CN107306031A - 一种直流外送环形拓扑结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流外送环形拓扑结构及其控制方法，环形拓扑结构包括：端口，所述端口连接VSC变换器和DC/DC直流变压器；VSC变换器连接新能源交流汇集站和交流电网，所述DC/DC直流变压器连接储能单元和光伏直流汇集站。本发明提供的一种直流外送环形拓扑结构能够实现多电源供电和多落点受电。将直流传输线在直流侧互相连接起来，具有灵活切换传输状态和高可靠性的优势。

Description

一种直流外送环形拓扑结构及控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流输电技术，具体涉及一种具备交流/直流接入的直流外送环形拓扑结构及控制方法。

背景技术

大区电网互联中的交流电网主要局限在大区内部发展，而大区电网之间以直流电网互联，以利于实现大区电网间的非同步运行与隔离，克服容量过大的交流电力系统长距离互联所带来的不稳定的问题，改善大区电网的动态品质，提高大区电网的稳定性，这已逐渐成为人们的一种共识。传统的直流输电大多为双端系统，仅能实现点对点的直流功率传送，当多个交流系统间采用直流互联时，需要多条直流输电线路，这无疑会极大增加投资成本和运行费用。于是，多端直流输电系统便应运而生。

多端直流输电系统是指含有多个整流站或多个逆变站的直流输电系统。其最显著的特点在于能够将直流传输线在直流侧互相连接起来组成真正的直流电网，具有大大减少换流站数量、换流站可以单独传输功率、可灵活切换传输状态和高可靠性的优势。但是，同一电网的相邻区域里受电，交直流输电系统之间，以及直流输电系统的各个回路之间必然产生相互影响，导致直流换相易于失败，甚至多回直流输电系统同时换相失败。如果在多回直流输电系统同时或相继发生换相失败，必然导致受电端接受的功率大幅度降低，对该端的交流系统稳定性产生极大影响。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种直流外送环形拓扑结构及控制方法，使用储能电池降低发电的功率波动，并提高系统的稳定性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种直流外送环形拓扑结构，所述环形拓扑结构包括：分别与VSC变换器和DC/DC直流变压器连接的端口；

所述VSC变换器分别与新能源交流汇集站和交流电网连接，所述DC/DC直流变压器分别与储能单元和光伏直流汇集站连接。

所述VSC变换器与交流电网相连，该VSC变换器采用两电平技术；交流侧电压为110V，直流侧电压为±150V，功率为100kW，直流负荷为50kW。

所述DC/DC直流变压器与光伏直流汇集站相连，其输入电压为150V，功率为30kW。

所述VSC变换器与新能源交流汇集站相连，其交流侧电压为110V，功率为25kW。

所述DC/DC直流变压器与储能单元相连，其输入电压为300V，功率为30kW。

所述环形拓扑结构的启动的步骤如下：

当与VSC变换器所连接的交流电网正常运行时：

1)VSC变换器与直流电网连接并控制直流侧电压；

2)直流电网侧电压稳定后，DC/DC直流变压器将光伏直流汇集站的电能送入直流电网，并投入MPPT点附近的功率；

3)新能源交流汇集站通过VSC变换器与直流电网连接并投入功率；

4)储能单元通过DC/DC直流变压器与直流电网连接；

当与VSC变换器所连接交流电网出现故障时：

A)VSC变换器与直流电网连接并控制直流侧电压；

B)储能单元通过高增益DC/DC直流变压器与直流电网连接并控制直流电网侧电压稳定；

C)光伏直流汇集站通过DC/DC直流变压器与直流电网连接，并投入MPPT点附近的功率；

D)新能源交流汇集站通过VSC变换器与直流电网连接并投入功率。

所述环形拓扑结构的停机步骤如下：

1)新能源交流汇集站和光伏直流汇集站停止输出功率；

2)新能源交流汇集站、光伏电站直流和储能单元依次切出直流电网；

3)与交流电网端口相连的VSC变换器停止对直流电网的电压建立。

所述控制方法步骤如下：

1)所述新能源交流汇集站和光伏直流汇集站总和发电量大于50KW，储能单元处于充满状态，新能源交流汇集站和光伏直流汇集站降容发电，匹配交流电网的需求；

2)所述新能源交流汇集站和光伏直流汇集站发电量大于50kW，储能单元处于未充满状态，则新能源交流汇集站和光伏直流汇集站在最大功率点运行，确保交流电网供电情况下向储能单元充电至新能源交流汇集站和光伏直流汇集站降容发电；

3)所述新能源交流汇集站和光伏直流汇集站发电量因波动导致发电量低于50kW时，储能单元向交流电网提供其余所需电量。

所述交流电网正常工作时，通过VSC变换器控制直流侧电压，使与DC/DC直流变压器所连的储能系统运行在功率模式，新能源交流汇集站和光伏直流汇集站均运行在最大功率追踪模式。

