CN110445134B - 一种柔性合环装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性合环装置，包括至少一个接地单元；三个四端口相单元，所述三个四端口相单元分别对应连接交流电网中A相、B相、C相中的一相，所述每个四端口相单元包括第一输入端口，第二输入端口，第一输出端口，第二输出端口；其中，所述三个四端口相单元的三个第一输入端口、三个第一输出端口、三个第二输入端口和三个第二输出端口，至少有一组采用星型连接，形成至少一个星接中性点，所述至少一个星接中性点与所述接地单元连接。本发明所述柔性合环装置通过利用装置的星接中性点构建了一个可切换的接地点，因为所述星接中性点基本与交流系统的参考地等电位，因此使用该中性点作为接地点可以极大的减小接地设备的体积、尺寸和造价。

Description

一种柔性合环装置

技术领域

本发明涉及电力系统的大功率电力电子技术领域，尤其涉及一种用于电力系统的柔性合环装置。

背景技术

随着用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等要求的不断提高，传统的供电网络越来越难以满足用户的供电需求。现有的供配电网络其中一条线路过负荷或者故障时，经常导致较大范围的停电。比如，以杭州G20保供电项目为例，为隔绝电网供电电能波动或故障，而影响到保供电项目供电，采用全容量自主发电机主供，三回电网电源备供的方案。但此方案自主发电机供电投资高，效益比低，且备供电源线路将一直处于空闲状态，是对供电电源点或线路缆道紧张地区的一种极大的资源浪费，也是对电源及线路设备的一种浪费。

现有技术中基于全控器件的电压源换流器(voltage source converter，VSC)背靠背组建的柔性合环装置可以实现配电网络的合环运行，提高供电可靠性。为了保证设备和人身的安全，配网一般要求有接地点。当柔性合环装置孤岛运行的时候，线路与变电站脱离，失去了参考地电位。一般情况下，需要在柔性合环装置侧通过消弧线圈或者接地变等方式构建接地点，但该方式成本高且占地面积大。

目前的孤岛检测技术更加侧重于联网转孤岛的研究和应用，而孤岛转联网的相关研究和应用较少。已有的孤岛检测技术均是基于三相电压和频率，这种方式的主要问题在于被动式孤岛检测需要较长的检测时间，且容易误判孤岛；主动式孤岛检测则会向电网里面注入谐波，且检测的时间也较长，难以可靠的在几十毫秒内准确检测孤岛。

背景技术部分的内容仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种柔性合环装置，该装置能够实现两条交流线路的互联，且利用装置本身拓扑的特点，构建一个可投切的地电位参考点，并将接地点电流幅值作为孤岛联网的辅助判据，在降低设备成本的情况下，提高了供电的可靠性。

根据本发明的一个方面，一种柔性合环装置，包括：

至少一个接地单元，所述接地单元至少包括一个开关，所述开关一侧接地；

三个四端口相单元，每个四端口相单元均包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口，所述三个四端口相单元分别对应连接交流电网中A相、B相、C相中的一相；

其中，所述三个四端口相单元的三个第一输入端口、三个第二输入端口、三个第一输出端口和三个第二输出端口，至少有一组采用星型连接，形成至少一个星接中性点，所述至少一个星接中性点与所述接地单元连接。

本发明所述柔性合环装置通过利用装置的星接中性点构建了一个可切换的接地点，因为所述星接中性点基本与交流系统的参考地等电位，因此使用该中性点作为接地点可以极大的减小接地设备的体积、尺寸和造价。

根据本发明的一个方面，所述三个四端口相单元的三个第二输入端口和三个第二输出端口均采用星型连接，并形成两个星接中性点。

根据本发明的一个方面，所述接地单元有一个，所述两个星接中性点中有一个星接中性点与所述一个接地单元连接。

根据本发明的一个方面，所述接地单元有两个，所述两个星接中性点分别与所述两个接地单元连接。

现有的配网系统，一次电路都是严格的单点接地。本实施例采用两个接地点，当接地点为两个电源时，两个电源的小偏差将导致接地点流过较大电流。本实施例基于该原理，可快速的检测出所述柔性合环装置不同的运行模式。

根据本发明的一个方面，所述三个四端口相单元的三个第二输入端口和三个第二输出端口中有一组采用星型连接，并形成一个星接中性点，另一组采用三角形连接，所述星接中性点与所述接地单元连接。

