柔性交流合环装置及系统的制作方法

1.本技术涉及交流输电技术领域，具体而言，涉及一种柔性交流合环装置及系统。


背景技术：

2.随着用户对电能质量、用电需求和供电可靠性等要求的不断提高，使用电力系统的合环运行方式来进行供电。
3.电力系统的合环运行方式是基于双路电源的供电方式，将线路、变压器或断路器连接构成的网络闭合运行方式，电网合环运行的好处是它们之间可以相互送电和变电，互相支援，互相调剂，互为备用；这样既可以提高电网或供电的可靠性，又可以保证重要负荷的用电。但是合环运行的条件较为苛刻，需要两路电源的电压幅值、相位基本一致，合环后才不会引起环网内各元件的过载；但是在实际系统中，受系统阻抗分布的影响，两路电源实际存在幅值和相角差，无法满足合环运行的条件，两路电源和负荷之间孤立运行，无法实现合环运行的优势。
4.现有技术中已有利用电力电子变流器实现柔性合环的方案，如采用ac-dc-ac的交直交变流器将两路电源的交流母线连接起来，背靠背的两个变流器中间有直流母线隔离，交流侧分别调节交流电压幅值和相位，可以实现柔性合环；还可以控制两路电源交流母线之间的潮流，当一路电源负载较重时，通过调节潮流实现两路电源之间的负荷均衡。但是这种方案的成本较高，需要整流和逆变两套变流器，而且在调节潮流时，这两套变流器都有全功率的电流流过，损耗较高。因此，现有技术中，并联型柔性合环方案性价比不高。
5.在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本技术提出一种柔性交流合环装置及系统。
7.根据本技术的第一方面，提出一种柔性交流合环装置，其特征在于，所述柔性交流合环装置包括三相换流链和多绕组变压器，所述三相换流链中任一个换流链包括n个交流端级联的全桥子模块和n个稳压单元，n为大于等于1的整数，所述三相换流链中任一个换流链的一端直接或经第一隔离变压器连接第一交流系统，另一端直接或经第二隔离变压器连接第二交流系统；其中：
8.所述全桥子模块中任一个包括桥式电路和直流电容，所述桥式电路的直流端和直流电容并联连接，所述桥式电路包括四组功率半导体器件，所述桥式电路的中点为对应全桥子模块的交流端；
9.所述稳压单元中任一个包括单相全桥电路或三相半桥电路，所述稳压单元中任一个的直流端与对应的全桥子模块的直流电容并联，交流端连接所述多绕组变压器的副边绕组。
10.根据一些实施例，各所述换流链还包括电抗器，所述电抗器与对应换流链的所述n
个全桥子模块串联。
11.根据一些实施例，所述第一隔离变压器和/或第二隔离变压器为三绕组变压器或双绕组变压器。
12.根据一些实施例，所述多绕组变压器的原边绕组连接第三交流系统；或者连接所述第一交流系统；或者连接所述第一隔离变压器的副边绕组；或者连接所述第一隔离变压器的第三绕组；或者连接所述第二交流系统；或者连接所述第二隔离变压器的副边绕组；或者连接所述第二隔离变压器的第三绕组。
13.根据一些实施例，其中：
14.所述多绕组变压器包括一个原边绕组，所述多绕组变压器的原边绕组经过第一交流开关，与所述第一交流系统连接，或者与所述第一隔离变压器的副边绕组连接，或者与所述第一隔离变压器的第三绕组连接；所述原边绕组还经过第二交流开关，与所述第二交流系统连接，或者与所述第二隔离变压器的副边绕组连接，或者与所述第二隔离变压器的第三绕组连接；或者
15.所述多绕组变压器包括第一原边绕组和第二原边绕组，所述第一原边绕组经过所述第一交流开关，与所述第一交流系统连接，或者与所述第一隔离变压器的副边绕组连接，或者与所述第一隔离变压器的第三绕组连接；所述第二原边绕组经过所述第二交流开关，与所述第二交流系统连接，或者与所述第二隔离变压器的副边绕组连接，或者与所述第二隔离变压器的第三绕组连接；
16.所述第一交流开关和所述第二交流开关不同时闭合。
17.根据一些实施例，所述柔性交流合环装置还包括第一多绕组变压器和第二多绕组变压器，其中：
18.所述第一多绕组变压器的原边绕组经过第一交流开关，与所述第一交流系统连接，或者与所述第一隔离变压器的副边绕组连接，或者与所述第一隔离变压器的第三绕组连接；
19.所述第二多绕组变压器的原边绕组经过第二交流开关，与所述第二交流系统连接，或者与所述第二隔离变压器的副边绕组连接，或者与所述第二隔离变压器的第三绕组连接。
