CN103812139B - 基于单导线交直流混合技术的配电网系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单导线交直流混合技术的配电网系统，包括第一交流源和直流源，所述第一交流源和直流源均与第一Z型变压器相连，第一Z型变压器与第二Z型变压器通过线路相连，第二Z型变压器与升压斩波电路相连，第二Z型变压器还与第二交流源相连，第一交流源和第一Z型变压器之间还连接有第一负载，第二交流源和第二Z型变压器之间还连接有第二负载。利用本发明避免了铁芯饱和现象。通过采用Z型变压器减轻了铁芯饱和现象。采用Z型变压器的交直流配电网能够在无严重波形畸变的前提下，实现交流和直流的融合。

Description

基于单导线交直流混合技术的配电网系统

技术领域

本发明涉及一种基于单导线交直流混合技术的配电网系统。

背景技术

随着智能电网的快速发展，分布式新能源配电网接入方式受到越来越多的关注。新能源种类众多，包括风力发电、光伏发电、燃料电池、潮汐发电等等，但其本质仍然可以归纳为交流电源与直流电源两类。交流源的并网相对简单，采用变压器及一定的控制策略即可实现，研究的难点在于分布式新能源直流源的并网。目前提出的解决方法主要有两种，一种是通过采用传统的整流逆变装置将直流源转化为交流源并入交流配电网，另一种是构建微网。这两种接入方式的投资成本较高，并且会对大电网形成一定程度的冲击。因此，寻求一种低成本且弱冲击的分布式新能源配电网接入方式成为当前的智能电网研究的一个热点问题。

为简化分析，将种类数量众多的分布式新能源直流源以单个直流源代替，仅关注直流源接入配电网的问题，此直流源既可以是电压源，也可以是电流源。与传统的交流配电网相比，直流配电网能满足直流电器和电动汽车等直流负载的要求，并且可以不用考虑稳定性限制而配送更多的功率。然而，单纯的直流配电网因直流灭弧等技术限制而难以应用。针对光伏发电等直流电源以及电动汽车等直流负载接入电网的需要，提出一种单导线交直流混合配电网的新型拓扑，即三相输电线路中的每一根相线都同时输送交流与直流功率，以融合交流和直流配电网的优点，并弥补其缺点。

交直流混合输电的设想最初在输电技术领域提出。与单纯的交流或者直流输电相比，单导线交直流混合输电具有显著的优势，例如传输容量大，便于形成落点等。然而，由于在输电网电压等级下的交流与直流的耦合难题，交直流混合输电仍然无法应用于工程实际。极高电压下的交直流耦合会引起铁芯饱和，导致严重的电压电流波形的畸变。但在低电压电流水平的配电网中，交流和直流的耦合问题相对比较容易解决。将单导线交直流混合的思想应用于配电网，将省去传统的整流与逆变设备，便于实现新能源发电以及直流负载的接入。为了实现交直流配电网的工程应用，有两个关键的技术难题需要解决：一是交流和直流的耦合方法；二是交直流配电网的系统化，即实现非网络化的直流系统与网络化的交流系统之间的融合。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于单导线交直流混合技术的配电网系统，该系统避免了铁芯饱和现象，通过采用Z型变压器减轻了铁芯饱和现象，采用Z型变压器的交直流配电网能够在无严重波形畸变的前提下，实现交流和直流的融合。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

基于单导线交直流混合技术的配电网系统，包括第一交流源和直流源，所述第一交流源和直流源均与第一Z型变压器相连，第一Z型变压器与第二Z型变压器通过线路相连，第二Z型变压器与升压斩波电路相连，第二Z型变压器还与第二交流源相连。

所述升压斩波电路的相角差实现了交流功率的流动，电压差实现了直流功率的流动。

所述Z型变压器是用于实现交流与直流的耦合与解耦，在线路的一端，直流功率由Z型变压器的中性点注入，实现交流直流功率的同导线传输。在线路的另一端，直流功率由Z型变压器的中性点引出，用于供应直流负载。

