一种mmc型中压供电质量综合提升系统
阅读说明：本技术 一种mmc型中压供电质量综合提升系统 (MMC type medium voltage power supply quality comprehensive improving system ) 是由 沈煜 胡伟 张港华 文劲宇 杨帆 雷杨 韩鸣宇 肖遥遥 左文平 周猛 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种MMC型中压供电质量综合提升系统,包括交流电网接入端、负载接入端、输入开关、输出开关、旁路开关、移相变压器、m个三相整流器、m个储能装置、MMC换流器。输入开关连接至交流电网接入端和移相变压器高压侧的初级三相绕组之间,移相变压器低压侧的m个次级三相绕组输出端分别与m个三相整流器的交流输入端一一对应相连；m个三相整流器的直流输出端通过级联的方式进行连接,并连接至MMC换流器的直流端正极和负极,m个三相整流器的直流端还分别与m个储能装置端口对应并联连接。本发明能保证大容量用户高可靠供电的同时极大减少移相变压器次级绕组、三相整流器和储能装置的数目,节省系统体积和成本。(The invention provides an MMC type medium-voltage power supply quality comprehensive improvement system which comprises an alternating current power grid access end, a load access end, an input switch, an output switch, a bypass switch, a phase-shifting transformer, m three-phase rectifiers, m energy storage devices and an MMC current converter. The input switch is connected between the AC power grid access end and the primary three-phase winding of the high-voltage side of the phase-shifting transformer, and the m secondary three-phase winding output ends of the low-voltage side of the phase-shifting transformer are respectively connected with the AC input ends of the m three-phase rectifiers in a one-to-one correspondence manner; the direct current output ends of the m three-phase rectifiers are connected in a cascading mode and are connected to the positive pole and the negative pole of the direct current end of the MMC converter, and the direct current ends of the m three-phase rectifiers are further connected with the ports of the m energy storage devices in parallel correspondingly. The invention can ensure high-capacity user high-reliability power supply, greatly reduce the number of secondary windings, three-phase rectifiers and energy storage devices of the phase-shifting transformer, and save the system volume and the cost.)
