CN107706905A - 一种直流配用电系统的电路拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流配用电系统的电路拓扑结构，所述配用电系统包括：中压直流配电子系统和低压直流配电子系统；其中，中压直流配电子系统的输入端用于接入高压交流系统；中压直流配电子系统的直流母线与低压直流配电子系统的直流母线之间通过电力电子变换器实现电气联接；低压直流配电子系统的输入端用于接入新能源发电装置、储能装置、电动汽车以及直流负载。该系统使用电力电子变换器将中压直流配电子系统与低压直流配电子系统连接起来，减少了变换环节，使配电网的控制更加简洁，同时支持多向潮流灵活切换，为交流、直流系统提供故障隔离功能，并为交流系统提供灵活的有功、无功功率支撑。因此，该直流配用电系统可以实现电力系统中潮流方向的灵活调控，支持源、网、荷、储的灵活互动。

Description

一种直流配用电系统的电路拓扑结构

技术领域

本发明涉及配用电系统技术领域，特别涉及一种直流配用电系统的电路拓扑结构。

背景技术

近年来，随着能源、环境问题的日益突出，各国都开始把发展可再生能源、电动汽车作为重要的发展战略方向，以可再生能源为代表的发电装置、以电化学、机械能为代表的储能装置、以电动汽车为代表的新型用能负载开始越来越多的应用，而其接入电网也成为了目前电网技术发展的重点。

众所周知，可再生能源发电具有间隙性，出力常常难以控制，接入电网后常常会对电网造成潮流冲击，对于电力系统的稳定性带来了挑战。储能装置有望平抑电力系统的能量波动，可以提供多种支持，有效提升电力系统运行的稳定性。但是目前以交流为主的电力系统对储能装置需要经过反复的AC/DC-DC/AC变换，效率不高，而且传统电网大多以单向潮流运行状态为主，如何有效的调整以应对储能的双向能量交换特性还需要进一步探索。

近年来，以电动汽车为代表的直流用能负载不断发展，占比日益攀升，相比于传统普通负载其具有用能质量要求高，要求与电力系统灵活互动等一系列新特点，同样对于电力系统的发展提出了新的挑战。综上所述，为了适应新形势下的发展需求，有必要开发新的配用电系统结构，使得电力系统支持以可再生能源为代表的发电装置、以电化学、机械能为代表的储能装置、以电动汽车为代表的新型用能负载的高效运行和灵活互动。

发明内容

本发明提出一种直流配用电系统的电路拓扑结构，解决电力系统支持以可再生能源为代表的发电装置、以电化学、机械能为代表的储能装置、以电动汽车为代表的新型用能负载的高效运行和灵活互动的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种直流配用电系统的电路拓扑结构，所述配用电系统包括：中压直流配电子系统和低压直流配电子系统；其中，

所述中压直流配电子系统用于接入高压交流系统；

所述中压直流配电子系统的直流母线与所述低压直流配电子系统的直流母线之间通过电力电子变换器实现电气连接；

所述低压直流配电子系统用于接入新能源发电装置、储能装置、电动汽车以及直流负载。

优选地，所述中压直流配电子系统的电路拓扑结构为：采用至少两个独立电源作为供电主电源的手拉手单环网接线方式。

优选地，所述电力电子变换器包括：AC/DC变换器和DC/DC变换器；其中，

所述AC/DC变换器之间通过直流断路器相连；所述AC/DC变换器与所述DC/DC变换器之间通过所述直流断路器相连；所述高压交流系统通过直流断路器与所述AC/DC变换器相连；所述新能源发电装置、储能装置、电动汽车以及直流负载通过所述直流断路器与所述DC/DC变换器相连。

优选地，所述低压直流配电子系统的电路拓扑结构为传统环状设计解环运行路线、放射状接线方式、单环网接线方式或N供1备接线方式。

优选地，所述配用电系统的中性点接地方式为单极对称的方式。

优选地，所述低压直流配电子系统还用于接入分布式电源作为后备电源。

上述技术方案具有如下有益效果：

1、无需经过逆变环节，有效提高能源效率。很多以可再生能源为代表的发电装置、以电化学、机械能为代表的储能装置、以电动汽车为代表的新型用能负载都是直流型，接入配用电系统可以实现更高的效率。

