CN103138171B - 一种电力电子变电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电子变电站，它包括若干路电源的进线，每一路进线分别经一第一固态断路器连接一进线侧母线；对应于每一路进线，进线侧母线上分别并联一电压互感器；两进线之间的进线侧母线上设置有一第二固态断路器，每一路进线再依次经过一第三固态断路器、一电力电子变压器和一第四固态断路器连接出线侧母线，两进线之间的出线侧母线上设置有一第五固态断路器；对应于每一路进线，出线侧母线引出三路电源出线且在外侧分别并联一电压互感器，每一路出线上都设置有一第六固态断路器。本发明除具有常规功能外，还能实现故障的快速隔离，提高电网精确控制能力，提升电网安全稳定运行水平；同时改变变电站现有结构形式，减小主设备体积，简化主设备配置，大幅降低占地面积。

Description

一种电力电子变电站

技术领域

本发明涉及一种新型变电站，特别是关于一种电力电子变电站。

背景技术

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力流向和调整电压的电力设施，它通过变压器将各级电压的电网联系起来。除变压器外，变电站的设备还有开闭电路的开关设备，汇集电流的母线，计量和控制用互感器、仪表、继电保护装置，防雷保护装置和调度通信装置等，通常变电站还配有无功补偿设备和高阻抗设备等。

常规变电站一般包括一次设备和二次设备。一次设备方面，一般采用单相或三相电磁式变压器进行电压变换；采用电气-机械式断路器在电力系统正常运行情况下用来合上或断开电路，故障时在继电保护装置控制下自动把故障设备和线路断开，还可以具有自动重合闸功能；电力系统发生故障时，利用传统限流电抗器的电感特性抑制系统的短路电流，以减轻断路器的开断负担。二次设备方面，传统继电保护典型应用之一的差动保护利用基尔霍夫电流定律，取被保护元件两端CT（电流互感器）的电流矢量差作为动作依据，在系统发生故障或异常工况时，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。

目前，常规变电站所面临的主要问题是：随着输电电压等级和系统短路容量的不断提升，功能和绝缘性能要求使得变电站一次设备体积愈发庞大，制造难度加大，变电站面积及征地投资日益巨大。同时，不仅各工矿企业，包括居民用户对供电质量的要求也越来越高，传统变电站调控能力有限，一、二次设备动作可靠性和运行稳定性不高、精确实时控制能力差、环保效果不理想等弊端日渐明显，用传统的技术来解决电网短路电流问题难度也越来越大。

电力电子技术是电子技术、控制技术、现代计算技术、电力技术的融合，能够利用电力电子器件对电能进行控制和转换。近几年来，随着大功率半导体器件的飞速发展而有了长足的进步。通过采用各种不同的电力电子技术可以提高电能质量，减少瞬时停电、电压突降/突升和谐波等。通过提高运行上的灵活性，电子控制能力可提高物理上或控制上的安全性，缓解电网的拥堵，良好的可控性会减少输电级、变电站级和配电级的电能损耗。为解决长期困扰城市电网的短路电流问题，提高电网控制的灵活性提供了广阔的应用前景。

综上所述，亟待解决的问题是：改进常规变电站的设计方案，以电力电子技术为核心，用固态电力电子设备取代传统变电站主要设备，完成电压变换、电能传输及设备保护控制等变电站主要功能，使其能够更好地适用于智能化变电站的组建过程。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种一次设备体积小、投资小而且一、二次设备动作调控能力好、稳定性高的电力电子变电站。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电力电子变电站，其特征在于：它包括若干路电源的进线，所述每一路进线分别经一第一固态断路器连接一进线侧母线；对应于所述每一路进线，所述进线侧母线上分别并联一电压互感器；两两所述进线之间的所述进线侧母线上设置有一第二固态断路器，所述每一路进线再依次经过一第三固态断路器、一电力电子变压器和一第四固态断路器连接出线侧母线，两两所述进线之间的所述出线侧母线上设置有一第五固态断路器；对应于所述每一路进线，所述出线侧母线引出三路电源出线且在出线侧母线的外侧分别并联一电压互感器，所述每一路出线上都设置有一第六固态断路器。