技术领域
本发明涉及电力系统输配电技术领域，具体是一种MMC型中压供电质量综合提升系统。
背景技术
在全球工业自动化生产的大趋势下，电力系统日益增长的负荷与其运行的高电能质量要求促进了大功率供电质量综合提升系统的快速发展。传统大功率供电质量综合提升系统在电网输入端常采用六脉波整流方式，给电网侧带来了电力谐波污染问题，而采用移相变压器的多重脉波整流则能够有效解决这一问题，其中，含移相变压器的级联H桥型中压UPS系统以其网侧谐波小、模块化程度高、系统容量大、良好冗余特性等优点被广泛关注。
含移相变压器的级联H桥型中压UPS拓扑主要由输入输出开关、旁路开关、移相变压器、三相整流器、储能装置、三相级联H桥组成，移相变压器的每个次级绕组经三相整流后构成级联H桥每个子模块的直流电压输入，通过各个子模块级联的方式构成一个相单元，输出三相负载电压。该中压UPS每相交流输出无需升压变压器即能将电压等级提升至中压，有效提升单个模块容量，避免多机并联带来的均流均压问题，适用于中压大容量的应用场景。但该三相级联H桥中每个子模块的直流电压输入均需一个移相变压器的次级绕组、一个三相整流器和一个储能装置，不仅造成移相变压器次级绕组、三相整流器和储能装置数目繁多，体积较大，成本高，系统控制复杂。而且为实现负载端输出电压谐波尽可能少，级联H桥子模块的数量需显著提升，即相应地显著提升了移相变压器次级绕组、三相整流器和储能装置数目，使得上述缺点愈加凸显。特别地，这也对移相变压器次级绕组的制作工艺要求增高，对电能质量要求高的重要用户使用愈加受限。
现有中压UPS系统在系统电压输出特性、模块利用效率、经济性等方面均存在一定的矛盾问题，且随着重要用户负荷容量的日益增加和电能质量的要求增高，含移相变压器的级联H桥型中压UPS的生产成本显著增加地同时，性能提升效果不明显。为解决大容量重要用户安全可靠供电问题的同时兼顾经济效益，对供电质量综合提升系统提出了越来越高的挑战。
发明内容
为解决现有供电质量综合提升系统存在的技术问题，本发明提供了一种MMC型中压供电质量综合提升系统，所述中压供电质量综合提升系统采用了将移相变压器的每个次级绕组所接的三相整流器的直流端通过级联的方式进行连接以提升直流端电压等级后，再将所述直流端电压经MMC换流器输出稳定的负载端三相交流电压；通过对拓扑结构的设计，能够保证大容量用户高可靠供电的同时极大减少了移相变压器次级绕组、三相整流器和储能装置的数目，节省了系统体积和成本，模块化程度更高，提高了系统可靠性，且本发明可根据重要用户电能质量需求独立设计MMC换流器，可扩展性强。
本发明实现上述功能的技术方案如下：
一种MMC型中压供电质量综合提升系统，包括交流电网接入端、负载接入端、输入开关、输出开关、旁路开关、移相变压器、m个三相整流器、m个储能装置、MMC换流器，其中，
所述输入开关的第一端口连接至交流电网接入端，所述输入开关的第二端口连接至移相变压器高压侧的初级三相绕组；
所述移相变压器低压侧包含m个次级三相绕组，所述移相变压器低压侧的m个次级三相绕组输出端分别与m个三相整流器的交流输入端一一对应相连；
m个所述三相整流器的直流输出端通过级联的方式进行连接以提升直流端电压等级，并连接至MMC换流器的直流端正极和负极；
m个所述三相整流器的直流输出端正极还分别与m个储能装置的正极一一对应连接，m个所述三相整流器的直流输出端负极还分别与m个储能装置的负极一一对应连接；
所述MMC换流器的交流端连接至输出开关的第一端口，所述输出开关的第二端口连接至负载接入端；
所述旁路开关的第一端口连接至交流电网接入端，所述旁路开关的第二端口连接至负载接入端。
进一步的，m个所述三相整流器的直流输出端通过级联的方式进行连接以提升直流端电压等级，并连接至MMC换流器的直流端正极和负极，具体为：
三相整流器的直流输出端正极与MMC换流器直流端正极相连，三相整流器的直流输出端负极与三相整流器的直流输出端正极相连，按照上述接法，其余三相整流器依次相连，直至三相整流器m-1的直流输出端负极与三相整流器m的直流输出端正极相连，三相整流器m的直流输出端负极与MMC换流器直流端负极相连。