2、潮流方向灵活。该系统使用电力电子变换器将中压直流配电子系统与低压直流配电子系统连接起来，该可以支持多向潮流灵活切换，为交流、直流系统提供故障隔离功能，并为交流系统提供灵活的有功、无功功率支撑。因此，该配用电系统可以实现电力系统中潮流方向的灵活调控。

3、该配用电系统包括中压直流配电子系统和低压直流配电子系统，使得本系统采用直流配电技术，这样电缆容量比起交流情况下更高；并且，中压直流配电子系统的电路拓扑结构为至少两个以上独立电源作为供电主电源的手拉手单环网接线方式，低压直流配电子系统的电路拓扑结构为传统环状设计解环运行路线、放射状接线方式、单环网接线方式或N供1备接线方式，实现各配电子系统的环网运，使得本配用电系统可靠性好，并减少了反复的交直流变换，能量效率提高。因此，本配用电系统有利于向高耗能密度单位、大型电力负荷供能。配用电系统可以利用原有交流通道实现扩容，提高供电设备负载率，节约配电走廊，并扩大供电半径。

4、系统故障发生切换至孤岛供电模式后，直流配电系统更容易再次组网，这对于高可再生能源渗透率，以电动汽车为代表的新型负荷占比较高的情况具有非常重要的意义，可以显著提高电网系统的可靠性。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种直流配用电系统的电路拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提出的一种直流配用电系统的电路拓扑结构示意图。所述配用电系统包括：中压直流配电子系统1和低压直流配电子系统2；其中，

所述中压直流配电子系统1用于接入高压交流系统；

所述中压直流配电子系统1的直流母线与所述低压直流配电子系统2的直流母线之间通过电力电子变换器实现电气联接；

所述低压直流配电子系统2的输入端用于接入新能源发电装置、储能装置、电动汽车以及直流负载。

在本实施例中，中压直流配电子系统为10kV中压直流配电网，低压直流配电子系统为400V低压直流配电网，该低压直流配电网需要时可离网运行。

由图1可知，所述电力电子变换器包括：AC/DC变换器和DC/DC变换器；其中，所述AC/DC变换器之间通过直流断路器相连；所述AC/DC变换器与所述DC/DC变换器之间通过所述直流断路器相连；所述高压交流系统通过直流断路器与所述AC/DC变换器相连；所述新能源发电装置、储能装置、电动汽车以及直流负载通过所述直流断路器与所述DC/DC变换器相连。

图1所示的配用电系统可以解决潮流双向互动、新能源上网、新型用电负载灵活稳定接入等一系列问题，从而实现电力系统支持以可再生能源为代表的发电装置、以电化学、机械能为代表的储能装置、以电动汽车为代表的新型用能负载的高效运行和灵活互动。

对于本技术方案来说，选取合适的拓扑结构是电力系统设计规划的首要环节。所述中压直流配电子系统的电路拓扑结构为：采用至少两个独立电源作为供电主电源的手拉手单环网接线方式。

对于本实施例来说，在中压直流配电子系统的拓扑结构中，可以从单辐射配电网络、“2-1”单环网配电网络、“3-1”单环网配电网络、3供1备配电网络以及4供1备配电网络、分段两联络网型接线方式这几种方案中选择。中压直流配电子系统的拓扑结构的选择应该综合考虑负荷密集程度、供电可靠性要求、发展延续性、技术可靠性、成本等多方面要求，请见下表1。

表1

在以上几种拓扑结构中，单辐射配电网络、“2-1”单环网配电网络、“3-1”单环网配电网络、3供1备配电网络接线相对简单，单辐射配电网络在出现N-1故障条件下会直接线路全停，可靠性不达标，而“3-1”单环网配电网络的扩展性不佳，此外联络点需在负荷等分点，负荷均衡等分困难，因此不利于网络的进一步发展扩容。而3供1备配电网络、4供1备配电网络、分段两联络网型接线方式较为复杂，投资普遍偏高，可扩展性也一般。“2-1”单环网配电网络的可扩展性、成本、可靠性综合指标则较为均衡。因此，综合考虑各方面因素，对于本实施例来说，可以选用两个独立电源作为供电主电源的手拉手单环网接线方式，即选用“2-1”单环网配电网络为中压直流配电拓扑结构。

