配电系统中多换流器式统一电能质量调节装置

摘要

本发明提供一种配电系统中多换流器式统一电能质量调节装置，主要包括限流电感、变压器和连接电感；根据三相配电线路的负载为非线性整流或电阻型的不同情况，装置分别包括2个并联型电压源换流器、1个串联型电压源换流器；限流电感分别并联有固态开关，用于装置在不同运行模式间进行切换；本发明集故障限流器、动态电压恢复器和有源电力滤波器于一体，依靠串联换流器限制短路电流和补偿电压跌落，依靠并联换流器抑制电流谐波；本发明作为故障限流器运行时，不消耗有功功率，具备节能优点；既能满足不同负载对供电电压需求，又能有效防止非线性负载污染系统，在提高电能质量的同时，降低线路短路电流水平，为网络互联打下基础。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于连接多条配电线路并且综合调节各线路电能质量的电力装置，属于电力输配电装置领域。

背景技术

电能是当今社会不可缺少的重要能源，它使用最方便，适用范围最广泛。电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等基本技术问题，它关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工程保护，关系整个国民经济的总体效益和发展战略。在电力市场条件下，用户与供电企业都在追求自己的最大利益。用户会提出满足各自需要的不同质量的电能，出现用电的个性化。这样电力部门不仅要满足用户对电量不断增长的需求，还必须满足用户对电能质量的多样性要求。

统一电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner）作为动态电压调节器和有源电力滤波器的综合与发展，可以较好解决电能质量的诸多问题，具有较高的理论研究与实用价值。目前，统一电能质量调节器主要由两个换流器组成，并联换流器和串联换流器，共用一组直流电容。其中，并联换流器主要用于抑制电流谐波，串联换流器主要进行电压补偿，保持供电电压稳定。但是，电能质量发展到今天，研究范围已不仅仅局限于谐波补偿，短路电流限制也成为电能质量研究的一大课题。目前，故障限流器是抑制线路短路电流水平的常用装置，其拓扑结构千差万别，比如专利CN101609982A提出的并联谐振式故障限流，专利CN101707365A提出的三相故障限流器等。国外提出串联VSC串接限流电感作为故障限流器使用，效果也很好。在多条线路潮流控制方面，线间潮流控制器(IPFC)和通用型统一潮流控制器(GUPFC)已被深入研究，大多用于输电线路中，电压等级较高，并且不适宜进行电能质量调节。

多换流器式统一电能质量调节器采用三个或三个以上换流器结构，直流侧共用一组电容，能够根据系统需要选择换流器的类型和个数，配置灵活。将动态电压恢复，故障限流和有源滤波等功能融入到多换流器式统一电能质量调节器可以大大提高装置成本和运行效率。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种配电系统中多换流器式统一电能质量调节装置，具有故障限流，动态电压恢复，有源滤波等功能，能综合调节两条配电线路的电能质量。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种配电系统中多换流器式统一电能质量调节装置，所述配电系统包括N条三相配电线路，N为自然数且N≥2， 

1），当一条三相配电线路的负载为非线性整流负载且为敏感负荷时，所述电能质量调节装置包括第一电压源换流器、与第一电压源换流器相并联的第二电压源换流器、3个分别并联有固态开关的限流电感、3个变压器和6个连接电感；其中，所述第一电压源换流器的两端并联2个相互串联的电容；所述3个限流电感、3个变压器、6个连接电感分别平均设置在所述三相配电线路的每根相线上；

在每根相线中，所述限流电感的一端与电源侧连接，所述限流电感的另一端与变压器原边绕组的一端连接，所述变压器原边绕组的另一端分别与第一连接电感的一端、负载侧相连接；所述变压器副边绕组的一端与第二连接电感串接后，与第一电压源换流器的三相桥臂相连接；所述变压器副边绕组的另一端与所述2个相互串联的电容的连接中点连接；所述第一连接电感的另一端与第二电压源换流器的三相桥臂相连接；

2），当一条三相配电线路的负载仅为敏感负载时，所述电能质量调节装置包括1个串联型电压源换流器、3个分别并联有固态开关的限流电感、3个变压器、3个连接电感；

其中，所述电压源换流器的两端并联2个相互串联的电容；所述3个限流电感、3个变压器、3个连接电感分别平均设置在所述三相配电线路的每根相线上；

在每根母线中，所述限流电感的一端与电源侧连接，所述限流电感的另一端与变压器原边绕组的一端连接，所述变压器原边绕组的另一端与负载侧相连接；所述变压器副边绕组的一端与连接电感串接后，与电压源换流器的三相桥臂连接；所述变压器副边绕组的另一端与所述2个相互串联的电容的连接中点连接。 

进一步的，上述配电系统中多换流器式统一电能质量调节装置，其中电压源换流器采用全控型器件IGBT，且反并联二极管。

进一步的，上述配电系统中多换流器式统一电能质量调节装置，其中固态开关是GTO大功率可控器件。

本发明采用上述技术方案具有如下有益效果：

 （1）装置可以连接多条配电线路，对多条线路的电能质量进行综合控制。其中一类配电线路采用串联和并联换流器，另一类配电线路采用串联电压源换流器。串联电压源换流器可以进行故障限流与动态电压恢复，依靠固态开关进行模式切换。