进一步的，所述移相变压器高压侧的初级三相绕组为星形接法或者三角形接法；所述移相变压器低压侧包含m个次级三相绕组，m个所述次级三相绕组采用延边三角形移相的延联结方式，所述延联结方式包括顺延联结方式和逆延联结方式，可实现次级绕组线电压比初级绕组线电压超前或滞后0°至30°区间内任意一个角度，所述次级三相绕组的数目根据MMC换流器直流端电压等级、移相变压器的移相脉波数要求和移相变压器的次级三相绕组制作工艺可行性进行选取。
进一步的，所述三相整流器的拓扑为桥式电路结构、或者是零式电路结构，按照组成的半导体开关器件，m个所述三相整流器为三相不控整流器、三相半控整流器以及三相全控整流器中的一种或其组合。
进一步的，所述储能装置由DC-DC变换器和储能电池组成，储能装置端口包含储能装置的输出端正极和储能装置的输出端负极，所述储能装置的输出端正极即为DC-DC变换器的高压端正极，所述储能装置的输出端负极即为DC-DC变换器的高压端负极，所述DC-DC变换器的低压端正极与储能电池的正极相连，所述DC-DC变换器的低压端负极与储能电池的负极相连。
进一步的，所述DC-DC变换器采用非隔离型DC-DC变换器，或者是隔离型DC-DC变换器，其中，所述非隔离型DC-DC变换器为Buck/Boost、Cuk、或Zeta拓扑；所述隔离型DC-DC变换器中隔离变压器两端的变换器为半桥式、全桥式、或混合式拓扑。
进一步的，所述储能电池采用多个储能电池单元串联、或者是并联、或者是其串联和并联的组合变换形式，所述储能电池的容量根据压电能质量综合提升系统的容量和储能装置的数量进行选取，并留有一定余量。
进一步的，所述MMC换流器由六个桥臂组成，桥臂端口包含MMC换流器直流端正极、MMC换流器直流端负极、MMC换流器A相交流端口、MMC换流器B相交流端口和MMC换流器C相交流端口，所述MMC换流器的六个桥臂均由N个级联的子模块和一个串联电抗组成，所述子模块为半桥子模块、或者为自阻子模块、或者为全桥子模块、或者为钳位双子模块，或者为上述多种类型子模块的混合形式。
进一步的，所述输入开关、输出开关和旁路开关是三相开关，所述三相开关是三相联动开关或者是分相操作开关，所述三相开关是断路器或者是接触器。
进一步的，所述旁路开关的第一端口连接至第一交流电网接入端，或者是连接至第二交流电网接入端，所述旁路开关的第二端口连接至负载接入端，其中，所述第一交流电网接入端即为所述输入开关的第一端口所接的交流电网接入端，所述第二交流电网接入端是另一路三相供电电源。
总体而言，与现有技术方案相比，本发明设计的以上内容能够取得如下有益效果：
1、本发明MMC型中压供电质量综合提升系统通过拓扑结构的设计，即移相变压器中每个次级绕组所接的三相整流器的直流端通过级联的方式提升直流电压等级后连接至MMC换流器的直流端正极和负极，且每个三相整流器的直流端还分别对应与一个储能装置并联连接，并采用了MMC换流器将上述级联的直流电压输出为稳定可靠的负载三相交流电压。相比现有技术的含移相变压器的级联H桥型中压UPS，在移相变压器实现相同的脉波多重化整流方式下，移相变压器的次级绕组、三相整流器和储能装置的数目减少了两倍，极大节省了系统体积和生产成本，模块化程度更高，提高了系统可靠性；
2、本发明MMC型中压供电质量综合提升系统通过拓扑结构如1)所述的改进，不存在现有技术中级联H桥子模块数目与移相变压器的次级绕组数相等的强关联现象，解决了上述现象带来的级联输出负载电压波形阶梯数目受移相变压器的次级绕组数目限制的问题。为保证实现本发明中所需的MMC换流器直流端电压，本发明可根据次级绕组数目对单个三相整流器输出电压进行独立设计，且为满足重要用户对电能质量的特殊需求本发明能够独立设计MMC换流器中每个桥臂子模块的数目，有效减少用户负载端输出电压谐波，能够输出更高电能质量要求的负载电压；
3、本发明MMC型中压供电质量综合提升系统所需的储能装置与移相变压器的次级绕组数相等，储能装置的数量较少，优化了储能装置的管理，系统损耗较少，且储能控制策略简化效果显著；
4、本发明MMC型中压供电质量综合提升系统的单机容量和电压等级需求可根据MMC换流器、三相整流器的容量及其级联的MMC换流器直流端电压和进行独立设计，系统可扩展性强，且通过上述1)、2)和3)中的优势可知本发明系统的拓扑对单机容量增大和负载端输出电压电能质量提升的限制条件更少。
附图说明
图1是现有技术中的一种含移相变压器的级联H桥型中压UPS拓扑示意图；
