一種統一潮流控制器拓撲及其配置、控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種統一潮流控制器拓撲及其配置、控制方法，該拓撲以模塊化多電平換流器作為電壓源換流單元，在并聯側MMC各橋臂中串入一定數量的全橋型子模塊，而串聯側MMC各橋臂仍采用半橋型子模塊；通過并聯側MMC中FBSM的優化配置，輔以串并聯側MMC協調控制策略，可以顯著提升UPFC三個方面的性能：首先是抑制串聯側MMC注入線路的諧波；其次是拓展并聯側MMC的功率控制能力；再次是提升并聯側MMC的電網高電壓適應性。
【專利說明】
-種統一潮流控制器拓撲及其配置、控制方法
技術領域
[0001] 本發明屬于高壓交流輸電領域，具體設及一種統一潮流控制器拓撲及其配置、控 制策略。
【背景技術】
[0002] 改革開放W來，我國經濟增長迅速，電力作為經濟增長的能源支撐，得到了快速發 展，電網架構由于電力的大規模高速增長變得越來越復雜，帶來的突出問題為:潮流分布不 均且調控困難，交流電網N-IW后部分線路存在過載失穩風險。
[0003] 靈活交流輸電技術（Flexible Alternative Current Transmission Systems, FACTS)是綜合電力電子技術、通信技術和控制技術而形成的交流輸電新技術，可W實現對 輸電系統的電壓、阻抗和相位角的靈活控制，從而大大提高電力系統的調控靈活性和運行 穩定性，并使得現有輸電線路的輸送能力大幅提高。
[0004] UPFC作為FACTS家族功能強大的成員之一，由于其擁有并聯補償和串聯補償的雙 重作用，運行方式非常靈活，具有良好的潮流控制能力，同時在交流系統振蕩抑制和阻尼補 償方面也具有得天獨厚的優勢，因此是FACTS發展的重要方向和應用重點。
[0005] UPFC的基本結構如圖1所示，其中圖中1、11分別是并聯換流器和串聯換流器，Tshunt 是并聯變壓器，Tseries是串聯變壓器，Vs、化分別是受端和送端網絡電源，Xs、Xr是兩端電抗。 UPFC還包含串聯側旁路晶閩管TBS、并聯側斷路器Kl、串聯側斷路器K2、串聯變壓一次側旁 路開關K3、串聯變二次側旁路開關K4等。
[0006] UPFC包括一個并聯側換流器I，一個或多個串聯側換流器II，各串聯側換流器II的 一端通過串聯變壓器Tseries接入不同的交流線路上，串聯變壓器Tseries在一二次側配有旁路 開關K3、K4,在二次側還配有旁路晶閩管TBS;串聯換流器II的另一端相并聯后與并聯換流 器I通過直流系統相連接。
[0007] 電壓源型換流器作為UPFC核屯、單元，在高壓容量場合，一般采用MMC結構，其主要 優勢在于:模塊化設計便于電壓和容量的提升，冗余容錯控制提高了系統可靠性，多電平結 構無需交流濾波器，因此極大提高了電壓源型換流器技術性能。
[000引考慮調制度對于MMC運行特性的限制因素，綜合分析UPFC應用時的運行工況，需要 解決MMC =個方面的控制問題:首先是潮流調節需求小，串聯側MMC輸出電平數較低時帶來 的諧波問題;其次是并聯側MMC由于最高直流電壓限制導致的功率調節范圍受限問題;再次 是交流電壓偏高時并聯側UPFC調制度飽和帶來的閉環失控問題。

【發明內容】

[0009] 本發明的目的是提供一種統一潮流控制器拓撲結構及其控制方法，用W解決串聯 側諧波問題。進一步還能夠解決并聯側運行范圍問題和并聯側交流高電壓適應能力的問 題。同時，本發明還提供了適應于該拓撲結構的配置方法。
[0010] 為實現上述目的，本發明的方案包括：
[0011] -種統一潮流控制器拓撲，包括一個并聯側換流器，一個或多個串聯側換流器;并 聯側換流器的一端通過并聯變壓器連接電網；各串聯側換流器的一端通過串聯變壓器接入 對應的交流線路上;各串聯換流器的另一端相并聯、與并聯換流器的另一端通過直流母線 連接;所述串聯側換流器與并聯側換流器均為MMC結構，并聯側換流器包括全橋子模塊和半 橋子模塊，串聯側換流器僅包括半橋子模塊。