20.根据一些实施例，m个所述稳压单元的交流端与所述第一多绕组变压器的副边绕组连接，n-m个所述稳压单元的交流端与所述第二多绕组变压器的副边绕组连接。
21.根据一些实施例，所述三相换流链中任一个换流链并联短路开关。
22.根据一些实施例，所述柔性交流合环装置包括i个多绕组变压器，i≥2，所述i个多绕组变压器包括3n个副边绕组，所述i个多绕组变压器中任一个多绕组变压器包括1个原边绕组。
23.根据一些实施例，还包括预充电单元，所述预充电单元包括并联连接的预充电开关和预充电电阻，所述预充电单元与所述多绕组变压器的原边绕组串联连接。
24.根据一些实施例，所述柔性交流合环装置需要接入的全桥子模块的数量：
25.[0026][0027]
其中，udc为所述全桥子模块的额定直流电压；u1为所述三相换流链一端的相电压有效值；u2为所述三相换流链另一端的相电压有效值；γ为u1和u2的相角差。
[0028]
根据一些实施例，所述n个全桥子模块中任一个全桥子模块的交流端并联旁路开关。
[0029]
根据一些实施例，所述n个全桥子模块中任一个全桥子模块的交流端并联双向固态开关，其中，所述双向固态开关包括功率半导体器件，允许流过双向电流，在子模块直流电容过压的情况下导通。
[0030]
根据一些实施例，还包括动态无功补偿单元，所述动态无功补偿单元连接所述第一交流系统，或者所述第一隔离变压器的副边绕组，或者所述第一隔离变压器的第三绕组；或者所述第二交流系统，或者所述第二隔离变压器副边绕组，或者所述第二隔离变压器的第三绕组；所述动态无功补偿单元用于向连接点注入无功功率。
[0031]
根据一些实施例，还包括切换开关单元，所述切换开关单元包括三相隔离开关和两个相间开关，其中：
[0032]
所述三相隔离开关串联在所述三相换流链和所述第一交流系统之间，或者串联在所述三相换流链和所述第二交流系统之间；
[0033]
所述两个相间开关连接在所述三相隔离开关与所述三相换流链的同一侧端口之间，所述两个相间开关跨接于不同相换流链之间。
[0034]
根据一些实施例，所述柔性交流合环装置包括并联连接的两组三相换流链，每组三相换流链均串联切换开关单元，两组切换开关单元布置在两组三相换流链的不同侧。
[0035]
根据本技术的第二方面，提出一种柔性交流合环系统，包括：第一交流系统，第二交流系统，如第一方面中任一项所述的柔性交流合环装置。
[0036]
根据一些实施例，还包括：第一隔离变压器和第二隔离变压器。
[0037]
本技术提出一种柔性交流合环装置，连接在两段交流母线之间，在实际系统中，两段电源之间虽然存在电压差和相角差，但是通常差值较小，换流链仅需承受两段交流电源之间的电压差，装置稳态运行时无需全容量接入，损耗很小。
[0038]
本技术提出的柔性交流合环装置，通过调节装置输出电压，改变实际施加在电抗器两端电压的幅值和相位，在电抗器上产生可调的电流，实现两段交流电源之间传输有功功率和无功功率的灵活调控。
[0039]
本技术提出的柔性交流合环装置，增加基于多绕组变压器和稳压单元的供能回路，多绕组变压器将交流电源通过原边接入，提供多种接入方式，以适应交流系统与装置之间不同的连接方式，副边连接子模块的稳压单元，为稳压单元提供稳定的隔离的交流电压源。稳压单元包括两电平或/和三电平结构的单相全桥、三相半桥电路，优选采用全控型功率器件，可实现四象限运行，子模块可以通过稳压单元获得双向有功功率支撑，也可以调节交流侧无功，为装置换流链实现有功功率和无功功率的灵活调控提供能量来源。
[0040]
本技术提出的柔性交流合环装置利用两段交流电源之间的电压差，接入容量显著降低，装置的成本和损耗均与并联型方案有显著优势。
[0041]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本
申请。
附图说明
[0042]
通过参照附图详细描述其示例实施例，本技术的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，而不是对本技术的限制。
[0043]
图1示出一示例性实施例的柔性交流合环装置整体拓扑图；
[0044]
图2示出一示例性实施例的换流链拓扑图；
[0045]
图3示出一示例性实施例的稳压单元示意图；