所述第一交流源和第一Z型变压器之间还连接有第一负载，第二交流源和第二Z型变压器之间还连接有第二负载。

所述Z型变压器为具有六个相同的二次绕组的三相九绕组变压器，每一个绕组铁芯的首端线圈与下一个铁芯的末端线圈反向连接，所有的线圈末端连在一起形成中性点，各相都与原边线圈相连。

所述升压斩波电路为一个输出电压高于输入电压的直流-直流变换电路。

所述升压斩波电路包括电阻R和电容C，电阻R和电容C相并联，电容C的一端通过二极管D及电感L与第二Z型变压器相连，三极管的集电极设置在二极管D的正极端及电感L之间，三极管的发射极与电容的另一端相连且与地相连。

所述三极管为IGBT。

所述IGBT的栅极端上施加有控制脉冲。

所述第一Z型变压器与直流源之间的线路、第二Z型变压器与升压斩波电路之间的线路和第一Z型变压器与第二Z型变压器之间的线路上均设有数据采集点。

升压斩波电路是一个输出电压高于输入电压的直流-直流变换电路。相角差实现了交流功率的流动，电压差实现了直流功率的流动，为维持稳定的电压差就需要升压斩波电路。作为新型交直流配电网的必要设备，升压斩波电路用于维持拓扑节点间的电压差而实现功率流动。对于直流来说，每个拓扑节点若需输入直流功率，则输入端钳制为低电位，然后经升压斩波得到直流额定电压；若需输出直流功率，则不经升压斩波电路直接钳制为高电位，对外输出直流功率。另外，升压斩波电路也用于统一拓扑各节点的额定电压，以便于直流电源和直流负载接入配电网络。

另一方面，升压斩波电路实现了交直流配电网的系统化。节点可以分为两类：功率发送节点和功率吸收节点。直流功率由功率发送节点流向功率吸收节点。由于没有电压差，相同类型的节点间没有直流功率的流动。

此新型拓扑是可以进行多端直流输电的，但有一个限制条件，即每一个节点要么是直流功率输出节点，要么是直流功率输入节点。首先每个节点配电区域所接入的直流电源会优先供应这一区域所接入的直流负荷，若直流功率有剩余，则此节点作为直流功率输出节点，向外输出直流功率；若直流功率不足，则此节点作为直流功率输入节点，需要从其它节点输入直流功率。

交流和直流的耦合与解耦以及交直流配电网的系统化的问题分别由Z型变压器和升压斩波电路解决。

Z型变压器是绕组曲折型连接的特殊变压器。Z型变压器多应用于三相不接地系统的中性点引出和相对于大地参考点的中性点接地。Z型变压器也可用于抑制三次谐波电流，作为自耦变压器提供三相功率。

具有六个相同的二次绕组的三相九绕组变压器可用于曲折型的绕组连接，如图2所示。每一个绕组铁芯的首端线圈与下一个铁芯的末端线圈反向连接。所有的线圈末端连在一起形成中性点，各相都与原边线圈相连。每一相都与另一相耦合而抵消电压，中性点会有微弱的电流流入大地。在交直流混合配网拓扑中，直流功率可以通过绕组的中性点注入。一方面，注入的直流电流对于Z型变压器相当于附加的零序电流。当在线端A、B、C与中性点N之间加入零序电压时，在每个铁芯柱上的两个绕组产生的磁势大小相等，方向相反，合成磁势为零，三相铁芯柱上没有零序磁通。零序磁通只能通过外壳和周围介质形成闭合回路，磁阻很大，零序磁通很小，所以零序电抗也很小，因此对直流没有扼流作用，直流电流可以顺利通过。另一方面，因Z型变压器直流电流注入时，产生的磁通互相抵消，三相铁芯柱上的磁通没有改变，铁芯在磁化曲线上的工作点也没有改变，所以基本不会产生铁芯饱和现象。微弱的铁芯饱和仅由每个铁芯柱上的两个绕组流过的直流电流的不平衡所引起。因此，Z型变压器中性点直流电流的注入不会对变压器的正常运行产生影响。此外，在Z型变压器中性点处引入直流后，必然会对变压器绕组间的绝缘提出更高的要求，这限制了Z型变压器目前只能应用于较低电压等级的配电网中。实际上，随着交联聚乙烯电缆变压器技术的出现，绕组间的绝缘水平可以得到极大的提升。与注入过程相似，在线路的另一端，直流功率也可以由Z型变压器的中性点取出。由此，Z型变压器实现了交直流的耦合与解耦过程。