[0012] 本發明還提供了一種統一潮流控制器拓撲的配置方法，首先根據諧波特性要求， 基于FFT分析確定串聯側換流器輸出電壓最小電平數，然后根據子模塊最低運行電壓確定 串聯側換流器最低輸出交流電壓值，根據該最低交流電壓值確定UPFC最低直流電壓運行 值，在最低直流電壓運行條件下，分析并聯側換流器功率拓展所需FBSM數、高電壓適應所需 FBSM數和二者兼顧時所需FBSM數，取S者最大值作為FBSM最終配置數量。
[0013] 本發明又提供了一種統一潮流控制器的控制方法，當串聯側換流器調制度小于最 小設定值時，并聯側換流器投入全橋子模塊，控制全橋子模塊輸出負電壓降低直流電壓，直 到串聯側換流器調制度大于最小設定值或者全橋子模塊數量耗盡；當串聯側換流器調制度 大于最大設定值時，并聯側換流器逐漸釋放全橋子模塊投入個數W抬升直流電壓，直到串 聯側換流器調制度小于最大設定值或者全橋子模塊數量全部釋放。
[0014] 當并聯側MMC由于功率控制范圍拓展導致并聯側換流器調制度大于1時，并聯側換 流器投入全橋子模塊進一步抬升并聯側換流器調制度，當并聯側換流器調制度小于1時，維 持全橋子模塊均壓控制最小投入數運行。
[001引基于FBSM輸出負電平的能力，結合控審巧法能夠顯著改善串聯側MMC低電壓下的 諧波特性。
[0016] 結合進一步的控制方案，還能夠拓展并聯側MMC的功率運行范圍、提升并聯側MMC 交流高電壓下的適應性，極大提高了 UPFC的技術性能，有利于產業推廣。
【附圖說明】
[0017] 圖1是UPFC基本結構圖；
[0018] 圖2是本發明實施例的并聯側MMC串入FBSM的UPFC新型拓撲結構；
[0019]圖3為HBSM的拓撲結構；
[0020] 圖4為FBSM的拓撲結構；
[0021] 圖5為FBSM數量配置流程圖；
[0022] 圖6為串聯偵齡M打皆波抑制流程圖；
[0023] 圖7為并聯側MMC功率運行范圍拓展+交流高電壓適應性提升流程圖；
[0024] 圖8是UPFC串并聯MMC協調控制流程圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0026] 參考圖1，本發明的UPFC的拓撲包括一個并聯側換流器，一個或多個串聯側換流 器;并聯側換流器的一端通過并聯變壓器連接電網；各串聯側換流器的一端通過串聯變壓 器接入對應的交流線路上;各串聯換流器的另一端相并聯、與并聯換流器的另一端通過直 流母線連接。
[0027] 并聯側換流器、串聯側換流器均采用MMC結構，即為并聯側MMC和串聯側MMC。現有 技術中，并聯側換流器、串聯側換流器均采用半橋子模塊皿SM。本實施例的拓撲結構中，并 聯側MMC配置一定數量的全橋子模塊FBSM;串聯側MMC全部為皿SM。
[0028] 如圖2所示，該拓撲并聯側MMC各橋臂包含m+n個子模塊(本實施例不考慮冗余的情 況），其中m表示FBSM的數量，n表示皿SM的數量，LO為橋臂電抗。
[0029] 半橋子模塊皿SM和全橋子模塊FBSM W全控型電力電子器件(如IGBT)為基礎構成， 其拓撲結構如圖3、圖4所示，其中T代表全控型電力電子開關器件，D代表開關器件反并聯二 極管，S代表旁路開關，C代表子模塊直流電容。
[0030] 下面具體說明適用于本實施例拓撲結構的配置和控制策略。
[0031 ]圖5給出了并聯側MMC中FBSM數量配置的流程:首先根據諧波特性要求，基于FFT分 析確定串聯側MMC輸出電壓最小電平數，然后根據子模塊最低運行電壓確定串聯側MMC最低 輸出交流電壓值，根據該最低交流電壓值確定UPFC最低直流電壓運行值，在最低直流電壓 運行條件下，分析并聯側MMC功率拓展所需FBSM數、高電壓適應所需FBSM數和二者兼顧時所 需FBSM數，取S者最大值，并考慮一定的冗余，作為FBSM最終配置數量。
[0032] 上述分析、計算等過程使用的現有技術中成熟的技術手段，故不再具體說明。
[0033] 串聯側MMC最低輸出交流相電壓峰值： 陣]
…；
[00對上式中：Nlev-min為串聯側匪C輸出最小電平數，化M-min為子模塊最低允許運行電壓 值。
[0036] 最低直流電壓運行值：
[0037]
齡
[003引上式中：mser-max為串聯側匪C調制度最大允許值，考慮皿SM-MMC的動態控制裕量， 一般取0.95。
