的另一端通過線路與基于模塊化多電平換流器的并聯側相連，基于模塊化多電平換流器的并聯整流側與基于模塊化多電平換流器的串聯逆變側之間通過直流母線連接，基于模塊化多電平換流器的串聯逆變側、三相橋式固態限流器分別通過線路與串聯變壓器相連。
[0007]所述的基于模塊化多電平換流器的并聯整流側的子模塊由半H橋構成，子模塊的主要結構由絕緣柵雙極型晶體管構成，用于將三相交流電整流為直流電，并且穩定直流側的母線電壓。
[0008]所述的基于模塊化多電平換流器的串聯逆變側的子模塊由半H橋構成，子模塊的主要結構由絕緣柵雙極型晶體管構成，用于將直流電逆變為三相交流電，并且向系統輸出經過調節后的電壓。
[0009]所述的模塊化多電平換流器中的子模塊數量為N，N可以為任何有實際意義的正整數。
[0010]基于模塊化多電平換流器的限流式統一潮流控制器的控制方法是:三相交流電通過與高壓輸電線路相連的并聯變壓器傳輸至系統，通過所述的基于模塊化多電平換流器的并聯整流側的整流，將三相交流電整流為直流電，所述的基于模塊化多電平換流器的并聯整流側采用電壓-電流雙環PI控制，同時采用最近電平逼近的調制方法，直流電通過所述的基于模塊化多電平換流器的串聯逆變側逆變為三相交流電，所述的基于模塊化多電平換流器的串聯逆變側采用功率外環和電流內環的PI控制方法，三相交流電通過串聯變壓器被送回高壓輸電線路，從而完成對系統的電壓、相角和阻抗進行綜合補償的作用。
[0011]本發明的有益效果是，由于模塊化多電平換流器(MMC)的加入，使得UPFC的串并聯側均具有了模塊化設計的特點，因此經過系統調節后的電壓電流波形諧波含量很低。同時由于三相橋式固態限流器的加入，所以使UPFC具有了短路故障電流的限制能力，有效保護了 UPFC模塊不受短路電流的沖擊而損壞，有效解決了 UPFC在系統推廣應用中所面臨的短路電流問題，降低了系統的短路電流水平，為系統安全穩定運行提供了可靠保證。
【附圖說明】
[0012]圖1是基于模塊化多電平換流器的限流式統一潮流控制器的電路拓撲結構圖；
圖2是模塊化多電平換流器的電路拓撲結構圖；
圖3是三相橋式固態限流器電路拓撲結構圖；
圖4是穩態工作時模塊化多電平換流器串聯側出口 A相相電壓參考波形圖；
圖5a是暫態工作時輸入系統有功功率P和無功功率Q的設置情況；
圖5b是暫態工作時模塊化多電平換流器串聯側A相上、下橋臂電流響應參考波形圖； 圖6是短路故障時統一潮流控制器的三相電壓響應參考波形圖；
圖7是短路故障時三相固態橋式限流器模塊電感上的電流響應。
【具體實施方式】
[0013]以下結合說明書附圖對本發明作進一步說明。
[0014]如圖1所示，一種基于模塊化多電平換流器的限流式統一潮流控制器包括:并聯變壓器1、高壓輸電線路2、基于模塊化多電平換流器的并聯整流側3、基于模塊化多電平換流器的串聯逆變側4、串聯變壓器5、三相橋式固態限流器6 ;并聯變壓器I的一端連接高壓輸電線路2的一端，并聯變壓器I的另一端通過線路與基于模塊化多電平換流器的并聯側3相連，基于模塊化多電平換流器的并聯整流側3與基于模塊化多電平換流器的串聯逆變側
4之間通過直流母線連接，基于模塊化多電平換流器的串聯逆變側4、三相橋式固態限流器6分別通過線路與串聯變壓器5相連。
[0015]所述的基于模塊化多電平換流器的并聯整流側3的子模塊由半H橋構成，子模塊的主要結構由絕緣柵雙極型晶體管構成，用于將三相交流電整流為直流電，并且穩定直流側的母線電壓。
[0016]所述的基于模塊化多電平換流器的串聯逆變側4的子模塊由半H橋構成，子模塊的主要結構由絕緣柵雙極型晶體管構成，用于將直流電逆變為三相交流電，并且向系統輸出經過調節后的電壓。
[0017]如圖2所示，所述的模塊化多電平換流器包括2個IGBT、2個二極管和一個電容，2個二極管分別反并聯在2個IGBT的集電極和發射極之間，上IGBT的發射極和下IGBT的集電極相連，上IGBT的集電極和電容的正極相連，下IGBT的發射極和電容的負極相連，上IGBT的發射極和下IGBT的集電極作為兩個端口和外部相連。所述的模塊化多電平換流器中的子模塊數量為N，N可以為任何有實際意義的正整數。
[0018]所述的串聯變壓器串聯接在所述的高壓輸電線路中。
[0019]如圖3所示，所述的三相橋式固態限流器由8個晶閘管T1~T8組成，其中Tl，Τ3，Τ5構成三相Α，B，C的上橋臂，且其負極相連接，Τ2，Τ4，Τ6構成三相Α，B，C的下橋臂且其正極相連接，Τ7串接Τ8作為續流二極管，限流電感Zd并聯在Τ7、Τ8兩端，且Τ7的負極ad的正極和Tl，T3，T5的負極相連，T8的正極、Zd的負極和T2，T4，T6的正極相連。所述三相橋式固態限流器的輸出端和串聯變壓器相連。<