图2是现有技术中的一种基于移相变压器的级联型中压UPS拓扑中的功率单元结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统中移相变压器的初级绕组为星形接法的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统中三相整流器为不控整流方式的简要示意图；
图6是本发明实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统中储能装置的结构示意图；
图7是半桥子模块拓扑示意图；
图8是具有故障自清除和输出负电平能力的全桥子模块的拓扑示意图；
图9是具有故障自清除能力的自阻子模块拓扑示意图；
图10是具有故障自清除能力的钳位双子模块的拓扑；
图11是本发明另一个实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统中旁路开关第一端口连接至第二交流电网的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为现有技术中的一种含移相变压器的级联H桥型中压UPS拓扑示意图，而图2所示为该中压UPS的功率单元结构示意图，该中压UPS拓扑主要由交流电网接入端11、负载接入端12、输入开关13、输出开关14、旁路开关15、移相变压器16、A相功率单元组合17、B相功率单元组合18、C相功率单元组合19组成，三相功率单元组合17、18和19均由n个功率单元2组成，功率单元2由三相整流器21、储能装置22、H桥子模块23组成(如图2所示)。
所述输入开关13连接至三相交流电网接入端11和移相变压器16高压侧的初级三相绕组之间，所述移相变压器16低压侧的多个次级三相绕组分别与三相功率单元组合17、18和19中3n个功率单元2的输入端一一对应相连；所述功率单元2的输入端即为三相整流器21的交流输入端，三相整流器21的直流输出端依次与H桥子模块23的直流端和储能装置22的直流端相连，H桥子模块23的输出端即为功率单元2的输出端；n个所述功率单元2通过其中H桥子模块23的输出端级联构成了三相功率单元组合17、18和19的第一输出端和第二输出端；所述三相功率单元组合17、18和19的第一输出端连接在一起，所述三相功率单元组合17、18和19的第二输出端通过输出开关13连接在负载接入端12，所述旁路开关15连接至交流电网接入端11和负载接入端12之间。
可以看出，移相变压器16的每个次级绕组经三相整流后构成每个H桥子模块23的直流电压输入，通过每相功率单元组合中n个H桥子模块23级联的方式构成一个相单元，输出三相负载电压。该中压UPS每相交流输出无需升压变压器即能通过n个H桥子模块23级联的方式将电压等级提升至中压，有效提升单机容量，避免多机并联带来的均流和均压问题。但该三相级联的每个H桥子模块23的直流电压输入均需一个移相变压器16的次级绕组、一个三相整流器21和一个储能装置22，即需要3n个移相变压器16的次级绕组、三相整流器21和储能装置22，不仅造成模块数目繁多，系统体积较大，成本高，系统控制复杂，而且为实现负载端输出电压谐波尽可能少，级联的H桥子模块23的数量需显著提升，造成移相变压器16次级绕组、三相整流器21和储能装置22数目进一步增大，这带来的上述缺点愈加凸显。特别地，这也对移相变压器16次级绕组的制作工艺要求增高，对电能质量要求高的重要用户使用受限。
图3所示为本发明实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统的结构示意图，系统拓扑主要包括交流电网接入端31、负载接入端32、输入开关33、输出开关34、旁路开关35、移相变压器36、m个三相整流器37、m个储能装置38、MMC换流器39，其中：
所述输入开关33的第一端口连接至交流电网接入端31，所述输入开关33的第二端口连接至移相变压器36高压侧的一个初级三相绕组；所述移相变压器36低压侧包含m个次级三相绕组，所述移相变压器36低压侧的m个次级三相绕组输出端分别与m个三相整流器37的交流输入端一一对应相连；而m个所述三相整流器37的直流输出端通过级联的方式进行连接以提升直流端电压等级，并连接至MMC换流器39的直流端正极和负极，即三相整流器1的直流输出端正极与MMC换流器39直流端正极相连，三相整流器1的直流输出端负极与三相整流器2的直流输出端正极相连，按照上述接法，其余三相整流器依次相连，直至三相整流器m-1的直流输出端负极与三相整流器m的直流输出端正极相连，三相整流器m的直流输出端负极与MMC换流器39直流端负极相连。
