交直流配电网中的柔性变电站主接线装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种交直流配电网中的柔性变电站主接线装置。

背景技术

目前，电力电子技术的发展正导致电力系统朝着交/直流混合的趋势发展变化。在交流配电网的基础上建设交直流混合配电网，是未来智能配电网的重要发展趋势。未来配电网将可能是兼容多种发电方式和新技术，具有交直流混合网络特征，支持可再生能源发电、交直流负荷及储能装置灵活接入和退出，实现需求响应资源的优化管理和控制的有源配电网络。

国家相关部门出台了“2016~2020”配电网建设与改造规划要求，“2020年，全面建成安全可靠、经济高效、灵活先进、绿色低碳、环境友好的智能配电网。”

为实现清洁能源的广泛接入、有效互动和充分利用，提升输配电网络的柔性控制能力；增强电网在高比例清洁能源及多元负荷接入条件下的运行安全性、控制灵活性、调控精确性、供电稳定性，供电可靠率；满足并引导用户多元化负荷需求，建立并推广供需互动用电系统，为安全可靠、经济高效、灵活先进、绿色低碳、环境友好的智能配电网建设目标做出示范。

目前，现有技术中第一种交直流配电网为负荷供电的的方式为以交流变压器和直流变换器分别向不同类型负荷供电，尚未实现交直流侧由一台变压器提供混合供电的方式。

现有技术中第二种供电方式为配电网主要以交流供电为主，直流供电时需要通过变换器将交流转为直流。这样的方式实施交直流供电带来电压等级单一、功率控制不灵活、设备损耗大、主要设备功能割裂、功能重复配置、设备布置分散等问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种交直流配电网中的柔性变电站主接线装置，以解决现有技术中不能实现交直流侧由一台变压器提供混合供电的技术问题。该装置包括：

电力电子变压器，其中，所述电力电子变压器包括多个IGBT阀结构，所述多个IGBT阀结构并联，每个IGBT阀结构去电容且所有IGBT阀结构连接到一个高频电上，所述电力电子变压器包括高压的交流端和低压的交流端，高压的交流端和低压的交流端中一个交流端为交流原边，另一个交流端为交流副边，所述电力电子变压器的交流原边通过母线与交流电源线相连，所述电力电子变压器的交流副边通过母线与交流负载线路相连；所述电力电子变压器包括高压的直流端和低压的直流端，高压的直流端和低压的直流端中一个直流端为直流原边，另一个直流端为直流副边，所述电力电子变压器的直流原边通过母线与直流电源线相连，所述电力电子变压器的直流副边通过母线与直流负载线路相连。

在本发明实施例中，提出了通过多个IGBT阀结构组成电力电子变压器，该电力电子变压器具备高压的交流端、低压的交流端、高压的直流端以及低压的直流端，使得可以实现通过一个电力电子变压器同时提供交直流供电的混合供电方式，与现有技术相比，可以避免电压等级单一、功率控制不灵活、设备损耗大、主要设备功能割裂、功能重复配置、设备布置分散等问题；同时，该电力电子变压器具备高压的交流端和低压的交流端，使得交流端可以实现潮流自由双向可控，即高压的交流端和低压的交流端中一个交流端为交流原边，另一个交流端为交流副边，两个交流端之间可以任意更换为原边或副边；该电力电子变压器具备高压的直流端和低压的直流端，使得直流端可以实现潮流自由双向可控，即高压的直流端和低压的直流端中一个直流端为直流原边，另一个直流端为直流副边，两个直流端之间可以任意更换为原边或副边；使得电力电子变压器实现了柔性连接模式。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种交直流配电网中的柔性变电站主接线装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种直流偏置电流抑制装置的连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明实施例中，提供了一种交直流配电网中的柔性变电站主接线装置，如图1所示，该装置包括：