根据本发明的一个方面，所述每个四端口相单元内均设有变压器。

根据本发明的一个方面，所述每个四端口相单元均包括多个交流变换模块，所述多个交流变换模块的输入端依次串联构成四端口相单元的两个输入端口，所述多个交流变换模块的输出端依次串联构成四端口相单元的两个输出端口；所述交流变换模块包括输入交直变换单元、高频磁隔离单元和直交变换单元，所述交直变换单元将交流电压变换为直流电压，所述高频磁隔离单元实现高频磁隔离，所述直交变换单元将直流电压变为交流电压；所述交直变换单元和所述直交变换单元均采用全控器件组成的H桥电路，所述高频磁隔离单元采用全控器件组成的DAB电路或CLLC电路。

根据本发明的一个方面，所述接地单元还包括一个电阻或一个消弧线圈，所述电阻或所述消弧线圈与所述开关串联后接地。

根据本发明的一个方面，所述接地单元还包括一个电流测量元件，所述电流测量元件与所述开关和所述电阻串联后接地，所述电流测量元件用于测量流过接地单元的电流。

本实施例中通过增加电流测量元件，使所述柔性合环装置接地单元的电流幅值可作为孤岛联网的辅助判据，具有检测精度高，检测速度快等优点。

根据本发明的一个方面，柔性合环装置从孤岛模式切换为联网模式的切换方法，所述柔性合环装置为权利要求1-9任一所述柔性合环装置，所述切换方法包括：

处于联网运行模式的柔性合环装置检测到孤岛状态或接收到进入孤岛的指令；

所述至少一个接地单元的所述开关经第一预定时间后闭合；

流过所述接地单元的电流大于预设值，且电网系统无故障时，判定所述柔性合环装置已经从孤岛模式切换到联网模式；

所述至少一个接地单元的所述开关经第二预定时间后断开。

当柔性合环装置处于联网运行的时，所述装置内部不能有接地点，否则将引起环流，并导致继电保护装置误动。当柔性合环装置处于孤岛运行时，其所接入的交流系统因为没有接地点，可能导致设备的对地过电压。所以当柔性合环装置从孤岛转入联网时可能会存在地线电压不匹配的问题，本实施例所述的切换方法由柔性合环装置根据不同运行模式进行接地单元的投入和退出，通过简便的控制策略，有效解决了上述问题，保证了设备在不同模式下，及不同模式转换时的安全运行。

附图说明

图1为本发明所述三个四端口相单元的第一种连接方式；

图2为本发明所述三个四端口相单元的第二种连接方式；

图3为本发明所述接地单元的第一实施例；

图4为本发明所述接地单元的第二实施例；

图5为本发明所述接地单元的第三实施例；

图6为本发明所述接地单元的第四实施例；

图7为本发明所述四端口相单元的一个实施例；

图8为本发明所述柔性合环装置一个具体应用场景。

图9为本发明所述切换方法的流程示意图。

图中标号名称：1、柔性合环装置；2、接地单元；21、开关；22、电阻；23、消弧线圈；24、电流测量元件；4、交流变换模块；41、交直变换单元；42、高频磁隔离单元；43、直交变换单元；5、四端口相单元；

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案，及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅为说明之目的，而不是对本发明的限制。

本申请中所述的“连接”，除非另有明确的规定或限定，应作广义理解，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连。在本申请的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

下列实施例中为了方便对所述柔性合环装置各端口的描述，将所述柔性合环装置的第一输入端口标记为Z1，第二输入端口标记为Z2，第一输出端口标记为Z3，第二输出端口标记为Z3，但该标记和表述并非是对本申请的限制。

所述柔性合环装置第一实施例：

如图1、2所示，一种柔性合环装置1，包括至少一个接地单元2，所述接地单元2至少包括一个开关21，所述开关21一侧接地；三个四端口相单元5，每个四端口相单元5包括第一输入端口Z1、第二输入端口Z2、第一输出端口Z3、第二输出端口Z4,所述三个四端口相单元5分别对应连接交流电网中A相、B相、C相中的一相；其中，所述三个四端口相单元的三个第一输入端口Z1、三个第二输入端口Z2、三个第一输出端口Z3和三个第二输出端口Z4，至少有一组采用星型连接，形成至少一个星接中性点，所述至少一个星接中性点与所述接地单元2连接。

如图1所示，本实施例中进一步的，所述三个四端口相单元5的三个第二输入端口Z2和三个第二输出端口Z4均采用星型连接，并形成两个星接中性点。对应地，所述接地单元2也有两个，所述两个星接中性点分别与所述两个接地单元2连接。

