CN106875288A - 一种柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法及相应的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法，包括梳理柔性中压直流配电网的应用方向和需求，确定所述柔性中压直流配电网的接入对象；根据接入对象的类型、电压等级和容量，确定柔性中压直流配电网的主回路结构、电压等级和容量；确定柔性中压直流配电网的运行方式；确定各类换流器的运行方式及技术要求；对各类换流器进行选型，明确主换流器的拓扑结构；对主接线方式进行选型，明确主接线方式；对接线方式进行选型，明确接地方式。实施本发明，能够为直流配电网的系统规划、能源管理、控制保护策略、绝缘配合研究等提供参考。

Description

一种柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法及相应的 系统

技术领域

本发明涉及智能配电网接入技术领域，尤其涉及一种柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法及相应的系统。

背景技术

随着新能源发电和电网负荷类型的发展，基于柔性直流技术的智能配电网已成为城市新型配电网的发展趋势。柔性直流配电网系统架构的分析和设计是系统规划、能源管理、控制保护策略、绝缘配合研究的基础。

目前，国内外针对直流配电网的研究主要集中在拓扑结构、控制方式、电压等级和保护等方面，对基于柔性直流技术的智能配电网系统架构的统一分析和设计方法研究较少。直流输电的系统架构相对简单，传统高压直流输电系统通过换流变压器与交流电网之间实现连接，柔性直流输电系统一般通过联接变压器与交流电网相连接，而没有其他接入对象。

柔性直流中压配电网系统架构，目前还没有形成统一的标准，虽然可以参考高压直流输电系统和柔性直流输电系统与交流电网连接方式的设计思路和原则，但由于基于柔性直流技术的智能配电网在拓扑结构上与高压直流输电和柔性直流输电系统有较大的不同，其直流线路的负荷包括了交/直流敏感负荷、含分布式电源的交/直流微网以及储能装置等，因此柔性中压直流配电网系统架构的分析和设计方法需要专门分析和验证。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种柔性中压直流配电网系统架构的统一分析和设计方法及相应的系统，能够为直流配电网的系统规划、能源管理、控制保护策略、绝缘配合研究等提供参考。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法，所述方法包括：

a、梳理柔性中压直流配电网的应用方向和需求，确定所述柔性中压直流配电网的接入对象；根据接入对象的类型、电压等级和容量，确定柔性中压直流配电网的主回路结构、电压等级和容量；

b、根据系统运行要求，确定柔性中压直流配电网的运行方式；根据所述柔性中压直流配电网的运行方式，确定各类换流器的运行方式及技术要求；

c、根据各类换流器的运行方式及技术要求，对各类换流器进行选型，明确主换流器的拓扑结构；

d、根据柔性中压直流配电网的主回路结构和主换流器拓扑结构，对主接线方式进行选型，明确主接线方式；

e、根据柔性中压直流配电网的主接线方式以及系统可靠性需求，对接线方式进行选型，明确接地方式。

优选地，所述步骤a中的接入对象包括：无功率反送的交流敏感负荷、有功率反送的交流微网、无功率反送的直流微网、有功率反送的大容量储能；所述柔性中压直流配电网的主回路结构为具有两个独立交流电源的“手拉手”直流配电网络拓扑，中压直流电压等级±10kV，容量25MW。

优选地，所述步骤b中的柔性中压直流配电网的运行方式包括：双端供电运行方式、单换流器运行方式、双端隔离运行方式、功率支援运行方式、STATCOM运行方式。

优选地，所述步骤c中主换流器主要包括：连接交流配电网与中压直流配电网的VSC换流器，连接中压直流配电网和低压直流配电网的直流变压器；所述的VSC换流器的拓扑结构包括：两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平换流器；所述的直流变压器的拓扑结构包括：器件串联直流变压器、多重化直流变压器和模块化多电平直流变压器。

优选地，所述步骤d中主接线方式主要包括：单极不对称接线方式、单极对称接线方式和双极接线方式。

优选地，所述步骤e中接地方式主要包括：交流侧接地和直流侧接地，以及高阻接地和低阻接地；当直流侧存在接地点时，优先选择直流侧接地；当直流侧不存在接地点时，优先选择交流侧接地；当可靠性要求较高时，选择高阻接地，保证单极短路故障时系统持续运行，否则选择低阻接地。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于通过柔性中压直流配电网的应用方向和需求，确定所述柔性中压直流配电网的接入对象，从而确定柔性中压直流配电网的主回路结构、电压等级和容量。并根据系统运行要求，确定柔性中压直流配电网的运行方式，以及确定各类换流器的运行方式及技术要求。根据各类换流器的运行方式及技术要求，对各类换流器进行选型，明确主换流器的拓扑结构并对主接线方式进行选型，明确主接线方式。根据主接线方式以及系统可靠性需求，对接线方式进行选型，明确接地方式。本发明根据柔性中压直流配电网的系统运行要求，通过预设的分析软件对主换流器电气量参数进行计算，对主换流器区域接线进行设计，从而得到所需柔性中压直流配电网的系统架构，为直流配电网的系统规划、能源管理、控制保护策略、绝缘配合研究等提供了参考。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法的流程图；