其中，移相变压器36低压侧m个次级三相绕组移相角度可以是均为不同，在总移相角度的范围内，移相角度间隔按照所述次级三相绕组的数目进行等间隔设计；m个所述次级三相绕组移相角度也可以是部分相同的，在总移相角度的范围内，移相角度间隔按照所述移相角度不同的次级三相绕组数目进行等间隔设计。
m个所述三相整流器37的直流输出端正极还分别与m个储能装置38的正极一一对应连接，m个所述三相整流器37的直流输出端负极还分别与m个储能装置38的负极一一对应连接；所述MMC换流器39的交流端连接至输出开关34的第一端口，所述输出开关34的第二端口连接至负载接入端32；所述旁路开关35的第一端口连接至交流电网接入端31，所述旁路开关35的第二端口连接至负载接入端32。
所述MMC换流器39由六个桥臂组成，包含MMC换流器直流端正极391、MMC换流器直流端负极392、MMC换流器A相交流端口393、MMC换流器B相交流端口394和MMC换流器C相交流端口395，每两个所述桥臂各通过一个桥臂端口相连构成一个相单元，如图3中的桥臂396和桥臂397相连构成一个相单元，六个所述桥臂即构成三个相单元，通过上述连接，三个所述相单元均包含第一端口和第二端口；三个所述相单元的第一端口相连即为MMC换流器直流端正极391，三个所述相单元的第二端口相连即为MMC换流器直流端负极392，所述MMC换流器直流端正极391和负极392分别与通过级联m个三相整流器37的直流端构成的直流端正极和负极相连，三个所述相单元的桥臂端口连接点即为MMC换流器三相的交流输出端口393、394和395。
本发明实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统采用了将移相变压器36的每个次级绕组所接的三相整流器37的直流端通过级联的方式进行连接以提升直流端电压等级后，再将所述直流端电压经MMC换流器39输出稳定的负载端三相交流电压。本拓扑能够保证大容量用户高可靠供电的同时移相变压器36的次级绕组、三相整流器37和储能装置38的数目均为m个，与现有技术的一种含移相变压器的级联H桥型中压UPS相比，在移相变压器36实现相同的脉波多重化整流方式下，移相变压器36的次级绕组、三相整流器37和储能装置38的数目减少了两倍，极大节省了系统体积和成本，模块化程度更高，提高了系统可靠性。另一方面，本发明中不存在现有技术中功率单元2的级联H桥子模块数目与移相变压器36的次级绕组相等的强关联现象，解决了上述现象带来的级联输出负载电压波形阶梯数目受移相变压器36的次级绕组数目限制问题。进一步地，本发明中MMC换流器39直流端电压可根据次级绕组数目对单个三相整流器37输出电压进行独立设计，且为满足重要用户对电能质量的特殊需求能够独立设计MMC换流器39中每个桥臂子模块的数目，有效减少用户负载端输出电压谐波。
图4所示为本发明实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统中移相变压器的初级绕组为星形接法的示意图，其中，所述移相变压器4的高压侧为一个初级三相绕组40，所述初级三相绕组40选择连接为星形接法；所述移相变压器4的低压侧包含m个次级三相绕组(41、42、……、4m)组成，所述m个次级三相绕组采用延边三角形移相的延联结方式，所述延联结方式包括顺延联结方式和逆延联结方式，可以实现次级绕组线电压比初级绕组线电压超前或滞后0°至30°区间内任意一个角度；所述次级三相绕组的数目可根据MMC换流器直流端电压等级、移相的脉波数要求和移相变压器4的制作工艺可行性进行选取。
图5所示为本发明实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统中三相整流器为不控整流方式的简要示意图，其中，所述三相不控整流器5由三相不控整流桥51、稳压电容52和放电电阻53组成，包含三相不控整流器的交流输入端、三相不控整流器的直流输出端正极和三相不控整流器的直流输出端负极，所述稳压电容52和放电电阻53均并联在三相不控整流器的直流输出端，采用三相不控制整流方式能够大大简化系统控制，在元器件和控制方面均可以降低系统生产成本。