[0039] 本實施例的統一潮流控制器拓撲的控制策略主要包括=個方面:抑制串聯側MMC 諧波，拓展并聯側MMC功率運行范圍，并聯側MMC交流高電壓適應能力提升。圖8給出了考慮 上述S個方面優先級時的UPFC串并聯側MMC協調控制策略，即首先抑制串聯側MMC諧波，其 次拓展并聯側MMC功率運行范圍，再次為提升并聯側MMC交流高電壓適應能力。通過上述協 調控制策略，可W改善串聯側MMC低電壓下的諧波特性、拓展并聯側MMC的功率運行范圍、提 升并聯側MMC交流高電壓下的適應性。
[0040] 下面對運=個方面進行分別介紹。
[0041 ] 圖6給出了串聯側MMC諧波抑制流程，包括:檢測串聯側MMC調制度，如果小于最小 設定值，在FBSM還未耗盡時，投入FBSM使其輸出負電平降低直流電壓，直至串聯側MMC調制 度回升到允許范圍或FBSM耗盡（即FBSM全部投入）。
[0042] 還包括:給并聯側匪C調制提供FBSM裕量，當檢測到串聯側匪C調制度大于最大設 定值時，逐步釋放FBSM(即FBSM退出），直流電壓回升。
[0043] 不考慮冗余和故障子模塊影響的情況下，串聯側MMC最小調制度為：
[0044]
(3)-
[0045] 圖7給出了并聯側MMC功率運行范圍拓展+交流高電壓適應性提升流程：當并聯側 MMC調制度大于1時，投入FBSMW進一步抬升并聯側MMC調制度，拓展并聯側MMC控制范圍，當 調制度小于1時，維持FBSM均壓控制最小投入數運行。
[0046] W上給出了本發明設及的【具體實施方式】，但本發明不局限于所描述的實施方式。 在本發明給出的思路下，采用對本領域技術人員而言容易想到的方式對上述實施例中的技 術手段進行變換、替換、修改，并且起到的作用與本發明中的相應技術手段基本相同、實現 的發明目的也基本相同，運樣形成的技術方案是對上述實施例進行微調形成的，運種技術 方案仍落入本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種統一潮流控制器拓撲，其特征在于，包括一個并聯側換流器，一個或多個串聯側 換流器;并聯側換流器的一端通過并聯變壓器連接電網；各串聯側換流器的一端通過串聯 變壓器接入對應的交流線路上;各串聯換流器的另一端相并聯、與并聯換流器的另一端通 過直流母線連接;所述串聯側換流器與并聯側換流器均為MMC結構，并聯側換流器包括全橋 子模塊和半橋子模塊，串聯側換流器僅包括半橋子模塊。2. 如權利要求1所述統一潮流控制器拓撲的配置方法，其特征在于，首先根據諧波特性 要求，基于FFT分析確定串聯側換流器輸出電壓最小電平數，然后根據子模塊最低運行電壓 確定串聯側換流器最低輸出交流電壓值，根據該最低交流電壓值確定UPFC最低直流電壓運 行值，在最低直流電壓運行條件下，分析并聯側換流器功率拓展所需FBSM數、高電壓適應所 需FBSM數和二者兼顧時所需FBSM數，取三者最大值作為FBSM最終配置數量。3. 如權利要求1所述統一潮流控制器的控制方法，其特征在于，當串聯側換流器調制度 小于最小設定值時，并聯側換流器投入全橋子模塊，控制全橋子模塊輸出負電壓降低直流 電壓，直到串聯側換流器調制度大于最小設定值或者全橋子模塊數量耗盡；當串聯側換流 器調制度大于最大設定值時，并聯側換流器逐漸釋放全橋子模塊投入個數以抬升直流電 壓，直到串聯側換流器調制度小于最大設定值或者全橋子模塊數量全部釋放。4. 如權利要求3所述的控制方法，其特征在于，當并聯側MMC由于功率控制范圍拓展導 致并聯側換流器調制度大于1時，并聯側換流器投入全橋子模塊進一步抬升并聯側換流器 調制度，當并聯側換流器調制度小于1時，維持全橋子模塊均壓控制最小投入數運行。
【文檔編號】H02J3/01GK106099909SQ201610371625
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】姚為正, 吳金龍, 董朝陽, 劉欣和, 馮宇鵬, 李道洋
【申請人】許繼電氣股份有限公司, 西安許繼電力電子技術有限公司, 許繼集團有限公司, 國家電網公司