所述交流电网出现故障切断时，通过DC/DC直流变压器控制直流电网电压，使储能单元吸收电网中产生的电能，新能源交流汇集站和光伏直流汇集站运行在最大功率追踪模式。

与最接近的现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、环形拓扑结构可以接受交流或者直流接入并实现多种启动运行方案。

2、环形拓扑结构为四端环网，具备的冗余性，在其中一段线路断开后，可以通过另一半输送功率，系统运行不受线路断线影响，提供了系统的可靠性。

3、系统中包括储能单元，可以用来建立直流电网中初始电压，起到黑启动的作用；平滑新能源发电功率波动，保证送出功率为稳定；当与交流电网相连的VSC变换器出现故障时，可以用储能存储新能源发电功率，最大程度利用新能源出力，减少新能源电站的“弃风”“弃光”现象的产生。

附图说明

图1为直流外送环形拓扑结构示意图；

图2为交流电网正常时直流电网系统启动时序的步骤流程图；

图3为交流电网故障时直流电网系统启动时序的步骤流程图；

图4为直流电网的停机时序的步骤流程图。

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详细的说明。

本发明提供一种直流外送环形拓扑结构，该环形拓扑结构包括多个端口，每个端口可以连接VSC(VSC是Voltage Source Converter的缩写)变换器或者高增益DC/DC直流变压器。其中，VSC变换器接入新能源交流汇集站和交流电网，高增益DC/DC直流变压器接入储能单元和光伏直流汇集站。

如图1所示，该直流外送环形拓扑结构，包括以下四种装置：

(1)交流电网的接口装置：

直流电网的端口通过VSC变换器与交流电网相连，可以实现功率的双向流动。VSC变换器采用两电平技术，交流侧电压为110V，直流侧电压为±150V，功率为100kW，直流负荷为50kW。

(2)光伏直流汇集站的接口装置：

直流电网的端口通过DC/DC直流变压器与光伏直流汇集站相连。DC/DC直流变压器的输入电压为150V，功率为30kW。

(3)新能源交流汇集站的接口装置：

直流电网的端口通过VSC变换器与新能源交流汇集站相连，提供稳定50Hz交流电压。VSC变换器的输出与110/220V升压变压器的输入相连接，交流侧电压为110V，功率为25kW。

(4)储能单元的接口装置：

直流电网的端口通过DC/DC直流变压器与储能单元相连，可以实现功率的双向流动。DC/DC直流变压器的输入电压为300V，功率为30kW。

针对交流电网是否正常，环形拓扑结构的直流电网系统启动时序分可以为两种类型：

如图2所示，当与VSC变换器所连接交流电网正常时：

第一步，直流电网与VSC变换器建立直流电压；通过VSC控制直流侧电压；

第二步，直流电网侧电压稳定后，光伏直流汇集站通过DC/DC直流变压器连接到直流电网，并投入MPPT点附近的功率；

第三步，新能源交流汇集站通过VSC变换器连接到直流电网，并投入功率；

第四步，储能单元通过DC/DC直流变压器连接到直流电网。

如图3所示，当与VSC变换器所连接交流电网出现故障切断时：

第一步，直流电网与VSC变换器建立直流电压；

第二步，储能单元通过高增益DC/DC直流变压器连接到直流电网；控制直流电网侧电压稳定

第三步，光伏直流汇集站通过DC/DC直流变压器连接到直流电网，并投入MPPT点附近的功率；

第四步，新能源交流汇集站通过VSC变换器连接到直流电网，并投入功率。

如图4所示，直流电网的停机时序为：

第一步，新能源交流汇集站和光伏直流汇集站停止输出功率；

第二步，新能源交流汇集站、光伏电站直流和储能单元依次切出直流电网；

第三步，与交流电网端口相连的VSC变换器停止对直流电网的电压建立；

该环形拓扑结构的运行控制方案为：

1)当与VSC变换器所连接的交流电网正常时，通过VSC控制直流侧电压，使与DC/DC直流变压器所连的储能系统运行在功率模式，新能源交流汇集站和光伏直流汇集站分别运行在最大功率追踪模式(MPPT)。

2)当与VSC变换器所连接交流电网出现故障切断时，通过DC/DC直流变压器控制直流电网侧电压，新能源交流汇集站和光伏直流汇集站运行在最大功率追踪模式(MPPT)，通过储能单元吸收电网中产生的电能，在交流受端电网故障情况下也可以实现持续发电。

该直流输电系统可以分为新能源限电运行、新能源发电同时向储能和交流电网送电以及新能源发电和储能联合向交流电网供电三种运行工况。三种运行工况需满足下述的运行逻辑：

1)新能源限电运行：当新能源交流汇集站和光伏直流汇集站发电量大于50KW，且储能单元属于充满状态，此时新能源交流汇集站和光伏直流汇集站降容发电，匹配交流电网的需求。