（2）利用串联电压源换流器进行故障电流限制和动态电压恢复，利用固态开关使装置在限流模式、备用模式和动补模式间切换。运行于限流模式和备用模式时，固态开关打开，装置运行于动补模式时，固态开关闭合。均不消耗有功功率，只有无功输出。

在线路无短路故障发生时，装置运行于备用模式，检测到故障发生立即切换到限流模式，发生电压跌落或畸变时切换到动补模式，切换迅速准确；

（3）整合了动态电压恢复器、故障限流器和有源电力滤波器的功能于一体，一机多能，控制目标多样；

（4）短路故障发生时，换流器输出电压可以根据系统需要的短路电流水平进行调节，从而将短路电流值限制在某个范围。装置控制为故障限流器运行时，不消耗有功功率，具备节能的优点。

附图说明：

图1是本发明的电气示意图。

图2是本发明在电力系统中接线示意图。

图3是本发明应用在三相三线配电线路中的串联型换流器结构图。

图4是本发明应用在三相三线配电线路中的并联型换流器的结构图。

图5是本发明中的串联换流器工作原理图。

图6是本发明作为故障限流器使用时仿真图。

图7是本发明作为故障限流器使用时功率损耗仿真图。

 

具体实施方案:

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

参照图1和图3所示，电压源换流器采用全控型器件IGBT，且反并联二极管，直流侧储能装置采用两组电容器                                                和，电容器中点作为三组连接变压器的公共端。图3中的连接电感靠近系统侧省略了用于滤除开关频率附近谐波的高通滤波器。限流电感与固态开关并联，其中，固态开关用于装置在不同工作模式间切换。为了方便表示，图1将三相配电线路和换流器的三相桥臂用一根相线表示，串联型和并联型换流器的详细结构图参见图3和图4所示。

参照图2，系统通过两条配线线路向敏感负荷供电，其中线路1为非线性整流负载，系统电流谐波较为明显，线路2为电阻负载，仅为敏感负荷。三个电压源换流器根据负载情况按照图1方式配置，图2省略了与串联换流器相连的限流电感和固态开关。

结合图3和图5给出串联换流器作为动态电压调节器和故障限流器的功能实现方法。以换流器1为例，正常运行时，串联换流器作为故障限流器使用，有两种工作模式，即备用模式和限流模式，此时开关打开。备用模式是在线路未发生电压畸变与短路故障状态下的运行模式，限流模式是在线路发生短路故障时短暂的运行模式，而一旦发生动态电压跌落，固态开关立即闭合，装置切换到动补模式运行，补偿电压跌落与畸变。   

图4为并联型换流器的结构图，检测算法采用基于瞬时无功功率理论的检测算法，控制算法采用滞环电流跟踪控制。

如图5所示，装置作为故障限流器运行，串联VSC被调制成受控电压源。在备用模式下，串联VSC输出电压补偿上电压降落，即，此时，线路始端电压和终端电压相等，有，在串联VSC上未产生电压降落；在限流模式下，调制串联VSC输出电压与限流电感电压降落同相位，从而使VSC表现电感特性，减小故障电流。此时输出电压极限值，即极限电压环的大小受直流侧电容电压高低和器件耐压水平影响。系统可根据不同需要选择输出的幅值，但其相位应与限流电感电压相同。在控制过程中，仅有无功的流动，并无有功消耗，直流侧电压不会因为模式的切换而波动，因此直流侧可采用电容作为储能元件。同时，正常情况下，假设线路呈纯感性，当串联VSC工作于备用模式时，也不消耗有功功率，有节能的优点。

并联电压源换流器用于抑制非线性负荷向系统注入的电流谐波，直流侧电压采用PI控制，当串联侧需要补偿电压跌落的时候，直流侧电容电压为其提供有功功率支持，此时，电容电压降低，电容电压降低直接导致交流与直流侧功率不平衡，有功功率将从系统侧即交流侧流向直流电容侧。整体上看，也即当串联与并联换流器的有功功率不平衡时，将导致有功功率的流动，使交直流侧功率趋于平衡。

参照图6仿真波形，其中（a）是装置在备用模式和限流模式切换时，限流电感电压和换流器输出电压波形图，（b）是装置在备用模式和动补模式切换时，限流电感和换流器输出电压波形图。装置运行于备用模式时，开关处于打开状态，换流器输出电压与限流电感电压大小相等，相位相差，当检测到有故障发生时，装置迅速切换到限流模式，换流器输出电压相位与限流电感电压相位相同，幅值的选取需根据线路短路电流水平，如图（a）所示。备用模式下检测到电压跌落发生时，装置迅速切换到动补模式，开关迅速闭合，将限流电感短接，换流器输出电压补偿系统电压跌落，如图（b）所示。可以看出，装置模式切换迅速，控制准确。

参照图7仿真波形，装置作为故障限流器使用时，不消耗有功功率，只有无功输出，装置具有节能的优点。