所述柔性合环装置第一实施例的变形例：

与第一实施例的区别主要在于，所述接地单元2有一个，所述两个星接中性点中有一个星接中性点与所述一个接地单元连接(附图中未示)。

所述柔性合环装置第二实施例：

如图2所示，与第一实施例的区别主要在于，所述三个四端口相单元5的三个第二输入端口Z2和三个第二输出端口Z4中有一组采用星型连接，并形成一个星接中性点，另一组采用三角形连接，所述星接中性点与所述接地单元2连接。

由于本发明中所述四端口相单元5的第一输入端口Z1与第二输入端口Z2，第一输出端口Z3与第二输出端口Z4均为对等关系，所以上述柔性合环装置第一、二实施例中对第二输入、输出端口Z2、Z4的描述也同样适应于第一输入、输出端口Z1、Z3。

比如，上述第一、二实施例也可以描述为，所述三个四端口相单元5的三个第一输入端口Z1和三个第一输出端口Z3均采用星型连接，并形成两个星接中性点。对应地，所述接地单元2也有两个，所述两个星接中性点分别与所述两个接地单元连接(附图中未示)。或所述三个四端口相单元5的三个第一输入端口Z1和三个第一输出端口Z3中有一组采用星型连接，并形成一个星接中性点，另一组采用三角形连接，所述星接中性点与所述接地单元2连接(附图中未示)。

如图7所示，上述柔性合环装置第一、二实施例中，所述每个四端口相单元内均设有变压器，且每个四端口相单元均包括多个交流变换模块4，可选的为三个交流变换模块4，所述三个交流变换模块的输入端依次串联构成四端口相单元的两个输入端口，所述三个交流变换模块的输出端依次串联构成四端口相单元的两个输出端口；所述交流变换模块包括交直变换单元41、高频磁隔离单元42和直交变换单元43，所述交直变换单元41将交流电压变换为直流电压，所述高频磁隔离单元42实现高频磁隔离，所述直交变换单元43将直流电压变为交流电压；所述交直变换单元41和所述直交变换单元43均采用全控器件组成的H桥电路，所述高频磁隔离单元42采用全控器件组成的双有源全桥电路(Dual Active fullBridge circuit,DAB)或双向DCDC谐振电路。

所述柔性合环装置中接地单元的第一实施例：

如图3所示，所述接地单元2包括一个开关21，所述开关21一侧接地；

所述接地单元第一实施例的变形例一：

如图4所示，所述接地单元还包括一个电阻22，所述电阻22与所述开关21联后接地。

所述接地单元第一实施例的变形例二：

如图5所示，所述接地单元还包括一个消弧线圈23，所述电阻22与所述消弧线圈23串联后接地。

所述柔性合环装置中接地单元的第二实施例：

如图6所示，所述接地单元2还包括一个电流测量元件24，所述电流测量元件24与所述开关21和所述电阻22串联后接地，所述电流测量元件24用于测量流过接地单元的电流。

所述柔性合环装置从孤岛模式切换为联网模式的切换方法实施例：

如图9所示，所述切换方法包括：

步骤1，处于联网运行模式的柔性合环装置检测到孤岛状态或接收到进入孤岛的指令；

步骤2，所述至少一个接地单元的所述开关经第一预定时间后闭合；

步骤3，流过所述接地单元的电流大于预设值，且电网系统无故障时，判定所述柔性合环装置已经从孤岛模式切换到联网模式；

步骤4，所述至少一个接地单元的所述开关经第二预定时间后断开。

所述步骤2中，所述第一预定时间为0-1s，可选的为1s。

所述步骤4中，所述第二预定时间为0-1s，可选的为1s。

所述步骤3中，所述预设值是作为柔性合环装置的运行模式从孤岛模式转入联网模式的辅助判据，该预设值因电网不同存在差异，可根据实际电网情况在0-1000A范围内根据需要设定。

如图8、9所示，结合上述方法实施例的一个应用场景，对本发明所述柔性合环装置运行模式切换方法做进一步描述，所述柔性合环装置的输入端经电抗器接入交流配电网的10kV母线1，输出端经电抗器接入交流配电网的母线2。在初始时刻，假设所有设备均正常工作，该柔性合环装置的输入端工作在定直流电压模式，该柔性合环装置的输出端工作在PQ模式，所述PQ模式指的柔性合环装置输出的有功功率P和无功功率Q可根据指令进行调节。当交流系统的某处发生故障，如F1故障，该柔性合环装置将根据下述几个步骤来实现非故障线路的不停电转供：