第一交流源、第二交流源、第一Z型变压器、第二Z型变压器与线路代表交流配电网，直流源代表分布式新能源发电直流电源（如光伏发电）。

Z型变压器是用于实现交流与直流的耦合与解耦的特殊变压器；升压斩波电路为电压变换电路。直流功率由Z型变压器的中性点注入，实现交流直流功率的同导线传输。在线路的另一端，直流功率由Z型变压器的中性点引出，用于供应直流负载。对于交直流混合配电网拓扑，Z型变压器和升压斩波电路是起决定性作用的设备。

本发明的有益效果：

1.避免了铁芯饱和现象。通过采用Z型变压器减轻了铁芯饱和现象。采用Z型变压器的交直流配电网能够在无严重波形畸变的前提下，实现交流和直流的融合。

2.更低的建设成本和更高的配送功率。这种新型拓扑因没有使用整流和逆变设备，其建设成本较低，且在相同的相电压峰值下，线电压低于交流配电网，可以减少线间绝缘的成本。另一方面，由于没有严格的静态稳定限制，新型拓扑结构相较于传统交流配电网可配送更多的功率。

3.便于新能源直流发电和直流负载接入电网。在新拓扑中，直流新能源发电可以不经转换，直接接入交直流配电网。另外，升压斩波电路仅有一个IGBT，控制简单。很多直流电器可以直接接入使用。

虽然新型拓扑结构有诸多优点，但是由于新型拓扑在同一导线上同时叠加了交流与直流，一些关键理论与工程技术问题仍然需要深入研究，比如新型拓扑对继电保护的影响等等。

附图说明

图1交直流混合配电网拓扑原理图；

图2Z型绕组示意图；

图3传统交流配电网电路图；

图4采用普通变压器的交直流配电网电路图；

图5采用Z型变压器的交直流配电网电路图；

图6有功功率仿真结果对比图；

图7电压仿真结果对比图；

图8电流仿真结果对比图；

图9直流电压仿真结果对比图；

图中，1、第一负载，2、第二负载，3、导线，4、第一普通变压器，5、第一普通变压器，6、第一交流源，7、第二交流源，8、数据采集点，9、控制脉冲，10、直流源，11、第一Z型变压器，12、第二Z型变压器，13、升压斩波电路。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1、2、5所示，基于单导线交直流混合技术的配电网系统，包括第一交流源6和直流源10，所述第一交流源6和直流源10均与第一Z型变压器12相连，第一Z型变压器11与第二Z型变压器12通过导线3相连，第二Z型变压器12与升压斩波电路13相连，第二Z型变压器12还与第二交流源7相连。

所述第一交流源6和第一Z型变压器11之间还连接有第一负载1，第二交流源7和第二Z型变压器12之间还连接有第二负载2。

所述Z型变压器为具有六个相同的二次绕组的三相九绕组变压器，每一个绕组铁芯的首端线圈与下一个铁芯的末端线圈反向连接，所有的线圈末端连在一起形成中性点，各相都与原边线圈相连。

所述升压斩波电路13为一个输出电压高于输入电压的直流-直流变换电路。

所述升压斩波电路13包括电阻R和电容C，电阻R和电容C相并联，电容C的一端通过二极管D及电感L与第二Z型变压器相连，三极管的集电极设置在二极管D的正极端及电感L之间，三极管的发射极与电容的另一端相连且与地相连。

所述三极管为IGBT。

所述IGBT的栅极端上施加有控制脉冲9。

所述第一Z型变压器11与直流源10之间的线路、第二Z型变压器12与升压斩波电路13之间的线路和第一Z型变压器11与第二Z型变压器12之间的导线3上均设有数据采集点8。