图2（a）为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网接入输电系统的应用方向；

图2（b）为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网接入微电网系统的应用方向；

图3为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网的接入对象；

图4为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网的主回路结构；

图5为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网的换流器运行方式及技术要求；

图6为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网的换流器VSC1和VSC2拓扑结构示意图；

图7为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网的换流器VSC3拓扑结构示意图；

图8为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网的换流器UVSC拓扑结构示意图；

图9为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网的换流器DCSST拓扑结构示意图；

图10为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网的换流器UDCSST拓扑结构示意图；

图11为本发明实施例提供的柔性中压直流配电网的主回路接线和接地方式。

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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法。

在步骤S10中，梳理柔性中压直流配电网的应用方向和需求，确定所述柔性中压直流配电网的接入对象；根据接入对象的类型、电压等级和容量，确定柔性中压直流配电网的主回路结构、电压等级和容量。

首先梳理柔性中压直流配电网的应用方向和需求，如图2（a）所示，从输电网向配电网的发展来看，在柔性中压直流配电网接入输电系统存在如下的几种应用方向和需求：其一、为直流输电向配电的发展提供配电接口，中压直流配电母线可以通过直流变压器直接与直流输电网连接，而无需经过交流电网的过渡，减少变换环节，提高系统可靠性，可参见左侧的图片所示；其二、通过AC/DC变换隔离交流输配电系统电压跌落、治理谐波、补偿无功功率，可参见中间的图片所示；其三、采用多端配电结构，多电源相互支撑提高供电可靠性，可参见右侧的图片所示。

如图2（b）所示，从微电网向配电网的发展来看，在柔性中压直流配电网接入微电网系统存在如下的几种应用方向和需求：其一、面向有高可靠性和高电能质量需求的大功率交流电力用户、变频负荷、直流负荷等，提供可定制性的高质量供电解决方案，可参见左侧两个图片所示；其二为大容量电动汽车充电站（包括V2G形式）、电池储能站和光伏发电站等提供直流并网接口，减少电压变换环节，减少设备投资和运行损耗，提高系统可靠性，可参见第三个图片所示；其三为直流或交流的微电网提供并网接口，提高微网系统运行的可靠性，并且满足交流微电网的谐波治理、无功补偿和能量反送需求，可参见第四个图片所示。

根据上述应用方向，本实施例中中压直流配电网以提高供电可靠性、改善电能质量、接入新能源、储能以及交直流敏感负荷为应用方向。由此，确定柔性中压直流配电网的接入对象有：1）无功率反送的交流敏感负荷；2）有功率反送的交流微网；3）无功率反送的直流微网；4）有功率反送的大容量储能。接入对象的类型、电压等级和容量如图3所示。

根据接入对象的类型、电压等级和容量，确定柔性中压直流配电网的主回路结构，如图4所示。为了提高配电网的供电可靠性，采用具有两个独立交流电源的“手拉手”直流配电网络拓扑，中压直流电压等级±10kV，容量25MW。

本实施例中，柔性中压直流配电网通过2个换流器与交流系统交换能量，既可由两端VSC为配网供电，又可在其中一端VSC退出运行时，由剩余一端VSC维持系统的正常运行。同时，直流配电网内的线路断开、部分可控设备退出运行都可能导致运行方式的改变。因此，为保证配电网内负荷的供电可靠性，系统应满足在网架结构或运行条件发生变化时，对各可控端的控制模式进行快速的平滑切换以满足当前的运行状态。

在步骤S12中，根据系统运行要求，确定柔性中压直流配电网的运行方式；根据所述柔性中压直流配电网的运行方式，确定各类换流器的运行方式及技术要求；具体地，包括：

首先，根据上述系统运行要求，确定柔性中压直流配电网的运行方式如下：

（1）双端供电运行方式

中压直流配电网内所有设备均正常时，2端交流系统经过VSC共同为直流配电网供电。在该运行方式下，一端采用定直流电压控制，另一端则采用定功率控制或下垂控制，具体可根据能量优化系统或事先确定的优先级来确定。

