CN104578046A - 一种全柔性化结构的直流配电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全柔性化结构的直流配电系统，所述直流配电系统的电压转换器件为固态变压器，包括交流\直流型固态变压器、直流\直流型固态变压器以及直流\直流\交直流型固态变压器；所述交流\直流型固态变压器的交流侧与不同的交流配电线路或交流型分布式电源相连，直流侧与直流配电线路相连；所述直流\直流型固态变压器的低压侧与直流型分布式电源相连、其高压侧与直流配电线路相连；直流\直流\交直流型固态变压器的高压直流侧与直流配电线路相连，交流侧与交流用电线路相连，提供交流供电，其低压直流侧与直流用电线路相连，提供直流供电。应用发明的直流配电系统，在实现交、直流灵活变换构建直流配电系统的同时，能便于分布式电源和储能的直流方式接入，提供高质量的交、直流供电，还能灵活构成多种结构的直流配电网。

Description

一种全柔性化结构的直流配电系统
技术领域
本发明涉及柔性交流输配电技术，具体涉及一种全柔性化结构的直流配电系统。
背景技术
由于风电、太阳能等绿色可再生能源发电具有间歇性、随机性特点，传统电力装备、电网结构和运行技术等在接纳越来愈多的分布式可再生电源方面越来越力不从心，而以直流形态接入配电网的方式更适合这些分布式可再生能源的高渗透率接入；传统配电网是交流电网并不具备直流用电功能，大量电子式直流负荷目前采用的方法一般在用电负荷侧各自加装电力电子整流电源器的方式将配电变压器提供的交流电转换为直流电以供用户正常使用；另一方面碳化硅SiC，氮化镓GaN等宽禁带半导体材料研究飞速发展，这些具备高压、高效率、高频、高导热性等特性的新型半导体材料使未来基于电力电子技术的电气装备在智能配电网中的全柔性控制成为了可能。
与交流配电网相比，直流配电网在输送容量、可控性以及提高电能质量等方面具有优势，可以有效地提高供电容量与电能质量，快速独立地控制有功功率和无功功率，减少电力电子变流器的使用，降低损耗和运行成本，并可以协调大电网与分布式电源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的价值和效益，提高能源利用率，因此在交流配电网的背景下，建设可靠性高、安全性好、稳定性强和运行费用低的直流配电网具有巨大的市场潜力和经济价值。
目前在现有交流配电网中建设直流配电网多借鉴高压直流输电(High Voltage DirectCurrent，HVDC)或轻型直流输电系统模式HVDC Light时，鉴于直流配电网目前尚无成熟的系统结构和构建方式，而且HVDC与直流配电网的应用两者之间又存在很大的不同，如：应用场合不同、拓扑结构不同、控制要求和复杂度不同、继电保护控制策略和能量管理方式不同等，因此需提供一种技术方案来构建适合未来配电网发展的交直流混合配电系统特有的系统结构。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供全柔性化结构的直流配电系统，所述直流供电系统的电压转换器件为固态变压器，所述固态变压器包括交流\直流型固态变压器、直流\直流型固态变压器以及直流\直流\交直流型固态变压器；所述交流\直流型固态变压器的交流侧与不同的交流配电线路或交流型分布式电源相连，直流侧与直流配电线路相连；所述直流\直流型固态变压器的低压侧与直流型分布式电源相连、其高压侧与直流配电线路相连；直流\直流\交直流型固态变压器的高压直流侧与直流配电线路相连，交流侧与交流用电线路相连，提供交流供电，其低压直流侧与直流用电线路相连，提供直流供电。
优选地，所述交流\直流型固态变压器的主电路拓扑包括依次连接的高压侧AC\DC模块、高频DC\AC模块、高频AC\DC模块以及两端的直流滤波器模块。
优选地，所述高压侧AC\DC模块由多电平结构的整流器构成，通过直流母线与所述高频DC\AC模块相连接。
优选地，所述高频DC\AC模块由多电平结构的谐振逆变器构成，通过高频变压器与所述高频AC\DC模块相连接。
优选地，所述高频AC\DC模块由大功率谐振整流器构成，通过直流滤波器后与所述直流配电线路相连。
优选地，所述直流\直流型固态变压器的主电路拓扑包括依次连接的高频DC\AC模块、高频变压器、高频AC\DC模块以及两端的直流滤波器模块。
优选地，所述高频DC\AC模块由多电平结构的谐振逆变器构成，通过高频变压器与所述高频AC\DC模块相连接。
优选地，所述直流\直流\交流型固态变压器主电路拓扑包括依次连接的高频DC\AC模块、高频AC\DC模块、DC\AC模块、DC\DC模块以及两端的直流、交流滤波器模块。
优选地，所述高频DC\AC模块由多电平谐振逆变器组成，经高频变压器变压后所述频AC\DC模块相连。
优选地，所述高频AC\DC模块由谐振整流器组成，通过直流母线分别与DC\AC模块和DC\DC模块连接。