电力电子变压器P1，其中，所述电力电子变压器P1包括多个IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)阀结构，所述多个IGBT阀结构并联，每个IGBT阀结构去电容且所有IGBT阀结构连接到一个高频电上，所述电力电子变压器包括高压的交流端和低压的交流端(例如，如图1所示，以P1a为高压的交流端、P1b为低压的交流端为例)，高压的交流端和低压的交流端中一个交流端为交流原边，另一个交流端为交流副边，所述电力电子变压器的交流原边通过母线与交流电源线相连，所述电力电子变压器的交流副边通过母线与交流负载线路相连；所述电力电子变压器包括高压的直流端和低压的直流端(例如，如图1所示，以P1c为高压的直流端、P1d为低压的直流端为例)，高压的直流端和低压的直流端中一个直流端为直流原边，另一个直流端为直流副边，所述电力电子变压器的直流原边通过母线与直流电源线相连，所述电力电子变压器的直流副边通过母线与直流负载线路相连。

由图1所示可知，在本发明实施例中，提出了通过多个IGBT阀结构组成电力电子变压器，该电力电子变压器具备高压的交流端、低压的交流端、高压的直流端以及低压的直流端，使得可以实现通过一个电力电子变压器同时提供交直流供电的混合供电方式，与现有技术相比，可以避免电压等级单一、功率控制不灵活、设备损耗大、主要设备功能割裂、功能重复配置、设备布置分散等问题；同时，该电力电子变压器具备高压的交流端和低压的交流端，使得交流端可以实现潮流自由双向可控，即高压的交流端和低压的交流端中一个交流端为交流原边，另一个交流端为交流副边，两个交流端之间可以任意更换为原边或副边；该电力电子变压器具备高压的直流端和低压的直流端，使得直流端可以实现潮流自由双向可控，即高压的直流端和低压的直流端中一个直流端为直流原边，另一个直流端为直流副边，两个直流端之间可以任意更换为原边或副边；使得电力电子变压器实现了柔性连接模式。

具体实施时，上述IGBT阀结构可以是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

具体实施时，电力电子变压器的阀部分，应为空气绝缘、水冷却的多电平户内式的IGBT阀(含高频变压器组件)，其各电压等级变流环节必须高度融合，呈模块化多电平结构，其中，各IGBT阀的高压交流端口串联构成电力电子变压器的高压交流端(即10kVAC端口)，各IGBT阀的高压直流端口串联构成电力电子变压器的高压直流端(即±10kVDC端口)，各IGBT阀的低压直流端口并联构成电力电子变压器的低压直流端(即750VDC端口)，各IGBT阀的低压交流端口串联构成电力电子变压器的低压交流端(即0.4KVAC端口)。各功率子模块中的电力电子变压器须采用紧凑集成，实现功率模块紧凑化设计。

IGBT阀中的冷却系统必须具有足够的冷却能力，以保证在各种运行条件下有效冷却阀。可采用单环冷却回路的水/风冷却系统。

换流阀内冷却系统的冷却介质为：去离子水，纯水比热：4.2J/kg.℃，正常运行时阀冷系统电导率正常控制在0.3μS/cm以内，含氧量小于200ppb，补充水电导率小于10μS/cm。

IGBT阀外冷却系统冷却介质：50％去离子水+50％乙二醇。

具体实施时，为了实现交直流的分级供电，在本实施例中，所述高压的交流端为所述交流原边时，所述交流原边与高压的交流电源线相连，所述低压的交流端为所述交流原边时，所述交流原边与低压的交流电源线相连，所述高压的直流端为所述直流原边时，所述直流原边与高压的直流电源线相连，所述低压的直流端为所述直流原边时，所述直流原边与低压的直流电源线相连。即交流电源线包括高压的交流电源线和低压的交流电源线，直流电源线包括高压的直流电源线和低压的直流电源线，可以分别为负载提供交直流的高压和低压，充分利用电力电子变压器高/低压、交/直流多电气接口，实现交直流互联；同时，可以实现电网与负荷间电能质量的有效隔离，满足分级供电需求。