步骤1，当所述柔性合环装置检测到故障，如F1故障，柔性合环装置将改变运行方式，该柔性合环装置的输入端依然工作在定直流电压模式，输出端从PQ模式切换到故障穿越模式，在故障穿越模式下，该交流电压将通过调节输出的电压和电流，保证故障点的电能质量；

步骤2：当该柔性合环装置检测到故障消失后，该柔性合环装置会根据检测情况，选择进入孤岛模式或PQ模式；

步骤3：如果检测结果满足孤岛条件，该柔性合环装置的输出端会进入孤岛模式，并根据负载的情况，采用VF控制方式，所述VF模式指的柔性合环装置的输出电压幅值和频率均可以控制，或者恒压恒频控制方式，保证非故障线路的可靠供电；

步骤4：如果检测结果不满足孤岛条件，该柔性合环装置会切换到PQ模式，恢复初始运行状态。

在本应用场景中，通过本发明所述柔性合环装置实现了非故障线路的不停电转供，极大的提高了供电的可靠性。

上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种柔性合环装置，包括：

至少一个接地单元，所述接地单元至少包括一个开关，所述开关一侧接地，基于所述处于联网运行模式的柔性合环装置是否是孤岛状态或接收到进入孤岛的指令，控制所述至少一个接地单元的所述开关经第一预定时间后闭合，流过所述接地单元的电流大于预设值，且电网系统无故障时，判定所述柔性合环装置已经从孤岛模式切换到联网模式，所述至少一个接地单元的所述开关经第二预定时间后断开；

三个四端口相单元，每个四端口相单元均包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口，所述三个四端口相单元分别对应连接交流电网中A相、B相、C相中的一相；

其中，所述三个四端口相单元的三个第一输入端口、三个第二输入端口、三个第一输出端口和三个第二输出端口，至少有一组采用星型连接，形成至少一个星接中性点，所述至少一个星接中性点与所述接地单元连接。

2.根据权利要求1所述的柔性合环装置，其特征在于，所述三个四端口相单元的三个第二输入端口和三个第二输出端口均采用星型连接，并形成两个星接中性点。

3.根据权利要求2所述的柔性合环装置，其特征在于，所述接地单元有一个，所述两个星接中性点中有一个星接中性点与所述一个接地单元连接。

4.根据权利要求2所述的柔性合环装置，其特征在于，所述接地单元有两个，所述两个星接中性点分别与所述两个接地单元连接。

5.根据权利要求1所述的柔性合环装置，其特征在于，所述三个四端口相单元的三个第二输入端口和三个第二输出端口中有一组采用星型连接，并形成一个星接中性点，另一组采用三角形连接，所述星接中性点与所述接地单元连接。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的柔性合环装置，其特征在于，所述每个四端口相单元内均设有变压器。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的柔性合环装置，其特征在于：所述每个四端口相单元均包括多个交流变换模块，所述多个交流变换模块的输入端依次串联构成四端口相单元的两个输入端口，所述多个交流变换模块的输出端依次串联构成四端口相单元的两个输出端口；所述交流变换模块包括输入交直变换单元、高频磁隔离单元和直交变换单元，所述交直变换单元将交流电压变换为直流电压，所述高频磁隔离单元实现高频磁隔离，所述直交变换单元将直流电压变为交流电压；所述交直变换单元和所述直交变换单元均采用全控器件组成的H桥电路，所述高频磁隔离单元采用全控器件组成的DAB电路或CLLC电路。

8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的柔性合环装置，其特征在于：所述接地单元还包括一个电阻或一个消弧线圈，所述电阻或所述消弧线圈与所述开关串联后接地。

9.根据权利要求1、2、3、4或5所述的柔性合环装置，其特征在于：所述接地单元还包括一个电流测量元件，所述电流测量元件与所述开关和电阻串联后接地。

10.柔性合环装置从孤岛模式切换为联网模式的切换方法，所述柔性合环装置为权利要求1-9任一所述柔性合环装置，所述切换方法包括：

处于联网运行模式的柔性合环装置检测到孤岛状态或接收到进入孤岛的指令；

所述至少一个接地单元的所述开关经第一预定时间后闭合；

流过所述接地单元的电流大于预设值，且电网系统无故障时，判定所述柔性合环装置已经从孤岛模式切换到联网模式；

所述至少一个接地单元的所述开关经第二预定时间后断开。

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