一种柔性变电站拓扑电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及变电站技术领域，特别是涉及一种柔性变电站拓扑电路及其控制方法。

背景技术

当前配电网中分布式可再生能源接入比例逐步提升，以及电动汽车直流快充桩等大功率随机负荷数量显著增长。这类高随机性、高波动性电源与负荷给配电系统带来的各种类型的扰动日益增多，现代电网的结构也越发繁复，其所造成的各种电能质量问题一定程度上影响到配电系统的供电可靠性。现有配电网系统向用户供给大量优质可靠的电能面临越来越大的困难和挑战。通过已有配电网的网架结构和运行方式调整难以满足用户的电能质量需求，因此，电力电子变压器方案被提出。

图1为现有技术所提出的一种面向中高压配电网应用的三相电力电子变压器电力拓扑图，包括高压交流侧模块化多电平换流器(Modular Multilevel converter，MMC)、中间输入串联输出并联(Input.SeriesOutput.Parallel，ISOP)DAB(Dual active bridge，DAB)变换器以及低压侧四桥臂逆变器，该三相电力电子变压器可以实现一种电压到另外一种电压的变换，由于经过多级电能变换，导致其发电效率较低；其能量通常从高压侧流向低压侧，无法应对分布式发电大规模接入问题；同时中间隔离环节采用多个效率较低的DAB变换器结构，进一步拉低了整体装置效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性变电站拓扑电路及其控制方法，以解决现有的三相电力电子变压器电力拓扑结构发电效率低、分布式发电渗透率低以及多台电力电子变压器简单并联造成的总体体积大、成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种柔性变电站拓扑电路，包括：总控制器、高压输入级、中压降压级以及低压输出级；

所述总控制器分别与所述高压输入级中的子控制器、所述中压降压级中的子控制器以及所述低压输出级中的子控制器相连接，所述总控制器用于协调所述高压输入级、所述中压降压级以及所述低压输出级之间的能量平衡；所述高压输入级的输入端与高压电网相连接，所述高压输入级的输出端与所述中压降压级的输入端相连接，所述中压降压级的输出端与所述低压输出级的输入端相连接，由所述低压输出级输出多路低压直流电；所述中压降压级包括多个并联的隔离型变换器；所述低压输出级为多个不同类型的逆变电路；所述多个不同的逆变电路包括单相逆变电路以及三相逆变电路；所述三相逆变电路包括三相三线结构、三相四线结构以及三相四桥臂结构；

所述总控制器接收上一级高压电网的调度信号时，按上一级高压电网的调度信号执行停机或运行，使得能量从左往右或者能量从右往左；当上一级电网没有调度信号时，所述柔性变电站本地自治运行；

所述柔性变电站本地自治运行时，所述总控制器接收所述柔性变电站的电网侧和负载侧的电压和电流信号，协调高压输入级、中压降压级和低压输出级之间的能量平衡。

可选的，所述高压输入级具体包括：多个并联的模块化多电平换流器；

所述模块化多电平换流器包括多个换流子模块以及两个电抗器；所述模块化多电平换流器的上桥臂串联有多个所述换流子模块，所述模块化电平换流器的下桥臂串联有多个所述换流子模块，所述上桥臂与所述下桥臂之间串联有两个串联的所述电抗器，所述高压电网的每一相分别设于不同模块化多电平换流器中两个串联的所述电抗器之间；

所述上桥臂的换流子模块的数量等于所述下桥臂的换流子模块的数量；所述换流子模块具体包括：第一绝缘栅极晶体管、第一二极管以及第一电容；

所述第一绝缘栅极晶体管的集电极与所述第一二极管的负极相连接，所述第一绝缘栅极晶体管的发射极与所述第一二极管的正极相连接，构成第一并联结构；串联两个结构相同的第一并联结构，且第一个所述第一并联结构内的所述第一绝缘栅极晶体管的集电极还与所述第一电容的一端相连接，第二个所述第一并联结构内的所述第一绝缘栅极晶体管的发射极还与所述第一电容的另一端相连接；

可选的，所述高压输入级具体包括：多个绝缘栅双极型晶体管；

多个所述绝缘栅双极型晶体管串联形成晶体管串联串；多个晶体管串联串并联作为高压输入级。

可选的，所述隔离型变换器具体包括：第一变压器、第二变压器、第三变压器、第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管、第四光电二极管、两个第二并联结构、第二电容以及第三电容；所述第二并联结构与所述第一并联结构的结构相同；

所述第一变压器的第一端分别与所述高压输入级的输出端以及所述第二电容的一端相连接；所述第一变压器的第二端分别与第一个所述第二并联结构内的所述第一绝缘栅极晶体管的集电极、所述第二变压器的第一端、所述第二变压器的第二端以及所述第三变压器的第一端相连接；所述第一变压器的第三端分别与所述第三电容的一端、所述第三光电二极管的负极、所述第四光电二极管的负极以及第三变压器的第三端相连接；所述第一变压器的第四端分别与所述第一光电二极管的负极以及所述第二光电二极管的负极相连接；