优选地，所述DC\AC模块由逆变器组成，输出端与交流负载连接；所述DC\DC模块由斩波器组成，输出端与直流负载连接。
和最接近的现有技术比，本发明的有益效果为：
本专利提出了一种基于电力电子技术的灵活、全可控直流配电系统，该系统摒弃了传统配电变压器这种刚性、不可控的设备，为实现配电系统的全柔性控制打下坚实基础。在实现交、直流灵活变换构建直流配电系统的同时，还能便于分布式电源和储能的直流方式接入，并提供高质量的交、直流供电，而不需要其他控制设备，除此之外还能灵活构成多种结构的直流配电网。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明全柔性化结构的简图；
图2为本发明直流配电系统中固态变压器原理图；
图3a为本发明直流配电系统中交流\直流型固态变压器；
图3b为本发明直流配电系统中直流\直流型固态变压器；
图3c为本发明直流配电系统中直流\直流\交流型固态变压器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提出了一种全新的全柔性控制的直流配电系统，通过以电力电子技术和信息技术为基础的全柔性控制设备：交流\直流型固态变压器、直流\直流型固态变压器以及直流\直流\交流型固态变压器，构建适应分布式电源接入的直流配电系统。图1为本发明全柔性化结构的简图。如附图1所示，交流\直流型固态变压器1与交流\直流固态变压器2的结构相同，它们的交流侧分别与不同的交流配电线路相连，经交流\直流型固态变压器1与交流\直流固态变压器2整流变压后形成直流配电线路；直流\直流型固态变压器1与直流\直流型固态变压器2的结构相同，它们的低压侧与直流型分布式电源相连，经直流变压后，其高压侧与直流配电线路相连，方便直流型分布式电源接入电网；交流\直流型固态变压器3和交流\直流型固态变压器4的结构相同，其交流侧与交流型分布式电源相连，经交流\直流型固态变压器3和交流\直流型固态变压器4整流变压后其直流侧与直流配电线路相连，方便交流型分布式电源接入电网；直流\直流\交流型固态变压器1和直流\直流\交流型固态变压器2结构相同，其直流侧与直流配电线路相连，经变压整流和逆变后可同时提供高质量的交流供电和直流供电。
本实施例采用的系列固态变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能交换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电力设备，采用合适的拓扑结构和全可控电力电子器件可以方便实现四象限运行，从而有功和无功功率可以进行双向传递。在结构上，它包含两个基本要素：电力电子变换器和高频变压器，图2为本发明直流配电系统中固态变压器原理图。如图2所示，电力电子变换器包含了主电路部分和控制电路部分，高频变压器实现两侧电力电子变换器的链接，其主要功能是隔离及电压等级变换，频率通常工作在千赫兹(kHz)级别，高频的目的主要是大幅缩小变压器的体积、减轻重量、减少散热以及提高容量与效率等。
通过对其系统结构和控制策略的适当设计，它在实现交、直流电压等级变换和电能质量控制的同时，还可以将不同频率、不同电压的各种分布式电能变换成频率恒定电压灵活可调的工频交流电，实现分布式电源的互联以及并入电网，而无需任何外加的调频调压装置和配电变压器，如图3(a-c)所示，在该直流配电系统中，同时具有交流\直流型固态变压器、直流\直流型固态变压器和直流\直流\交流型固态变压器。
(1)交流\直流型固态变压器
本发明中交流\直流型固态变压器包括两类：1类是如图1中所示的交流\直流型固态变压器1和交流\直流型固态变压器2，这类固态变压器主要负责与交流配电线路相连，经变压整流后输出直流与直流配电线路相连，支持电能的双向流动；另一类是如图1中所示的交流\直流型固态变压器3与交流\直流型固态变压器4，此类固态变压器负责将不同频率的交流型分布式电源经整流变换为直流后接入直流配电线路。这两类固态变压器都是交流\直流型固态变压器，其结构相同，只是在控制策略上略有不同，其主电路拓扑如附图3a所示，图3a为本发明直流配电系统中交流\直流型固态变压器。本专利设计了带有中间高频隔离的主电路结构，可实现双向潮流灵活控制，主要包括高压侧AC\DC模块、高频DC\AC模块、高频AC\DC模块和直流滤波器模块。其中高压侧AC\DC模块，由多电平结构的整流器构成，负责与三相交流电源连接，将交流电整流为直流电，经直流母线与高频DC\AC模块相连，高频DC\AC模块主要由多电平结构的谐振逆变器构成，主要负责将直流电逆变为高频方波，通过高频变压器的变压、隔离，与高频AC\DC模块相连，高频AC\DC模块主要由大功率谐振整流器构成，负责将高频方波整流为直流电，经直流滤波器后输出符合标准的直流电并与直流配电线路相连。
(2)直流\直流型固态变压器