低压直流配电子系统的接线模式可以参考交流配电系统，目前基本上是以放射状和联络状为主，根据负荷性质和重要性的不同由一侧或两侧电源供电，接线方式相对简单。因此可以采用传统环状设计解环运行路线、放射状接线方式、单环网接线方式或N供1备接线方式。

目前现有的柔性直流系统接地方式中，配电系统中可选择的接地方式包括单极不对称接地方式(包括：大地回线接地、金属回线接地)、单极对称接地方式以及双极对称接地方式(即中性线接地)等。具体而言：

1)单极不对称接地方式中的大地回线方式的接地极需要流过工作电流，接地极要专门设计，接地极流经工作电流也会对周围设备产生影响，危及其安全运行，目前越来越少地被采用。

2)虽然少数几个工程采用了单极不对称接地方式中的金属回线接线方式，但是相较而言，具有对称电压的伪双极系统可以避免不对称运行造成变压器电压水平的提升，甚至省略联接变压器，成为目前常用的接线方式。

3)双极对称接地方式(即中性线接地)在发生单极故障后非故障极能够运行一定时间，提高系统可靠性，但建设成本高；另外，在双极系统中，为了使中性点两端接地方式在单极故障时仍能够运行，需要对接地极进行专门设计，而对于中性线方式虽然多了一条中性线，但是绝缘水平要求不高、接地极也不用专门设计，所以技术难度较小，环境干扰也较小。

相比于柔性直流输电系统的高电压、高容量特点，本技术方案的拓扑结构涉及的主要是中压直流配电子系统的电压等级较低、其容量较小；并且由于采用至少两个以上独立电源作为供电主电源的手拉手单环网接线方式，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对称接地方式(即中性线接地)。因此，对于配用电系统的中性点接地方式来说，在几种接地方式中，可以优选采用单极对称的接线方式。

在该配用电系统中，考虑并网位置在线路末端的情况，可以在低压直流配电子系统中接入分布式电源作为后备电源。后备电源可以提高电力系统的可靠性，明显改善接入点附近负荷的供电质量，在系统产生故障的紧急情况下可以形成孤岛继续向部分负荷供电。从微网的角度来说，含有分布式电源的低压直流配电子系统可以作为一个直流微电网接入交流侧系统中，同时园区内的直流配电网与已有的交流配电网也可以混合形成相应的交直流微电网，分布式电源和储能装置向附近的重要负荷供电，在配用电系统发生故障时形成孤岛系统，保证负荷的持续供电。大规模分布式电源接入配电网后，将会改变系统潮流方向和大小，同时对短路电流和电压分布有所贡献，其影响程度与分布式电源的位置、容量和渗透率等因素相关。随着渗透率的增加，分布式电源对系统净负荷的影响逐渐增强，分布式电源并网点的稳态电压抬高，故障阶段也能起到一定电压支撑作用；短路故障电流幅值增加，功率变化幅度增加，故障阶段分布式电源的并网会加重系统短路故障的严重程度，其本身的电源性质相当于增加了系统的短路容量。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直流配用电系统的电路拓扑结构，其特征在于，所述配用电系统包括：中压直流配电子系统和低压直流配电子系统；其中，

所述中压直流配电子系统用于接入高压交流系统；

所述中压直流配电子系统的直流母线与所述低压直流配电子系统的直流母线之间通过电力电子变换器实现电气连接；

所述低压直流配电子系统用于接入新能源发电装置、储能装置、电动汽车以及直流负载。

2.如权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，所述中压直流配电子系统的电路拓扑结构为：采用至少两个独立电源作为供电主电源的手拉手单环网接线方式。

3.如权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，所述电力电子变换器包括：AC/DC变换器和DC/DC变换器；其中，

所述AC/DC变换器之间通过直流断路器相连；所述AC/DC变换器与所述DC/DC变换器之间通过所述直流断路器相连；所述高压交流系统通过交流断路器与所述AC/DC变换器相连；所述新能源发电装置、储能装置、电动汽车以及直流负载通过所述直流断路器与所述DC/DC变换器相连。

4.如权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，所述低压直流配电子系统的电路拓扑结构为传统环状设计解环运行路线、放射状接线方式、单环网接线方式或N供1备接线方式。

5.如权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，所述配用电系统的中性点接地方式为单极对称的方式。

6.如权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，所述低压直流配电子系统还用于接入分布式电源作为后备电源。