所述第二变压器的第一端还与第一个所述第二并联结构内的所述第一绝缘栅极晶体管的集电极相连接，所述第二变压器的第二端与所述第三变压器的第一端相连接；所述第二变压器的第三端分别与所述第二光电二极管的正极、第三光电二极管的正极连接；所述第二变压器的第四端与第三变压器的第三端连接；

所述第三变压器的第二端与第二个所述第二并联结构内的所述第一绝缘栅极晶体管的集电极相连接；两个所述第二并联结构内的所述第一绝缘栅极晶体管的发射极相连接，并与所述第二电容的另一端相连接；第三变压器的第四端分别与第一光电二极管的正极、第四光电二极管的正极连接。

可选的，所述逆变电路具体包括：第三并联结构、第一电感以及第四电容；所述第三并联结构与所述第二并联结构的结构相同；

两个所述第三并联结构串联，将三个串联后的两个所述第三并联结构并联；每一串串联的两个所述第三并联结构的中间线与所述第一电感的一端相连接，所述第一电感的另一端与所述第四电容的一端相连接；三个所述第四电容的另一端相连接。

可选的，所述逆变电路还包括：第五电容；

串联两个所述第五电容，并将串联后的两个所述第五电容与第一个串联后的两个所述第三并联结构并联。

所述第四并联结构与所述第三并联结构的结构相同；

串联两个所述第四并联结构，并将串联后的两个所述第四并联结构与第一个串联后的两个所述第三并联结构并联。

可选的，所述中压降压级和所述低压输出级之间的直流母线上接储能单元和直流型的光伏等分布式发电单元；低压输出级后端接本地负载和本地分布式发电单元。

一种柔性变电站负载端能量分配方法，当本地分布式电源的发电量超过本地负载的预设耗电量需求时，所述本地分布式电源的发电量通过逆变电路传输至储能单元；当中压降压级传输到低压输出级能量不足时，本地负载优先使用本地分布式发电单元的电力，如果仍然电力不足时，使用储能单元的电力；当中压降压级传输到低压输出级能量充足、本地分布式发电单元电力充足、储能单元电力也充足时，使用综合价格低的电力；当本地储能单元电力存储充足，本地分布式发电单元超过本地负载使用时，多余的电力通过中压降压级和高压输入级，传输到高压电网侧。

一种柔性变电站子控制器控制方法，中压降压级输出直流母线电压U

一种柔性变电站控制方法，总控制器接收所述柔性变电站的电网侧和负载侧的电压和电流信号，协调高压输入级、中压降压级和低压输出级之间的能量平衡；所述高压输入级的子控制器、所述中压降压级子控制器以及低压输出级子控制器之间进行信息交互；所述高压输入级的子控制器用于控制换流子模块的控制器，所述中压降压级子控制器用于控制隔离型变换器的控制器，所述低压输出级子控制器用于控制逆变器的控制器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种柔性变电站拓扑电路及其控制方法，通过设置多个并联的隔离型变换器作为中压降压级，通过中压降压级将高电压转变为低电压，由于采用隔离型变换器的体积小且效率高的特点，从而减小了柔性变电站拓扑电路的总体体积，提高了装置效率；同时，通过设置多个不同的逆变电路作为低压输出级，有利于提高分布式发电单元接入，提高分布式发电渗透率；最后，通过总控制器协调所述高压输入级、所述中压降压级以及所述低压输出级之间的能量平衡，使得能量可以多方向流动，即在多个低压侧之间流动，也可以从低压侧往高压侧流动，有利于提高分布式发电渗透率，解决馈线末端电能质量问题，也有利于柔性变电站拓扑电路整体运行的潮流优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术所提出的面向中高压配电网应用的三相电力电子变压器拓扑图；

图2为本发明所提供的前端为三相的柔性变电站拓扑电路图；

图3为本发明所提供的多个隔离型变换器电路控制方法流程图；

图4为本发明所提供的IGBT串联组成的整流电路图；

图5为本发明所提供的柔性变电站系统控制方法。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明的目的是提供一种柔性变电站拓扑电路，能够提高柔性变电站拓扑电路的发电效率以及发电渗透率、减小总体体积。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图2为本发明所提供的柔性变电站拓扑电路图，如图2所示，一种柔性变电站拓扑电路，包括：总控制器、高压输入级、中压降压级以及低压输出级；所述总控制器分别与所述高压输入级中的子控制器、所述中压降压级中的子控制器以及所述低压输出级中的子控制器相连接，所述总控制器用于协调所述高压输入级、所述中压降压级以及所述低压输出级之间的能量平衡；所述高压输入级的输入端与高压电网相连接，所述高压输入级的输出端与所述中压降压级的输入端相连接，所述中压降压级的输出端与所述低压输出级的输入端相连接，由所述低压输出级输出多路低压直流电；所述中压降压级包括多个并联的隔离型变换器；所述低压输出级为多个不同类型的逆变电路；所述多个不同的逆变电路包括单相逆变电路以及三相逆变电路；所述三相逆变电路包括三相三线结构、三相四线结构以及三相四桥臂结构。