[0046]
图4a示出一示例性实施例的多绕组变压器接线示意图；
[0047]
图4b示出示例性多绕组变压器接线示意图的又一实施例；
[0048]
图4c示出示例性多绕组变压器接线示意图的又一实施例；
[0049]
图4d示出示例性多绕组变压器接线示意图的又一实施例；
[0050]
图5a示出示例性的柔性交流合环装置整体拓扑图的又一实施例；
[0051]
图5b示出示例性的柔性交流合环装置整体拓扑图的又一实施例；
[0052]
图6示出示例性的柔性交流合环装置整体拓扑图的又一实施例；
[0053]
图7示出一示例性实施例的预充电单元示意图；
[0054]
图8a示出一示例性实施例的柔性交流合环装置兼svg拓扑图；
[0055]
图8b示出示例性的柔性交流合环装置兼svg拓扑图的又一实施例。
具体实施方式
[0056]
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本技术将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
[0057]
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
[0058]
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
[0059]
本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0060]
本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本技术所必须的，因此不能用于限制本技术的保护范围。
[0061]
图1示出一示例性实施例的柔性交流合环装置整体拓扑图。
[0062]
根据示例实施例，柔性交流合环系统包括柔性交流合环装置、第一交流系统s1和第二交流系统s2。
[0063]
根据一些实施例，柔性交流合环系统还包括第一隔离变压器t1和第二隔离变压器t2。
[0064]
如图1所示，柔性交流合环装置包括三相换流链11、12、13；换流链1的一端s1a、s1b、s1c直接连接第一交流系统s1，或者换流链1的一端s1a、s1b、s1c经过第一隔离变压器t1连接第一交流系统s1；换流链的另一端s2a、s2b、s2c直接连接第二交流系统s2，或者换流链的另一端s2a、s2b、s2c经过第二隔离变压器t2。
[0065]
根据一些实施例，本技术提出的柔性交流合环装置连接在两段交流母线之间，在实际系统中，两段电源之间虽然存在电压差和相角差，但通常差值较小，换流链仅承受两段交流电源之间的电压差，柔性交流合环装置稳态运行时无需全容量接入，损耗很小
[0066]
图2示出一示例性实施例的换流链拓扑图。
[0067]
如图2所示，每相换流链包括n个全桥子模块2和n个稳压单元3，n≥1。其中：全桥子模块2的交流端级联，每个全桥子模块2包括四组功率半导体器件构成的桥式电路，和并联在桥式电路直流端的直流电容；桥式电路的中点作为全桥子模块2的交流端。
[0068]
根据示例实施例，柔性交流合环装置还包括多绕组变压器tm。
[0069]
根据一些实施例，全桥子模块2的直流电容并联稳压单元3，稳压单元3包括两电平结构的单相全桥电路或/和三电平结构的三相半桥电路；单相全桥电路或三相半桥电路的直流端并联在全桥子模块2直流电容的两端，单相全桥电路或三相半桥电路的交流端连接多绕组变压器tm的副边。图2中的稳压单元3为三相半桥电路的实施例，图3的稳压单元3为单相全桥电路的实施例。
[0070]
根据一些实施例，稳压单元包括两电平或/和三电平结构的单相全桥、三相半桥电路。优选采用全控型功率器件，可以实现四象限运行，子模块可以通过稳压单元获得双向有功功率支撑，也可以调节交流侧无功，为柔性交流合环装置换流链实现有功功率和无功功率的灵活调控提供能量来源。
[0071]
根据一些实施例，每相换流链还串联电抗器4；电抗器4可以布置在三相换流链的一端，或者分为两部分布置在换流链的两端。通过调节柔性交流合环装置输出电压，改变实际施加在电抗器4两端电压的幅值和相位，在电抗器4上产生可调的电流，实现两段交流电源之间传输有功功率和无功功率的灵活调控。