对于有功率反送能力的交流负荷可以根据需要采用定交流电压或定有功功率控制模式；对于有功率反送能力的直流负荷可以根据需要采用定低压直流电压或定有功功率控制模式。对于无功率反送能力的交流负荷同样可以采用定交流电压或定有功功率控制模式；对于无功率反送能力的直流负荷同样可以采用定低压直流电压或定有功功率控制模式，需要注意的是此时有功功率的传送只能是由中压直流母线到负荷。

（2）单换流器运行方式

一端换流器故障时，交流系统仅通过单个VSC向直流配网供电。在这种情况下，中压直流母线电压由正常的VSC控制，中压直流母线下的其它各设备维持控制模式不变。

（3）双端隔离运行方式

中压直流母线断开时，两端交流系统可以通过各自的VSC形成两个独立的辐射状直流配网。两端VSC均采取定直流电压控制模式，对两个直流配电网分别供电。

（4）功率支援运行方式

与VSC联结的交流电网出现故障，为了保证交流电网中的重要负荷不断电，直流配电网在功率富余的前提下，可以给交流电网提供短时支援。此时，若只有一端交流电网需要支撑，则此端VSC工作在定交流电压控制模式，另一端工作在定直流电压控制模式；若两端交流电网均需要支撑，则两端VSC均工作在定交流电压控制模式，中压直流母线由VSC3或者DCSST控制，具体可根据所接系统类型和可调度功率来确定中压直流母线电压控制的优先级。

（5）STATCOM运行方式

STATCOM方式运行时，系统不设置有功功率传输，直流配电网中2个与交流系统联接的VSC独立运行在STATCOM模式，实现交流侧无功补偿。需要注意的是，虽然其它模式中，VSC也可以调节无功，但是以有功控制为主，无功容量不大。

其次，根据上述柔性中压直流配电网的运行方式，可以得到各类换流器的运行方式及技术要求，如图5所示：

第1类设备：用于接入无功率反送需求的交流负荷和就地消纳的新能源交流微网。此时，直流配网需提供网侧直流支撑电压，设备完成DC/AC变换，且只需具有单向功率传输能力。在接入交流负荷时，设备只需进行交流侧定电压控制；在接入交流微网时，根据微网的运行方式，设备可实现交流侧定电压和定功率控制。

第2类设备：用于接入发电机等独立交流发电设备。由于发电机等设备输出电压固定，设备完成AC/DC变换，且只需具有单向功率传输能力。根据直流配网侧的运行方式，设备可实现直流侧定电压和定功率控制。

第3类设备：用于接入有功率交换需求的交流配电网和新能源交流微网。此时设备具有双向功率能力，可完成AC/DC或DC/AC变换。根据直流配网、交流电网以及新能源微网系统的运行方式，设备可实现直流侧定电压、交流侧定电压，以及定功率控制（双向）。

第4类设备：用于接入无功率交换需求的直流负荷和就地消纳的新能源直流微网。此时，直流配网需提供网侧直流支撑电压，设备完成DC/DC变换，且只需具有单向功率传输能力。在接入直流负荷时，设备只需实现直流负荷侧定电压控制；在接入直流微网时，根据微网的运行方式，设备可实现直流微网侧定电压和定功率控制。

第5类设备：用于接入有功率交换需求的直流储能系统和新能源直流微网。此时，设备具有双向功率传输能力，可完成双向的DC/DC变换。根据直流配网、直流储能系统以及新能源微网系统的运行方式，设备可运行于直流配电网侧定电压、定功率控制，直流负荷侧定电压、定功率控制。

在步骤S14中，根据各类换流器的运行方式及技术要求，对各类换流器进行选型，明确主换流器的拓扑结构。

在本实施中，对于图4中的VSC1~VSC3均为双向换流设备，UVSC为单向DC/AC换流设备且为无源设备提供电能。为了保证高供电质量，都必须基于全控型VSC换流器技术。采用两电平换流器、三电平换流器和MMC换流器方案均能够实现VSC1~VSC3以及UVSC功能，而MMC换流器不需要器件直接串联，在交流谐波、直流谐波、损耗、可靠性等方面均具有优势，本实施例采用MMC进行设计。

对于VSC1和VSC2，主要与交流配网和直流配网连接，交流电网变压范围较大，为了保证电压匹配，交流配网与直流配网之间通过变压器连接，如图6所示。

对于VSC3，主要与交流微网和直流配网连接，交流微网电压等级380V，同样加入变压器以保证电压匹配。对于接入中低压配网的VSC1~VSC3，采用MMC结构均满足了交流谐波标准要求，因此无需接入交流滤波器，如图7所示。