具体实施时，本申请中交直流的高压和低压是相对的，即一个交流端的电压相对高于另一个交流端的电压，一个直流端的电压相对高于另一个直流端的电压，例如，如图1所示，高压的交流端的电压可以为交流10KV，低压的交流端的电压可以为交流0.4KV，高压的直流端的电压可以为直流10KV，低压的直流端的电压可以为直流750V。

具体实施时，由于上述电力电子变压器同时具备交流端和直流端，使得可以实现可再生能源的“即插即用”，例如，光伏升压站可以直接与电力电子变压器的直流端连接，使用可再生能源时避免交直流之间转换的过程，有效缓解可再生能源的波动性和间歇性，实现可再生能源“接入电网”到“融入电网”的转变，实现最大化接纳新能源。

具体实施时，为了实现负荷控制功能，动态调整电力电子变压器输出侧频率和电压，在本实施例中，所述电力电子变压器，还包括：控制模块，用于控制每个IGBT 阀结构的导通时刻和导通时长。具体的，即通过控制模块根据系统情况来控制每个 IGBT阀结构的导通时刻和导通时长，使得实现负荷需求的动态调节，提高电力电子变压器需求侧响应能力；同时在供电系统故障恢复过程中，可以支撑电网快速恢复，提高电网的暂态稳定性；此外，实现了无功电压灵活控制，在控制各方向有功潮流的同时，实现系统的动态无功支撑和静态无功需求，实现了交直流电力电子变压器的波动功率平衡，降低设备的体积和造价。可有效抵消交/直流变换产生的二倍频波动，不需配置大电容平波，模块电容值降至500μF以下。

具体实施时，上述交直流配电网中的柔性变电站主接线装置还包括，隔离开关，设置于高压的直流端所连接的母线上。具体的，由于上述控制模块(控制模块有闭锁箝位能力)的使用，通过换流阀闭锁可切断故障电流，省去高压的直流侧母线上断路器的配置，即直流10kV母线上取消断路器，高压的直流端所连接的母线上可以配置隔离开关，如图1所示的隔离开关QS01、QS02、QS03、QS04，实现中压直流故障电流截断和故障隔离。

具体的，±10kV直流母线上的快速隔离开关可以采用模块化布局方便安装，可以通过设计的快速开关小车实现检修方便，考虑直流设备的耐压水平，快速隔离开关耐受电压(对地)额定电压可以为11kV，120min直流、交流耐压(对地)分别可以为15kV、18kV，对地雷电冲击耐受值可以为145kV，额定工作电流可以为1250A，额定峰值耐受电流可以为50kA，额定分段、合闸时间分别小于10ms、15ms。

具体实施时，电力电子变压器P1的直流原边通过单母线与直流电源线路相连，电力电子变压器P1的直流副边通过单母线与直流负载线路相连。如图1所示，高压的交流端连接的交流10kV母线上的断路器501、502、503、504、511、512、513、514均可以采用型号为VS1-12的10kV断路器。10kV交流母线、线路及主变进线上可以设有型号为HY5WZ-18/45的氧化锌避雷器。10kV直流母线、线路及主变进线上可以设有型号为Y5W2-24/45的氧化锌避雷器。直流750V母线上的断路器QF12、 QF13均可以采用型号为CM3DC-630P的塑壳式直流断路器，750V直流母线及主变进线上可以设有型号为YH5W1-1.2/2.4的氧化锌避雷器。

具体的，±10kV直流母线上的避雷器的运行条件和工作原理与交流母线上的避雷器有着很大的区别，直流避雷器没有电流过零点可以利用，因此灭弧较为困难。直流输电系统中电容元件(如长电缆段、滤波电容器、冲击波吸收电容器等)远比交流系统多，而且在正常运行时均处于全充电状态，一旦有某一只避雷器动作，它们将通过这一只避雷器进行放电。考虑换流站避雷器的通流容量要比常规交流避雷器大得多。±10kV直流避雷器采用的额定DC电压24kV，持续运行电压11kV，标称雷电放电电流5kA，雷电冲击电流残压关系U0.5IN/UIN0.945，U2IN/UIN1.067。