高压输入级中的MMC控制器的输出作为隔离型变换器的输入，隔离型变换器的输出作为三相四桥臂变换器的输入，三个模块依次互联，接受总控制器(又称主控制器)的协调控制。

如图3所示，中压降压级输出直流母线电压U

总控制器分别与高压输入级、中压降压级和低压输出级三者的子控制器连接(光纤或者排线)，控制协调给三级发送控制信号；高压输入级的子控制器又与MMC子模块连接，控制MMC子模块运行，其中，子控制器处于总控制器和三部分变换器之间，作用是接收总控制器指令，控制高压输入级、中压降压级和低压输出级三级变换器的动作，通过光纤或者排线连接。

换流子模块SM结构包括：第一电容和多个电子开关支路，各电子开关支路分别与第一电容并联；电子开关支路包括：第一电子开关及第二电子开关，其中，第一电子开关的一端与第一电容的一端连接，另一端分别与第二电子开关的一端及换流模块的正极输出端连接，第二电子开关的另一端分别与第一电容的另一端及换流模块的负极输出端连接。多个换流子模块一起串联组成换流桥臂，多个换流桥臂连接组成MMC换流站。

在实际应用中，所述高压输入级具体包括：多个并联的模块化多电平换流器MMC相单元；所述模块化多电平换流器包括多个换流子模块SM以及两个电抗器；所述电抗器包括电抗器L1、电抗器L2、电抗器L3、电抗器L4、电抗器L5、电抗器L6，按照数字大小顺序，两个电抗器为一组；所述模块化电平换流器的上桥臂串联有多个所述换流子模块SM，所述模块化电平换流器的下桥臂串联有多个所述换流子模块SM，所述上桥臂与所述下桥臂之间串联有两个串联的所述电抗器，所述高压电网的每一相分别设于不同模块化多电平换流器中两个串联的所述电抗器之间；所述上桥臂的换流子模块SM的数量等于所述下桥臂的换流子模块SM的数量。

所述换流子模块SM具体包括：第一绝缘栅极晶体管、第一二极管以及第一电容Cav；所述第一绝缘栅极晶体管的集电极与所述第一二极管的负极相连接，所述第一绝缘栅极晶体管的发射极与所述第一二极管的正极相连接，构成第一并联结构T1；串联两个结构相同的第一并联结构T1，且第一个所述第一并联结构T1内的所述第一绝缘栅极晶体管的集电极还与所述第一电容Cav的一端相连接，第二个所述第一并联结构T1内的所述第一绝缘栅极晶体管的发射极还与所述第一电容Cav的另一端相连接。

在实际应用中，如图4所示，所述高压输入级还可以为多个绝缘栅双极型晶体管构成的高压输入级；多个所述绝缘栅双极型晶体管串联形成晶体管串联串；多个晶体管串联串并联作为高压输入级。

在实际应用中，所述隔离型隔离型变换器具体包括：第一变压器TR1、第二变压器TR2、第三变压器TR3、第一光电二极管D1、第二光电二极管D2、第三光电二极管D3、第四光电二极管D4、两个第二并联结构T2、第二电容C

中压降压级由多个隔离型变换器电路构成，通过中压降压级将高电压转变为低电压；隔离型变换器的输出作为低压输出级的输入。

在实际应用中，所述逆变电路具体包括：第三并联结构T3、第一电感(图中为L

在实际应用中，所述逆变电路还包括：第五电容C5；串联两个所述第五电容C5，并将串联后的两个所述第五电容C5与第一个串联后的两个所述第三并联结构T3并联。

在实际应用中，所述逆变电路还包括：第四并联结构T4；所述第四并联结构T4与所述第三并联结构T3的结构相同；串联两个所述第四并联结构T4，并将串联后的两个所述第四并联结构T4与第一个串联后的两个所述第三并联结构T3并联。

低压输出级由多个不同的逆变电路组成，也可能是多个不同的斩波电路。低压输出级通过正负直流母线与中压降压级连接；逆变电路可以是单相也可以是三相；可以是三相三线结构、也可以是三相四线结构、也可以是三相四桥臂结构；低压输出级可以输出不同规格直流电压。

如图5所示，一种柔性变电站控制方法，总控制器接收所述柔性变电站的电网侧和负载侧的电压和电流信号，协调高压输入级、中压降压级和低压输出级之间的能量平衡；所述高压输入级的子控制器、所述中压降压级子控制器以及低压输出级子控制器之间进行信息交互；所述高压输入级的子控制器用于控制换流子模块，所述中压降压级子控制器用于控制隔离型变换器，所述低压输出级子控制器用于控制低压输出级的逆变器。

多个图1拓扑并联虽然也能够实现不同种类的分布式发电单元接入低压侧输出级，但是体积会增大非常多，成本也增加非常多，且系统效率不能显著提高。

本发明对现有技术进行了大幅改进，能够达到更多路低压交直流输出；中间隔离环节效率更高，体积更小；有利于不同种分布式发电单元接入；能量可以多方向流动，可以在多个低压侧之间流动，也可以从低压侧往高压侧流动，有利于提高分布式发电渗透率，有利于解决馈线末端电能质量问题，也有利于系统整体运行的潮流优化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。