交直流混合配电网的功率和电压特性的计算方法

在交直流混合配电网系统中，对地瞬时电压是交流电压和直流电压的叠加。绝缘水平由导体的电压最大值U_max决定。若保持绝缘水平不变，即电压峰值保持不变，则有：

$U_{\max }=\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ph}}=U_d+\sqrt{2}{U}_a---\left(1\right)$

式中，U_ph是原交流线路相电压的有效值，U_d是交直流混合配电网直流电压分量，U_a是交流分量相电压的有效值。

相同的直流分量同时叠加在三相线路上，所以线电压有效值是小于意味着线与线之间的绝缘水平可以降低。该新型拓扑以交流为主，直流为辅，直流仅是为了目前少量的分布式直流电源与直流负荷的接入，因而直流电流所占的比例会比较低，以保证电流的过零点的限制条件，避免直流电弧难以熄灭的问题。

可根据已有的成熟潮流计算方法得出叠加直流分量之前纯交流线路的有功功率以及各相电流。叠加直流电流之后，由变压器二次绕组的中性点注入的直流平均分配在三相上，交直流混合配电网的总有功功率是

P_total＝P_a+P_d＝P_a+U_dI_d（2）

式中，P_a是交流有功功率；P_d是直流功率；I_d为中性点注入的直流。

线路的理想功率输送能力由热稳定极限决定，高于目前由交流系统功角稳定极限决定的输送能力。由于直流功率不会改变交流系统的相角，在交流功率依然遵守功角稳定限制的前提下，交直流混合配电网的总输送功率大于相同线路下单纯的交流系统在功角稳定制约下的输送功率。另一方面，由于直流的快速可控性，交直流配网中，直流负荷的波动（在直流系统容量的范围内）不会影响到交流系统。另一方面，对于交直流两用负荷（即既可使用交流又可以使用直流的负荷，比如电热设备等），直流的快速可控性可以在电网交流功率不足时，将交流供电的两用负荷转为直流供电，在电网交流功率过剩时，又可以将部分直流供电的两用负荷转为交流供电。这样增大了交流功率调节的范围，提高了交流系统的功角稳定裕度。所以交直流配网流过的电流可以增至接近热极限，意味着交直流配网的总功率配送能力能够显著增加。

假设I_a是a相的交流电流，I_th是最高运行温度下的最大电流。因此，I_th可由下式表示：

$I_{\mathrm{th}}=\sqrt{{I_a}^2+{\left(\frac{I_d}{3}\right)}^2}---\left(3\right)$

交直流配电网的直流电流见下式：

$I_d=3\sqrt{{I_{\mathrm{th}}}^2-{I_a}^2}---\left(4\right)$

根据以上公式可以计算出交直流混合配电的最大功率。

传统交流配电网电路图如图3所示，采用普通变压器的交直流配电网电路图如图4所示，采用Z型变压器的交直流配电网电路图如图5所示，普通变压器包括第一普通变压器4和第二普通变压器5，应用PSCAD软件搭建了新型拓扑的仿真模型，并分别与传统交流配电网以及采用普通变压器的交直流配电网进行了分析比较。该模型中，配电网线路由包含分布式的系统电感和电容参数，集中式的系统阻抗参数的Bergeron模型表示。其中负荷等效阻抗为20+j31.4Ω，交流源额定容量为100MVA，额定电压为10kV，频率为50Hz，线路长30km，变压器变比均为1：1，直流电源为电压源，额定电压为3kV。为保持线路相同的绝缘水平，三个模型的峰值电压相同，均取8kV。仿真结果如图6至图8所示。