具体实施时，为了配合电力电子变压器的故障闭锁功能，在本实施例中，如图1 所示，上述交直流配电网中的柔性变电站主接线装置还包括：超级电容储能系统101，设置于低压的直流端所连接的母线上，闭锁期间提供功率支撑，其中，所述超级电容储能系统包括：超级电容、储能变流器以及配电柜。

具体的，超级电容储能系统101可以是1.5MW超级电容储能系统，由超级电容，储能变流器和配电柜组成。每一组超级电容和每一台储能变流器均具有独立的保护，系统安全可靠。其中，配电柜，用于系统的监控和汇流，具有本地操作和远程监控功能。储能变流器，用于实现超级电容的充电和快速放电控制，每一台均可独立运行。配电柜，用于实现能量的存储及快速放电，每一组具有独立的输出和保护，可以单独进行充放。每路直流输出采用48V165F模组，配有均衡电路可对模组内每个单体进行均衡管理。

超级电容储能系统的主要作用如下：

(1)在柔变启动时，作为750V直流电压支撑(在DCAC闭锁、柔变并网之前)；

(2)在柔变故障时，柔变闭锁后，备自投合闸前，为负荷提供功率支撑，即使柔变故障，负荷侧仍然不会断电。保证了负荷的供电可靠性。

超级电容变换器在750V直流侧应具备预充电功能。

超级电容变换器分为充电模式、稳压模式以及待机模式三种工作状态，以及停机状态，停机状态下直流开关断开；工作状态中，充电模式和稳压模式互斥。

超级电容变换器根据中控下发的充电命令、以恒功率充电模式对超级电容进行充电，充电完成后，向中控系统反馈充电完成信息，进入待机模式。当750V直流侧电压低于670V时，进入稳压模式；稳压过程中检测到母线电压高于中控下发的设定值时退出，进入待机模式。

超级电容器要求在直流电压375V～670V范围内，满足短时间内持续输出功率的能力。具备过压告警、过温告警及温度、电压、SOC信息上传站内监控系统。

具体实施时，上述交直流配电网中的柔性变电站主接线装置，还包括；直流偏置电流抑制装置，设置于高压的交流端所连接的母线上。具体的，如图2所示，将直流偏置电流抑制装置XRX设置在消弧线圈XH和阻尼电阻箱RX中间，令电流互感器LH 和阻尼电阻箱RX仍为接地端，其中，图2中JDB为接地变压器；MOA为避雷器；XH 为消弧线圈；RX为阻尼电阻箱；LH、1LH、2LH、LHx为电流互感器；KKG为晶闸管；ZR为阻尼电阻；XRX为直流偏置电流抑制装置；XR为限流电阻；DDX1为快速开断装置，10KV母线为电力电子变压器的高压的交流端所连接的母线。

具体的，上述直流偏置电流抑制装置保证±10kV直流侧发生单极接地故障后，交流侧电位平移，使10kV交流系统的中性点钳位到DC10kV。导致中性点过流。交流侧的断路器在开断时必须在电流过零点熄弧，当直流故障较大时，导致无过零点，无法开断直流故障电流。为此，需要在系统内选择并改造接地变，增加限流电阻配置，减小故障电流大小。

故障电流抑制方法

故障后立即在消弧线圈回路投入限流电阻XRX，其阻值不可太小以保证断路器存在过零点；同时也不可太大，便于有足够大的直流分量能够启动保护装置。因此确定为800Ω，耐压要足够承受10kV偏置电压叠加位移电压。

具体实施时，为防止直流侧单极接地故障给交流侧中性点带来的大电流冲击，在本实施例中，电力电子变压器的所述高压的交流端通过消弧线圈接地，即对消弧线圈接地装置进行改造，加装±10kV直流故障限流装置，在发生直流侧单极故障时将其投入。

