CN111404187A - 一种自愈式电力交换器和基于该交换器的配电线互联系统 - Google Patents

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CN111404187A CN201910003846.3A CN201910003846A CN111404187A CN 111404187 A CN111404187 A CN 111404187A CN 201910003846 A CN201910003846 A CN 201910003846A CN 111404187 A CN111404187 A CN 111404187A
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Abstract

本发明提供了一种自愈式电力交换器和基于该交换器的配电线互联系统，包括直流母线、多个变换器和与变换器对应的端口；该变换器用于通过端口将外部电网接入直流母线；直流母线还用于分别与直流电源以及直流负载连接；变换器包括DC/DC变换器，其中，DC/DC变换器用于控制与直流母线间能量传输大小与方向。本发明采用自愈式电力交换器替代联络开关的直接刚性电气连接，实现多电压等级交直流馈电线的柔性互联。其中，通过调整DC/DC变换器与直流母线间能量传输的大小与方向实现故障隔离，可以快速闭锁和切除故障区域，阻断短路电流路径，抑制短路电流上升，有效缩小故障影响范围。

Description

一种自愈式电力交换器和基于该交换器的配电线互联系统
技术领域
本发明属于电力技术领域，具体涉及一种自愈式电力交换器和基于该交换器的配电线互联系统。
背景技术
现有一次设备调节控制能力的欠缺已成为当前制约配电系统运行水平进一步提升的主要瓶颈。虽然采用闭环供电的方式能够在一定程度上改善配电系统的运行经济性与可靠性，但随之可能带来的循环功率、电磁环网，以及扩大故障范围、增大短路电流等负面问题使闭环方式的应用场景受到极大限制。基于分段、联络开关所形成的闭环供电网络则更多地受到响应速度、动作寿命，以及冲击电流等问题的限制，并且为了进一步提高可靠性，需要构建多条回路保证线路故障时，备用线路及时切入，实际情况中随着互联变电站个数的增多，联络馈线进一步增大，大大提高配电网线路复杂性和建设投资成本；然而闭环网络开环运行配电网系统仍无法满足可再生能源和负荷频繁波动时配电网级高精度实时运行优化需求以及潮流、电能质量主动控制。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种自愈式电力交换器和基于该交换器的配电线互联系统。本发明采用自愈式电力交换器替代联络开关的直接刚性电气连接，实现多电压等级交直流馈电线的柔性互联，建立基于该交换器的多个地区变电站低压侧馈线柔性互联系统架构。其直流环节的故障隔离能力，可以快速闭锁和切除故障区域，阻断短路电流路径，抑制短路电流上升，有效缩小故障影响范围；其控制与硬件相结合的故障保护与穿越能力，实现动态拓扑重构，有效降低故障损失；多向潮流主动控制与电能质量，提高供电质量，实现电力定制需求。
实现上述目的所采用的解决方案为：
一种自愈式电力交换器，其特征在于，所述电力交换器包括直流母线、多个变换器和与变换器对应的端口；
所述变换器用于通过所述端口将所述外部电网接入所述直流母线；
所述直流母线还用于分别与直流电源以及直流负载连接；
所述变换器包括：DC/DC变换器；
当端口连接的外部电网发生故障时，所述端口对应的DC/DC变换器传输能量为0，切断所述端口连接的外部电网；
当外部电网正常时，正常外部电网对应的DC/DC变换器传输能量大小与方向由外部控制器根据协调各正常外部电网功率分配进行控制。
本发明提供的第一优选技术方案，其改进之处在于，还包括储能装置；
所述储能装置通过DC/DC变换器接入所述直流母线。
本发明提供的第二优选技术方案，其改进之处在于，所述变换器还包括：多个AC/DC变换器，用于通过与AC/DC变换器对应的交流端口连接交流电网。
本发明提供的第三优选技术方案，其改进之处在于，所有交流电网的电压等级相同；
每个交流电网分别依次通过端口和AC/DC变换器接入所述直流母线；
