[发明专利]基于桥臂复用和混合级联的三端口柔性多状态开关装置

说明书

本发明公开了一种基于桥臂复用和混合级联的三端口柔性多状态开关装置，其由混合级联结构的单端口MMC和基于桥臂复用的双端口MMC两部分构成，二者通过公共直流母线相连接；混合级联结构单端口MMC由传统六桥臂MMC和级联H桥组成，桥臂复用双端口MMC为共用中间桥臂的九桥臂MMC结构。在同等交流侧电压等级下，本发明拓扑使用的子模块数量和桥臂电抗器的数量较传统MMC大幅减少，具有直流侧短路故障自清除的能力以及较高的直流电压利用率。本发明适用于不同电压等级、不同相角的配电线路互联，有助于灵活控制系统的有功、无功功率流动，提升供配电系统的稳定性，提高电能质量。

技术领域

本发明属于柔性多状态开关技术领域，具体涉及一种基于桥臂复用和混合级联的三端口柔性多状态开关装置。

背景技术

配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用户，承担着分配电能、服务客户的重任。当前，配电网内非线性、冲击性负荷比重的持续增加，以及新能源渗透率的不断提高，对配电网的电能质量和供电可靠性提出了更高要求。现有配电网正面临用电需求定制化和多样化、分布式电源接入规模化、潮流协调控制复杂化等多方面的巨大挑战，这些问题采用常规开关等传统调控手段难以同时得到有效解决。

柔性多状态开关是一种新型可控的电力电子装置，可以连接多个电压等级不同的配电线路，具有功率连续控制、谐波阻断、不平衡功率调节等功能，并且调节实时性强，能够频繁动作，控制方式灵活，可以促进馈线负载分配均衡化和电能质量改善。

截止到目前，对柔性多状态开关的研究已取得了一些成果，荷兰埃因霍温理工大学提出的IntelligentNode与英国帝国理工学院提出的SoftNormally Open Point(SNOP)概念，被视为是柔性多状态开关雏形。

公开号为CN108173269A的中国专利提出了一种柔性多状态开关和电网系统，实现了配电网功率连续可控以及对配电网运行的灵活控制，满足分布式电源消纳、高供电可靠性等电力需求。但该专利中所提柔性多状态开关只对其运行过程中的能量流动过程进行了分析，而并没有涉及具体的电力电子开关拓扑的设计与性能探究。

公开号为CN107346887A的中国专利提出了一种基于电力电子变压器的中压三端口柔性多状态开关拓扑，这种拓扑可以对多条中压配电线路进行连通/关断控制，以实现配电网络的快速重构，可对多个中压配电线路进行功率调节，以实现配电网络中的潮流分布优化；但该专利所提柔性多状态开关装置使用了大量高频变压器，增大了装置的体积和重量，装置的设计难度大，制造成本高。

由于柔性多状态开关装置往往需要连接多个电压等级不同的配电线路，而且各配电网实际运行中所连接的变压器联接组别不同，所以各端馈线的电压可能会存在一定的相角差。为达到最佳的电压利用率，不同电压等级的配电线路对直流母线电压的要求不同，直流母线电压大小决定了装置使用的功率开关器件的规格和数量，影响装置的效率和成本。因此直流母线电压应当满足且匹配所连各个配电网对直流母线的电压等级的要求，同时为了适应不同馈线存在电压相角差的需求，柔性多状态开关装置各输出端口的电压相角应独立可控。背靠背结构变流器具有直流电压可控、功率双向流动、控制性能灵活多变等优点，可以实现电网之间的异步互联，因此在高压直流输电领域得到广泛的应用。

模块化多电平换流器(MMC)因其模块化、易扩展、输出谐波性能好等特点得到广泛的关注和研究。为进一步优化输出性能，提高系统效率，同时降低开关装置的制造成本以及提高系统的可靠性，传统的模块化多电平技术在有功无功功率控制、相间不平衡治理、子模块复用及直流故障隔离等方面均得到深入的探究和发展。舟山五端柔性直流输电科技示范工程中，多端柔性直流输电换流器拓扑及其相关的控制技术也得到成功的应用。因此，基于背靠背结构的新型模块化多电平换流器的换流方案成为柔性多状态开关装置的优选参考方案。

发明内容