具体实施时，为了为系统提供冗余的交流供电保障，以提高供电可靠性，在本实施例中，上述交直流配电网中的柔性变电站主接线装置，还包括；

交流干式变压器，所述交流干式变压器的原边通过母线与所述交流电源线相连，所述交流干式变压器的副边通过母线与交流负载线路相连。

具体的，在所述电力电子变压器的交流原边通过分段母线与交流电源线相连，所述电力电子变压器的交流副边通过分段母线与交流负载线路相连的情况下，所述交流干式变压器的个数可以为多个，所述电力电子变压器的高压的交流端所连接的每段母线和所述电力电子变压器低压的交流端所连接的每段母线之间连接一个交流干式变压器。

例如，如图1所示，交流干式变压器的个数为2个，分别为10#干变和9#干变，交流干式变压器10#干变和9#干变的交流原边通过分段母线与交流电源线路相连，交流干式变压器10#干变和9#干变的交流副边通过分段母线与交流负载线路相连。9# 干变为备用变压器，在电力电子变压器故障时，由交流干式变压器9#干变来提供交流供电；10#干变起到备用和充电的作用，在电力电子变压器故障时，由交流干式变压器10#干变来提供交流供电，电力电子变压器故障后重启时，交流干式变压器10# 干变为电力电子变压器充电。

本申请的上述交直流配电网中的柔性变电站主接线装置具备以下有益效果：

(1)在分布式电源方面，可利用柔性电力设备特性，实现电压、频率等参数动态快速调节；可对变电站系统有功功率、无功功率起到综合支撑作用；与传统分布式能源并网方式相比，方案可实现分布式电源的直流并网，为分布式电源接入电网的形态提供了更多样的选择，同时具备与各类分布式电源、储能装置协调控制，灵活调控潮流。

(2)在多元化负荷供电方面，可实现交直流混合输出，提供多电压等级、交直流多电能形态的优质电源，适合数据中心、电动汽车等交直流多元化负荷即插即用，提升了用户友好性；可有效抑制电压闪变，提升电压合格率，隔离电能质量故障；可支撑用户需求侧管理，提供优质电力供应及紧急应召功能。

(3)在配电网运行方面，方案连接方式多样，可实现高低压交直流电网互联，可实现交直流配电网能量灵活互通，提升配网运行的可控性；可利用电力电子设备动作特性，实现系统故障快速切除，提升配网运行可靠性，是一种先进的配网发展形态。

(4)在设备集成度上，多功能交直流电力电子变压器集成了中压AC/DC变换器、DC/DC变压器、AC/AC变压器、低压DC/AC变换器、无功补偿装置等设备的功能，大幅减少了设备配置。在系统设计、控制保护、装备研制等多个方面达到国际、国内领先水平，应用前景广泛。

本发明实施例实现了如下技术效果：提出了通过多个IGBT阀结构组成电力电子变压器，该电力电子变压器具备高压的交流端、低压的交流端、高压的直流端以及低压的直流端，使得可以实现通过一个电力电子变压器同时提供交直流供电的混合供电方式，与现有技术相比，可以避免电压等级单一、功率控制不灵活、设备损耗大、主要设备功能割裂、功能重复配置、设备布置分散等问题；同时，该电力电子变压器具备高压的交流端和低压的交流端，使得交流端可以实现潮流自由双向可控，即高压的交流端和低压的交流端中一个交流端为交流原边，另一个交流端为交流副边，两个交流端之间可以任意更换为原边或副边；该电力电子变压器具备高压的直流端和低压的直流端，使得直流端可以实现潮流自由双向可控，即高压的直流端和低压的直流端中一个直流端为直流原边，另一个直流端为直流副边，两个直流端之间可以任意更换为原边或副边；使得电力电子变压器实现了柔性连接模式。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。