图6中，曲线1指采用普通变压器的交直流配电网的总有功功率；曲线2指采用Z型变压器的交直流配电网总有功功率；曲线3指纯交流配电网的有功功率；曲线4指采用普通变压器的交直流配电网交流有功功率；曲线5指采用Z型变压器的交直流配电网交流有功功率；曲线6指采用普通变压器的交直流配电网直流功率；曲线7指采用Z型变压器的交直流配电网直流功率。对比采用普通变压器和Z型变压器的交直流配电网曲线，有功功率是相同的。这说明在交直流配电网中，变压器不影响有功功率。另一方面，对比曲线3与曲线1和2，在相同的峰值电压下，交流配电网的功率低于交直流混合配电网的功率。这说明交直流混合配电网拓扑改善了线路的配送能力。

图7中，曲线1指采用普通变压器的交直流配电网电压；曲线2指采用Z型变压器的交直流配电网电压；曲线3指纯交流配电网电压。这三条曲线的幅值近似相等。然而，曲线1有严重的波形畸变。这说明由于直流功率的注入，普通变压器发生严重的铁芯饱和现象。在同样的条件下，采用Z型变压器的交直流配电网的波形是正常而平滑的，没有畸变现象。

图8中，曲线1指采用普通变压器的交直流配电网的电流；曲线2指采用Z型变压器的交直流配电网的电流；曲线3指纯交流配电网的电流。图8中，三条曲线都有过零点。这说明交直流配电网仍然可以较好的灭弧。

图9中，曲线1指采用Z型变压器的交直流配电网直流源处直流电压；曲线2指采用Z型变压器的交直流配电网负载侧直流电压；曲线3指采用普通变压器的交直流配电网直流源处直流电压；曲线4指采用普通变压器的交直流配电网负载侧直流电压。根据仿真结果可发现，采用Z型变压器的直流电压波形明显好于采用普通变压器的波形。

综上所述，交直流配电网的功率特性优于传统的交流配电网，而采用Z型变压器的交直流配电网的电压特性优于采用普通变压器的交直流配电网。

Claims (7)

1.基于单导线交直流混合技术的配电网系统，其特征是，包括第一交流源和直流源，所述第一交流源和直流源均与第一Z型变压器相连，第一Z型变压器与第二Z型变压器通过线路相连，第二Z型变压器与升压斩波电路相连，第二Z型变压器还与第二交流源相连；

所述升压斩波电路的相角差实现了交流功率的流动，电压差实现了直流功率的流动；

所述第一Z型变压器和第二Z型变压器是用于实现交流与直流的耦合与解耦，在线路的一端，直流功率由第一Z型变压器的中性点注入，实现交流直流功率的同导线传输，在线路的另一端，直流功率由第二Z型变压器的中性点引出，用于供应直流负载；

所述升压斩波电路包括电阻R和电容C，电阻R和电容C相并联，电容C的一端通过二极管D及电感L与第二Z型变压器相连，三极管的集电极设置在二极管D的正极端及电感L之间，三极管的发射极与电容的另一端相连且与地相连。

2.如权利要求1所述的基于单导线交直流混合技术的配电网系统，其特征是，所述第一交流源和第一Z型变压器之间还连接有第一负载，第二交流源和第二Z型变压器之间还连接有第二负载。

3.如权利要求1所述的基于单导线交直流混合技术的配电网系统，其特征是，所述第一Z型变压器和第二Z型变压器为具有六个相同的二次绕组的三相九绕组变压器，每一个绕组铁芯的首端线圈与下一个铁芯的末端线圈反向连接，所有的线圈末端连在一起形成中性点，各相都与原边线圈相连。

4.如权利要求1所述的基于单导线交直流混合技术的配电网系统，其特征是，所述升压斩波电路为一个输出电压高于输入电压的直流-直流变换电路。

5.如权利要求1所述的基于单导线交直流混合技术的配电网系统，其特征是，所述三极管为IGBT。

6.如权利要求5所述的基于单导线交直流混合技术的配电网系统，其特征是，所述IGBT的栅极端上施加有控制脉冲。

7.如权利要求1所述的基于单导线交直流混合技术的配电网系统，其特征是，所述第一Z型变压器与直流源之间的线路、第二Z型变压器与升压斩波电路之间的线路和第一Z型变压器与第二Z型变压器之间的线路上均设有数据采集点。