2)新能源发电同时向储能和交流电网送电：当新能源交流汇集站和光伏直流汇集站发电量大于50kW，但储能单元属于未充满状态，此时新能源交流汇集站和光伏直流汇集站在最大功率点运行，在确保交流电网供电的情况下向储能单元充电，直至充满后新能源交流汇集站和光伏直流汇集站降容运行。

3)新能源发电和储能联合向交流电网供电：当新能源交流汇集站和光伏直流汇集站发电量因波动导致发电量低于50kW，储能单元向交流电网提供剩余所需电量。

当交流电网侧发生故障时，电流或电压会发生突变，此时VSC变换器可以判断出交流电网出现故障，并进行闭锁。此时VSC不能再控制直流侧电压恒定，直流电网中功率失去平衡，直流电网中电压会升高或降低。当直流电网的电压变换到上限值或下限值时，储能电池系统所连接的高增益DC/DC直流变压器工作模式由功率模式转为电压模式，替代VSC变换器维持直流电网电压在额定电压值。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流外送环形拓扑结构，其特征在于：所述环形拓扑结构包括：分别与VSC变换器和DC/DC直流变压器连接的端口；

所述VSC变换器分别与新能源交流汇集站和交流电网连接，所述DC/DC直流变压器分别与储能单元和光伏直流汇集站连接。

2.根据权利要求1所述的直流外送环形拓扑结构，其特征在于：所述VSC变换器与交流电网相连，该VSC变换器采用两电平技术；交流侧电压为110V，直流侧电压为±150V，功率为100kW，直流负荷为50kW。

3.根据权利要求1所述的直流外送环形拓扑结构，其特征在于：所述DC/DC直流变压器与光伏直流汇集站相连，其输入电压为150V，功率为30kW。

4.根据权利要求1所述的直流外送环形拓扑结构，其特征在于：所述VSC变换器与新能源交流汇集站相连，其交流侧电压为110V，功率为25kW。

5.根据权利要求1所述的直流外送环形拓扑结构，其特征在于：所述DC/DC直流变压器与储能单元相连，其输入电压为300V，功率为30kW。

6.根据权利要求1所述的直流外送环形拓扑结构，其特征在于：所述环形拓扑结构的启动的步骤如下：

当与VSC变换器所连接的交流电网正常运行时：

1)VSC变换器与直流电网连接并控制直流侧电压；

2)直流电网侧电压稳定后，DC/DC直流变压器将光伏直流汇集站的电能送入直流电网，并投入MPPT点附近的功率；

3)新能源交流汇集站通过VSC变换器与直流电网连接并投入功率；

4)储能单元通过DC/DC直流变压器与直流电网连接；

当与VSC变换器所连接交流电网出现故障时：

A)VSC变换器与直流电网连接并控制直流侧电压；

B)储能单元通过高增益DC/DC直流变压器与直流电网连接并控制直流电网侧电压稳定；

C)光伏直流汇集站通过DC/DC直流变压器与直流电网连接，并投入MPPT点附近的功率；

D)新能源交流汇集站通过VSC变换器与直流电网连接并投入功率。

7.根据权利要求6所述的直流外送环形拓扑结构，其特征在于：所述环形拓扑结构的停机步骤如下：

1)新能源交流汇集站和光伏直流汇集站停止输出功率；

2)新能源交流汇集站、光伏电站直流和储能单元依次切出直流电网；

3)与交流电网端口相连的VSC变换器停止对直流电网的电压建立。

8.一种根据权利要求1所述的直流外送环形拓扑结构的控制方法，其特征在于：所述控制方法步骤如下：

1)所述新能源交流汇集站和光伏直流汇集站总和发电量大于50KW，储能单元处于充满状态，新能源交流汇集站和光伏直流汇集站降容发电，匹配交流电网的需求；

2)所述新能源交流汇集站和光伏直流汇集站发电量大于50kW，储能单元处于未充满状态，则新能源交流汇集站和光伏直流汇集站在最大功率点运行，确保交流电网供电情况下向储能单元充电至新能源交流汇集站和光伏直流汇集站降容发电；

3)所述新能源交流汇集站和光伏直流汇集站发电量因波动导致发电量低于50kW时，储能单元向交流电网提供其余所需电量。

9.根据权利要求8所述的直流外送环形拓扑结构的控制方法，其特征在于：所述交流电网正常工作时，通过VSC变换器控制直流侧电压，使与DC/DC直流变压器所连的储能系统运行在功率模式，新能源交流汇集站和光伏直流汇集站均运行在最大功率追踪模式。

10.根据权利要求8所述的直流外送环形拓扑结构的控制方法，其特征在于：所述交流电网出现故障切断时，通过DC/DC直流变压器控制直流电网电压，使储能单元吸收电网中产生的电能，新能源交流汇集站和光伏直流汇集站运行在最大功率追踪模式。