图6所示为本发明提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统中储能装置的示意图，其中，所述储能装置6由储能电池61、DC-DC变换器62组成，储能装置6的端口包含储能装置的输出端正极和储能装置输出端负极，所述DC-DC变换器62的低压端正极与储能电池61的正极相连，所述DC-DC变换器62的低压端负极与储能电池61的负极相连，所述DC-DC变换器62的高压端正极即为储能装置6的输出端正极，所述DC-DC变换器62的高压端负极即为储能装置6的输出端负极。所述DC-DC变换器62可根据所述储能电池61电压和三相整流器的电压之比、系统要求方面进行选取。
所述MMC换流器39的六个桥臂均由N个子模块(Sub-Module，SM)和一个串联电抗组成，六个所述桥臂的N个子模块可以全部为半桥子模块、或者全部为自阻子模块、或者全部为全桥子模块、或者全部为钳位双子模块，或者为上述多种类型子模块的混合形式，而且所述子模块可根据本发明中压电能质量综合提升系统容量的要求由多个子模块并联构成，以提高系统的额定工作电流。
图7、图8、图9、图10所示分别为半桥子模块、具有故障自清除和输出负电平能力的全桥子模块、具有故障自清除能力的自阻子模块、具有故障自清除能力的钳位双子模块的拓扑，这些拓扑均可作为所述MMC换流器六个桥臂的子模块，进一步地，所述MMC换流器39六个桥臂中每个桥臂的子模块或者是为上述多种类型子模块的混合形式，而且所述子模块可根据本发明系统容量的要求由多个子模块并联构成，以提高系统的额定工作电流。
图11所示为本发明另一个实施例提供的一种MMC型中压供电质量综合提升系统中旁路开关第一端口连接至第二交流电网的示意图，系统拓扑主要包括第一交流电网接入端31、负载接入端32、输入开关33、输出开关34、旁路开关35、移相变压器36、m个三相整流器37、m个储能装置38、MMC换流器39，第二交流电网接入端111其中，
所述输入开关33的第一端口连接至第一交流电网接入端31，所述输入开关33的第二端口连接至移相变压器36高压侧的一个初级三相绕组；所述移相变压器36低压侧包含m个次级三相绕组，所述移相变压器36低压侧的m个次级三相绕组输出端分别与m个三相整流器37的交流输入端一一对应相连；而m个所述三相整流器37的直流输出端通过级联的方式进行连接以提升直流端电压等级，并连接至MMC换流器39的直流端正极和负极，即三相整流器1的直流输出端正极与MMC换流器39直流端正极相连，三相整流器1的直流输出端负极与三相整流器2的直流输出端正极相连，按照上述接法，其余三相整流器依次相连，直至三相整流器m-1的直流输出端负极与三相整流器m的直流输出端正极相连，三相整流器m的直流输出端负极与MMC换流器39直流端负极相连；m个所述三相整流器37的直流输出端正极还分别与m个储能装置38的正极一一对应连接，m个所述三相整流器37的直流输出端负极还分别与m个储能装置38的负极一一对应连接；所述MMC换流器39的交流端连接至输出开关的第一端口，所述输出开关34的第二端口连接至负载接入端32；
所述旁路开关35的第一端口连接至第二交流电网接入端111，所述旁路开关35的第二端口连接至负载接入端32。当本发明系统处于系统自身故障或定期维护时，为保证重要负载不间断供电，系统切换由旁路开关35的第一端口连接至第二交流电网接入端111进行供电，即第二交流电网的电能经过旁路开关35直接为负载供电，所述第二交流电网接入端111作为重要负载的另一路供电电源，可以是供电质量更高的供电电源，在本发明中压电能质量综合提升系统处于故障或定期检修时，重要负载通过旁路开关35切换为所述另一路三相供电电源进行供电，为重要负载提供更加稳定可靠的供电，保证负载的安全稳定运行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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