直流\直流型固态变压器，是将一种等级的直流电压和电流转换为另一种等级的直流电压和电流的固态变压器，其主电路拓扑如图3b所示，图3b为本发明直流配电系统中直流\直流型固态变压器。本专利设计了带有中间高频隔离的主电路结构，可实现双向潮流灵活控制，主要包括：高频DC\AC模块、高频变压器、高频AC\DC模块以及两端的直流滤波器模块。该直流\直流型固态变压器，主要负责将直流型分布式电源、储能接入直流配电网，以实现直流型分布式电源和储能的直流方式接入。
(3)直流\直流\交流型固态变压器
直流\直流\交流型固态变压器，是将一种等级的直流电压和电流变换为另一种等级的直流电压和电流，并且同时输出交流电压和电流的综合性固态变压器，其主电路拓扑如图3c所示，图3c为本发明直流配电系统中直流\直流\交流型固态变压器。本发明设计了带有中间高频隔离的主电路结构，主要包括：高频DC\AC模块、高频AC\DC模块、DC\AC模块、DC\DC模块以及交流、直流滤波器模块等。直流配电线路与该固态变压器的高压直流线路相连，经直流滤波器，通过高频DC\AC模块转换为高频方波，其中高频DC\AC模块主要由多电平谐振逆变器组成，高频方波经高频变压器变压、隔离后与高频AC\DC模块相连，高频AC\DC模块主要由谐振整流器组成，将高频方波整流为直流，其直流母线上分别连接DC\AC模块和DC\DC模块，其中DC\AC模块主要由逆变器组成，将直流电变换为标准的工频交流电经交流滤波器后输出高质量电能供给交流负载，DC\DC模块主要由斩波器组成，经直流滤波器形成直流用电线路，输出高质量的直流电能供给直流负载。
本发明所提出的一种新型全柔性化结构的直流配电系统。通过以电力电子技术和信息技术为基础的全柔性控制设备：交流\直流型固态变压器、直流\直流型固态变压器以及直流\直流\交直流型固态变压器，构建适应分布式电源接入的全柔性化结构直流配电系统,为实现配电系统的全柔性控制打下坚实基础。在实现交、直流灵活变换构建直流配电系统的同时，还能便于分布式电源和储能的直流方式接入，并提供高质量的交、直流供电，而不需要其他控制设备，除此之外还能灵活构成多种结构的直流配电网。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种全柔性化结构的直流配电系统，其特征在于，所述直流供电系统的电压转换器件为固态变压器，所述固态变压器包括交流\直流型固态变压器、直流\直流型固态变压器以及直流\直流\交直流型固态变压器；所述交流\直流型固态变压器的交流侧与不同的交流配电线路或交流型分布式电源相连，直流侧与直流配电线路相连；所述直流\直流型固态变压器的低压侧与直流型分布式电源相连、其高压侧与直流配电线路相连；直流\直流\交直流型固态变压器的高压直流侧与直流配电线路相连，交流侧与交流用电线路相连，提供交流供电，其低压直流侧与直流用电线路相连，提供直流供电。
2.根据权利要求1所述的直流配电系统，其特征在于，所述交流\直流型固态变压器的主电路拓扑包括依次连接的高压侧AC\DC模块、高频DC\AC模块、高频AC\DC模块以及两端的直流滤波器模块。
3.根据权利要求2所述的直流配电系统，其特征在于，所述高压侧AC\DC模块由多电平结构的整流器构成，通过直流母线与所述高频DC\AC模块相连接。
4.根据权利要求3所述的直流配电系统，其特征在于，所述高频DC\AC模块由多电平结构的谐振逆变器构成，通过高频变压器与所述高频AC\DC模块相连接。
5.根据权利要求4所述的直流配电系统，其特征在于，所述高频AC\DC模块由大功率谐振整流器构成，通过直流滤波器后与所述直流配电线路相连。
6.根据权利要求1所述的直流配电系统，其特征在于，所述直流\直流型固态变压器的主电路拓扑包括依次连接的高频DC\AC模块、高频变压器、高频AC\DC模块以及两端的直流滤波器模块。
7.根据权利要求6所述的直流配电系统，其特征在于，所述高频DC\AC模块由多电平结构的谐振逆变器构成，通过高频变压器与所述高频AC\DC模块相连接。
8.根据权利要求1所述的直流配电系统，其特征在于，所述直流\直流\交流型固态变压器主电路拓扑包括依次连接的高频DC\AC模块、高频AC\DC模块、DC\AC模块、DC\DC模块以及两端的直流、交流滤波器模块。
9.根据权利要求8所述的直流配电系统，其特征在于，所述高频DC\AC模块由多电平谐振逆变器组成，经高频变压器变压后所述频AC\DC模块相连。
10.根据权利要求8所述的直流配电系统，其特征在于，所述高频AC\DC模块由谐振整流器组成，通过直流母线分别与DC\AC模块和DC\DC模块连接。
11.根据权利要求10所述的直流配电系统，其特征在于，所述DC\AC模块由逆变器组成，输出端与交流负载连接；所述DC\DC模块由斩波器组成，输出端与直流负载连接。2 -->
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