所述进线侧母线和所述出线侧母线的接线方式均为单母线分段。

它还包括固态电流限制器，对应于每相邻六路的所述电源出线上，其中一所述电源出线上串联一所述固态电流限制器以限制短路电流。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用固态断路器、电力电子变压器、固态电流限制器等电力电子设备，能够实现故障的快速隔离，提高电网精确控制能力，提升电网安全稳定运行水平；同时改变变电站现有结构形式，减小主设备体积，简化主设备配置，大幅降低占地面积，而且具有良好的可扩展性。2、本发明由于采用固态断路器来实现线路的开断功能，其开通/关断时间仅为微秒量级，因此具有动作控制灵活，速度快的特点；而且开通/关断过程不产生过电压和过电流，大幅度降低设备的绝缘水平和动热稳定性的要求；同时开断过程没有电弧，断路器寿命长，特别适合智能变电站发展要求，另外固态断路器的应用也取消了隔离开关的使用，所以开关设备数量大大减少，节省了设备占地。3、本发明由于采用固态电力电子变压器来实现电能变换功能，其可以实现输出电压的闭环控制，保持较高的输出电压调整率；同时将电网与用户隔离开来，既能消除网侧电压的波动、波形失真和频率波动，又能抑制由用户端产生的无功、谐波、瞬时短路对供电电网的影响。另外，其利用空气自然冷却,省去充油，从而减少污染,维护简单,安全性好，符合新一代变电站的发展要求。

附图说明

图1是常规变电站的主接线图

图2是本发明电力电子变电站的主接线图

图3是全控型固态断路器的结构示意图

图4是PWM控制型固态电力电子变压器结构图

图5是固态电流限制器原理接线图

图6是本发明电力电子变电站物联网控制图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

一般来说，电能在变电站内由进线端送入，经母线分配、开关设备（包括断路器和隔离开关）接通分断控制、变压器变换电压等级，最后经出线端将电能送出。如图1所示，常规变电站的设计是围绕传统一次设备，如机械-电气式断路器21、电磁式变压器23、电感式限流电抗器24、电压互感器22和无功补偿电容器25等。而本发明主要采用固态断路器、电力电子变压器、固态电流限制器等电力电子设备。

如图2所示，本发明包括若干路电源进线（以两路为例），每一路进线1分别经一固态断路器2连接一进线侧母线3；母线3接线方式为单母线分段以保证供电可靠，中间由分段固态断路器4连接；对应于每一路进线1，母线3的一侧并联一电压互感器5，以测量电源进线电压值。每一路进线1再依次经过一固态断路器6、一电力电子变压器7和一固态断路器8连接出线侧母线9。母线9接线方式同样为单母线分段，中间由分段固态断路器10连接。对应于每一路进线1，出线侧母线9引出三路电源出线11，且在其中一路电源出线11一侧的母线9上并联一电压互感器12，每一路出线11上都设置有一固态断路器13。对于每一路进线1，当双PWM变换型电力电子变压器7两侧固态断路器6、8合闸情况下，进线电源在电力电子变压器7处进行电压变换，由高电压变为低电压后到达出线侧母线9，再由出线侧母线9统一分配,形成三路低压电源出线11。针对短路故障情况产生，对应于每相邻六路的电源出线11，在其中一路出线11上除连接固态断路器13外，还串联一固态电流限制器（又称为固态故障电流限制器或固态短路限流器）14用以限制短路电流。

如图3所示，本发明中的固态断路器主要结构由两个IGBT31先反向并联二极管32后再串联组成，形成一个交流开关模块，再按额定电压将其串联起来构成IGBT全控型固态断路器。正常运行时，若控制电路中某一个正向IGBT31导通，与另一个IGBT31并联的二极管32自然导通，承载电路电流。如图2所示，电能经由固态断路器传输至下一设备或出线端；当开断电流或发生故障时，需要控制固态断路器关断，只需同时控制两个IGBT31器件关断，即将两个IGBT31的栅极电压驱动信号置零，则固态开关在2微秒内断开。

如图4所示，本发明中的电力电子变压器是采用双PWM变换型，它是在AC/DC/AC变换方案上建立起来的。它包括电压型三相PWM整流电路41、单相桥式逆变电路42、高频电力变压器43、单相桥式整流电路44、三相桥式逆变电路45和PWM控制电路46。如图2所示，电能由进线端进入，两电力电子变压器7两侧分别连接着两种电压等级母线3、9，在两电力电子变压器7处将高电压变换为低电压，最后在出线端送出下一级负荷适用的电能，完成电能在变电站内的变换传输。具体来说，工频高压交流电输入电力电子变压器原边，通过三相电压型PWM整流电路41变为直流电，从而实现电网电流的相位控制，然后通过单相桥式逆变电路42将其逆变为高频单相交流电，然后经高频电力变压器43耦合至副边，再经单相高频整流电路44，将变压器副边的高频交流电变为直流电，最后经三相桥式逆变电路45和PWM控制电路46，得到工频交流电输出。