对于UVSC，主要与直流配网和高压大容量高质量的交流负荷连接，为了保证较高的电能质量，在交流侧接入滤波器，如图8所示。

对于DCSST，需要具有双向功率流动能力，可以采用DAB高压侧串联低压侧并联的技术方案，如图9所示。

对于UDCSST，只需具有单向功率流动能力，出于成本考虑，优先采用基于单向DC/DC串并联的技术方案，典型拓扑结构如图10所示。

在步骤S16中，根据柔性中压直流配电网的主回路结构和主换流器拓扑结构，对主接线方式进行选型，明确主接线方式。

根据上述柔性中压直流配电网的主回路结构和主换流器拓扑结构，主接线方式主要包括：单极不对称接线方式、单极对称接线方式和双极接线方式。由于中压柔性直流配电系统的电压等级较低、容量较小；并且由于采用双端手拉手配电系统结构，在一端换流站出现故障时，另一端换流站仍能够保持供电，可靠性相对较高，无需为了提高可靠性而采用成本更高的双极系统。因此，在中压柔性直流配电系统的研究中，可以优先采用对称单极接线方式，如图11所示。

在步骤S18中，根据柔性中压直流配电网的主接线方式以及系统可靠性需求，对接线方式进行选型，明确接地方式。

根据柔性中压直流配电网的主接线方式以及系统可靠性需求，明确接地方式，此处的接地方式主要包括：交流侧接地和直流侧接地，以及高阻接地和低阻接地；当直流侧存在接地点时，优先选择直流侧接地；当直流侧不存在接地点时，优先选择交流侧接地；当可靠性要求较高时，选择高阻接地，保证单极短路故障时系统持续运行，否则选择低阻接地。

具体地，由于中压直流配电系统中交流电压为10kV，低于35kV，联接变压器绕组设计为Dyn联结。由于MMC直流侧不存在接地点，所以直流配电网采用联接变压器的中性点接地；为了提高系统可靠性，选择高阻接地方式，保证单极短路故障时系统持续运行，如图11所示。

相应地，本发明的实施例中，还提供一种柔性中压直流配电网系统，其通过前述描述的一种柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法设计而成。更多的细节，可参考前述对图1至图11的描述，在此不进行赘述。实施本发明，具有如下的有益效果：

在本发明中，根据柔性中压直流配电网的系统运行要求，通过预设的分析软件对主换流器电气量参数进行计算，对主换流器区域接线进行设计，从而得到所需柔性中压直流配电网的系统架构，为直流配电网的系统规划、能源管理、控制保护策略、绝缘配合研究等提供了参考。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法，其特征在于，所述方法包括：

a、梳理柔性中压直流配电网的应用方向和需求，确定所述柔性中压直流配电网的接入对象；根据接入对象的类型、电压等级和容量，确定柔性中压直流配电网的主回路结构、电压等级和容量；

b、根据系统运行要求，确定柔性中压直流配电网的运行方式；根据所述柔性中压直流配电网的运行方式，确定各类换流器的运行方式及技术要求；

c、根据各类换流器的运行方式及技术要求，对各类换流器进行选型，明确主换流器的拓扑结构；

d、根据柔性中压直流配电网的主回路结构和主换流器拓扑结构，对主接线方式进行选型，明确主接线方式；

e、根据柔性中压直流配电网的主接线方式以及系统可靠性需求，对接线方式进行选型，明确接地方式。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a中的接入对象包括：无功率反送的交流敏感负荷、有功率反送的交流微网、无功率反送的直流微网、有功率反送的大容量储能；所述柔性中压直流配电网的主回路结构为具有两个独立交流电源的“手拉手”直流配电网络拓扑，中压直流电压等级±10kV，容量25MW。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤b中的柔性中压直流配电网的运行方式包括：双端供电运行方式、单换流器运行方式、双端隔离运行方式、功率支援运行方式、STATCOM运行方式。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤c中主换流器主要包括：连接交流配电网与中压直流配电网的VSC换流器，连接中压直流配电网和低压直流配电网的直流变压器；

其中，所述VSC换流器的拓扑结构包括：两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平换流器；

所述直流变压器的拓扑结构包括：器件串联直流变压器、多重化直流变压器和模块化多电平直流变压器。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤d中主接线方式主要包括：单极不对称接线方式、单极对称接线方式和双极接线方式。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤e中接地方式主要包括：交流侧接地和直流侧接地，以及高阻接地和低阻接地；当直流侧存在接地点时，优先选择直流侧接地，当直流侧不存在接地点时，优先选择交流侧接地；当可靠性要求较高时，选择高阻接地，保证单极短路故障时系统持续运行，否则选择低阻接地。

7.一种柔性中压直流配电网系统，其特征在于，采用所述权利要求1至6的任一项的柔性中压直流配电网系统架构的统一设计方法设计而成。