[0072]
根据一些实施例，第一隔离变压器t1和/或第二隔离变压器t2为三绕组变压器或双绕组变压器，第一、二隔离变压器的原边绕组定义为与交流系统s1或s2连接的绕组，副边绕组定义为与换流链1连接的绕组，当第一、二隔离变压器t1、t2为三绕组变压器时，增加的绕组定义为第三绕组。
[0073]
根据一些实施例，多绕组变压器tm的原边绕组连接方式包括：连接第三交流系统s3，如图4a所示；或者连接第一交流系统s1，如图4b所示；或者连接第一隔离变压器t1的副边绕组，如图4c所示；或者连接第一隔离变压器t1的第三绕组，如图4d所示；或者连接第二交流系统s2，如图4b；或者连接第二隔离变压器t2的副边绕组，如图4c所示；或者连接第二隔离变压器t2的第三绕组，如图4d所示。
[0074]
根据一些事实例，本技术增加了基于多绕组变压器tm和稳压单元3的供能回路，多绕组变压器tm将交流电源通过原边绕组接入，本技术提供多种接入方式，以适应交流系统与柔性交流合环装置之间不同的连接方式。
[0075]
多绕组变压器tm的副边连接子模块的稳压单元3，为稳压单元3提供稳定的隔离的交流电压源。
[0076]
根据一些实施例，多绕组变压器tm的数量为1，原边绕组的数量为1或2：
[0077]
原边绕组数量为1时，多绕组变压器tm的原边绕组经过第一交流开关k1与第一交流系统s1，或第一隔离变压器t1的副边绕组，或第一隔离变压器t1的第三绕组连接；同时该原边绕组经过第二交流开关k2与第二交流系统s2，或第二隔离变压器t2的副边绕组，或第二隔离变压器t2的第三绕组连接；如图5a所示。
[0078]
原边绕组数量为2时，多绕组变压器tm的第一原边绕组经过第一交流开关k1与第一交流系统s1，或第一隔离变压器t1的副边绕组，或第一隔离变压器t1的第三绕组连接；第二原边绕组经过第二交流开关k2与第二交流系统s2，或第二隔离变压器t2的副边绕组，或第二隔离变压器t2的第三绕组连接；如图5b所示。
[0079]
根据一些实施例，第一交流开关k1、第二交流开关k2不同时闭合。
[0080]
根据一些实施例，多绕组变压器tm数量为2，每个多绕组变压器包含1个原边绕组，如图6所示：
[0081]
第一多绕组变压器tm1的原边绕组经过第一交流开关k1与第一交流系统s1，或第一隔离变压器t1的副边绕组，或第一隔离变压器t1的第三绕组连接；
[0082]
第二多绕组变压器tm2的原边绕组经过第二交流开关k2与第二交流系统s2，或第二隔离变压器t2的副边绕组，或第二隔离变压器t2的第三绕组连接。
[0083]
三相换流链中一部分稳压单元的交流端与第一多绕组变压器tm1的副边绕组连接，另一部分稳压单元的交流端与第二多绕组变压器tm2的副边绕组连接；
[0084]
根据一些实施例，每相换流链还并联一个短路开关k3。
[0085]
根据一些实施例，多绕组变压器数量tm为i(i≥2)，每个多绕组变压器包含1个原边绕组，i个多绕组变压器tm共包含3*n个副边绕组。
[0086]
根据一些实施例，柔性交流合环装置还包括预充电单元，包括并联连接的预充电开关k4和预充电电阻r1，预充电单元连接在多绕组变压器tm原边绕组回路中，如图7所示；通过先断开预充电开关k4，电源通过预充电电阻r1接入，可以防止电源直接接入时，给多绕组变压器数量tm造成冲击。
[0087]
根据一些实施例，子模块数量n满足以下条件：
[0088][0089][0090]
其中，n为柔性交流合环装置需要接入的子模块数量，u
dc
为全桥子模块额定直流电压；u1为换流链一端的相电压有效值；u2为换流链另一端的相电压有效值；γ为u1和u2的相角差。
[0091]
本技术提供的串联型柔性交流合环装置利用两段交流电源之间的电压差，使得串联型柔性交流合环装置接入容量显著降低，装置的成本和损耗均与并联型方案有显著优势。
[0092]
根据一些实施例，全桥子模块交流端并联旁路开关；旁路开关具有可控开通和闭合的功能，还具有掉电自保持功能。
[0093]
根据一些实施例，全桥子模块交流端并联双向固态开关12；双向固态开关12包括功率半导体器件，允许流过双向电流，双向固态开关12在子模块直流电容过压的情况下导通。
[0094]
根据示例实施例，本实施例中双向固态开关12包括反并联的晶闸管，但是本技术不以此为限。