如图5所示，本发明中的固态电流限制器主要包括三对串联的两两反并联的GTO51（门极可关断晶闸管），并联在每一对反并联的GTO51两端的吸收电路52，限流阻抗53和一个MOA（金属氧化物避雷器）54。在正常负荷条件下，GTO51开关闭合处于完全导通状态。GTO51开关由电流大小或电流上升率驱动，在几十微秒内可以转换为断开状态，并可断开很大的电流，使故障电流在达到所有破坏性的数值前很快受到限制。在GTO51关断瞬间，电流流向吸收电路52中的电容，吸收电路52在GTO51电压达到MOA54动作电压之前，限制了电压的上升速度。该电压也加在限流阻抗53上，由于限流阻抗53的作用，故障电流受到了限制。当故障被清除，线路电流恢复正常，GTO51开关则在电压为零或接近零时导通，这样可以避免吸收电路52中的电容放电电流太大，限制阻抗53上的电流将在几十毫秒内衰减掉。

本发明中的电力电子变压器以两侧的光学电流互感器测得光差作为故障判断依据，这种磁-光的保护动作信号相比于传统的磁-电的传统保护动作信号更加灵敏。这是由于差动保护的光子计算技术不需要转换为电信号，而是在光路层面直接进行Faraday旋光角的加减运算、比例运算和相移运算。光子差动保护利用光学电流互感器技术，为了确保光子差动保护装置的可靠性，电力电子变电站内要求一套光子差动保护装置所采用的全部光学电流互感器具有一致的暂态测量品质。在本发明中，光子差动保护不仅将显著提升保护装置的品质，而且与电力电子技术、网络技术联手，将成为电力二次系统结构和设备大幅度简化的支撑技术，将助力“电的一次系统，光的二次系统”之电网愿景实现。

如图6所示，本发明还可以采用物联网通信方式来实现远程可视化自适应协调控制。本发明电力电子变电站内的一次设备以及外围配备的站内辅助控制设备均内嵌具有无线收发功能的IED(智能电子装置)，其中：站内辅助控制设备包括但不限于温度传感器、防雷接地监测装置、门禁设备、形变传感器、电子围栏、SF6探烟气、水浸传感器、SF6泄漏报警器、RFID识别设备和摄像头。一次设备和站内辅助控制设备由于内嵌无线收发功能的IED(智能电子装置)，其具有一定的智能性与自主能力，所以它们各自相当于一台服务器，分布式地实现各自功能，所以可以将一次设备和辅助控制设备通过若干无线网络交换机61分别接入电力通信专网62和互联网63，而电力通信专网62与互联网63之间由防火墙64进行横向隔离以保证信息安全。此时，一次设备和辅助控制设备通过将各自的工作和状态信号经无线网络交换机61分别送入电力通信专网62和互联网63，再上传至电力电子变电站的站控系统和调度控制中心，其中，站控系统配置有高性能超级计算机，以负责站级系统控制，以及与电网互动，实现广域协调与控制。因此本发明可以实现远程可视化自适应协调控制，从而完成对智能变电站内设备的遥信、遥测、遥控、遥调。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种电力电子变电站，其特征在于：它包括若干路电源的进线，每一路所述进线分别经一第一固态断路器连接一进线侧母线；对应于所述每一路进线，所述进线侧母线上分别并联一电压互感器；两两所述进线之间的所述进线侧母线上设置有一第二固态断路器，所述每一路进线再依次经过一第三固态断路器、一电力电子变压器和一第四固态断路器连接出线侧母线，两两所述进线之间的所述出线侧母线上设置有一第五固态断路器；对应于所述每一路进线，所述出线侧母线引出三路电源出线且在出线侧母线的外侧分别并联一电压互感器，每一路出线上都设置有一第六固态断路器；

各所述固态断路器的主要结构都是由两个IGBT先反向并联二极管后再串联组成，形成一个交流开关模块，再按额定电压将所述两个IGBT串联起来构成IGBT全控型固态断路器；

所述电力电子变压器采用双PWM变换型，包括电压型三相PWM整流电路、单相桥式逆变电路、高频电力变压器、单相桥式整流电路、三相桥式逆变电路和PWM控制电路；工频高压交流电输入所述电力电子变压器原边，通过所述电压型三相PWM整流电路变为直流电实现电网电流的相位控制，然后通过所述单相桥式逆变电路将其逆变为高频单相交流电，然后经所述高频电力变压器耦合至副边，再经所述单相桥式整流电路将变压器副边的高频交流电变为直流电，最后经所述三相桥式逆变电路和PWM控制电路得到工频交流电输出。

2.如权利要求1所述的一种电力电子变电站，其特征在于：所述进线侧母线和所述出线侧母线的接线方式均为单母线分段。

3.如权利要求1或2所述的一种电力电子变电站，其特征在于：它还包括固态电流限制器，对应于每相邻六路的所述电源出线上，其中一所述电源出线上串联一所述固态电流限制器以限制短路电流。