[0095]
以一实施例说明本技术的实现方案：
[0096]
本技术的柔性交流合环装置应用连接在第一、二交流系统s1、s2之间，电源线电压有效值均为220kv，隔离变压器t1、t2的变比为220kv/35kv，每相换流链两端相电压有效值为约等于20kv，假设电源两端夹角为30
°
，子模块额定直流电压为2.2kv，由此计算子模块数量。
[0097]
根据条件计算：
[0098]
得到n≥6.65；
[0099]
得到n≥12.86；
[0100]
由此可得柔性交流合环装置需要接入的子模块数量最小值为13，所需要的多绕组变压器tm的副边绕组总数量为13
×
3＝39个，可选择两个多绕组变压器tm1、tm2，分别带有18个，21个副边绕组；或选择1个多绕组变压器tm，带有39个副边绕组。
[0101]
本技术还提供一种双端无功补偿解耦的实施例。
[0102]
柔性交流合环装置还包括动态无功补偿单元，动态无功补偿单元连接第一交流系统s1，或第一隔离变压器t1副边绕组，或第一隔离变压器t1的第三绕组；或第二交流系统s2，或第二隔离变压器t2副边绕组，或第二隔离变压器t2的第三绕组。
[0103]
根据一些实施例，动态无功补偿单元可向连接点注入无功功率。
[0104]
根据一些实施例，动态无功补偿单元采用链式静止无功发生器(svg)，或采用静止无功补偿器(svc)，svg或svc采用星型或角型接法接入柔性交流合环装置。假设柔性交流合环装置s1a、s1b、s1c与s2a、s2b、s2c两端夹角为0
°
，端口s1a、s1b、s1c和s2a、s2b、s2c的相电压分别为u1和u2，端口s1a、s1b、s1c设定传输容性无功q1＝3*u1*ic(ic为流过换流链的电流有效值)，则端口s2a、s2b、s2c被迫传输q2＝3*u2*ic。通过动态无功补偿单元可补偿q2，实现端口s2a、s2b、s2c的无功独立解耦。
[0105]
本技术还提供一种柔性交流合环装置兼svg应用的实施例。
[0106]
图8a示出一示例性实施例的柔性交流合环装置兼svg拓扑图。
[0107]
如图8a所示，柔性交流合环装置还包括一组或两组切换开关单元5。每组切换开关
单元5包括两个相间开关k4和三相隔离开关k5，三相隔离开关k5串联在换流链1和第一交流系统s1或第二交流系统s2之间；相间开关k4连接在三相隔离开关k5的不同相靠近换流链1的同一侧端口之间。每组切换开关单元5包含两个相间开关k4，两个相间开关k4分别连接ab相和bc相。
[0108]
根据一些实施例，相间开关k4和三相隔离开关k5不能同时闭合。
[0109]
当k5闭合，k4分断时，柔性交流合环装置装置实现柔性交流合环功能；
[0110]
当k5分断，k4闭合时，柔性交流合环装置装置实现svg功能，更进一步的，通过多绕组变压器tm可以为svg提供有功支撑，起到构网换流器的作用。
[0111]
图8b示出示例性的柔性交流合环装置兼svg拓扑图的又一实施例。
[0112]
如图8b所示，柔性交流合环装置包括并联连接的两组三相换流链1，每组三相换流链1均串联一组切换开关单元5，切换开关单元5布置在两组三相换流链1的不同侧。
[0113]
根据一些实施例，柔性交流合环装置可以分别作为两个交流系统的svg；也可以作为两台柔性交流合环装置并联；也可以作为一台柔性交流合环装置加svg运行。
[0114]
应清楚地理解，本技术描述了如何形成和使用特定示例，但本技术不限于这些示例的任何细节。相反，基于本技术公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。
[0115]
此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本技术示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
[0116]
以上具体地示出和描述了本技术的示例性实施例。应可理解的是，本技术不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本技术意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。