所述直流母线的电压由所有交流电网的电压决定。
本发明提供的第四优选技术方案，其改进之处在于，所述外部电网中的交流电网包括至少两个第一电压等级的交流电网和至少一个第二电压等级的交流电网；
每个所述第一电压等级的交流电网分别依次通过端口和AC/DC变换器接入所述直流母线；
所述第二电压等级的交流电网依次通过端口、AC/DC变换器和DC/DC变换器接入所述直流母线；
所述DC/DC变换器通过升压或降压将所述第二电压等级交流电网对应的AC/DC变换器直流侧电压变换至所述直流母线电压；
所述第一电压等级的交流电网数目大于第二电压等级的交流电网数目。
本发明提供的第五优选技术方案，其改进之处在于，所述外部电网包括至少一个直流电网；
当直流电网的电压等级与所述直流母线的电压等级相同时，所述直流电网通过端口直接接入所述直流母线；否则，所述直流电网依次通过端口和DC/DC变换器将电压变换至与所述直流母线相等后接入所述直流母线。
本发明提供的第六优选技术方案，其改进之处在于，所述DC/DC变换器的拓扑结构包括：
LC串联谐振结构、LC并联谐振结构、LLC串并联谐振结构、CLLC串联谐振结构或移相控制结构。
本发明提供的第七优选技术方案，其改进之处在于，所述DC/DC变换器中，LC串联谐振结构、LC并联谐振结构、LLC串并联谐振结构或CLLC串联谐振结构的DC/DC变换器用于改变DC/DC变换器中开关频率进行DC/DC变换器与直流母线间能量传输大小与方向控制实现自愈；
CLLC串联谐振结构或移相控制结构的DC/DC变换器用于改变DC/DC变换器中有源桥之间和有源桥内部桥臂之间的移相角度进行DC/DC变换器与直流母线间能量传输大小与方向控制实现自愈。
本发明提供的第八优选技术方案，其改进之处在于，所述端口中的交流端口的拓扑结构，包括：
钳位型结构、H桥级联型结构、模块化多电平结构或三相线性级联结构。
一种基于自愈式电力交换器的配电线互联系统，其改进之处在于，包括：自愈式电力交换器以及多个交流电网和直流电网；
交流电网分别依次通过所述交换器的端口和AC/DC变换器接入所述交换器的直流母线；
直流电网通过所述交换器的端口和DC/DC变换器接入所述交换器的直流母线；
所述交换器的直流母线分别外接直流电源和直流负载。
本发明提供的第九优选技术方案，其改进之处在于，所述交流电网包括至少两个第一电压等级的交流电网和至少一个第二电压等级的交流电网；
每个所述第一电压等级的交流电网分别依次通过端口和AC/DC变换器接入所述交换器的直流母线；
所述第二电压等级的交流电网依次通过端口、AC/DC变换器和DC/DC变换器接入所述交换器的直流母线；
所述DC/DC变换器通过升压或降压将所述第二电压等级交流电网对应的AC/DC变换器直流侧电压变换至所述交换器的直流母线电压；
所述第一电压等级的交流电网数目大于第二电压等级的交流电网数目。
本发明提供的第十优选技术方案，其改进之处在于，当直流电网的电压等级与所述交换器的直流母线的电压等级相同时，所述直流电网通过端口直接接入所述交换器的直流母线；否则，所述直流电网依次通过端口和DC/DC变换器将电压变换至与所述交换器的直流母线相等后接入所述交换器的直流母线。
本发明提供的第十一优选技术方案，其改进之处在于，所述交流电网的交流母线通过变压器连接至所述变换器的交流端口。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
1、本发明提出一种自愈式电力交换器，通过端口与多个外部电网连接，该电力交换器包括直流母线、多个变换器和与变换器对应的端口；每个外部电网分别依次通过端口和变换器接入直流母线；直流母线与直流电源以及直流负载连接。采用自愈式电力交换器通过端口与多个外部电网连接，替代联络开关的直接刚性电气连接，实现交直流电网馈电线的柔性互联。其中，通过调整DC/DC变换器与直流母线间能量传输的大小与方向实现故障隔离，可以快速闭锁和切除故障区域，阻断短路电流路径，抑制短路电流上升，有效缩小故障影响范围。
2、本发明还基于该交换器建立的多个地区变电站低压侧馈线柔性互联系统架构。基于该交换器提供的控制与硬件相结合的故障保护能力，快速闭锁和切除故障区域，实现电网系统动态拓扑重构，有效降低故障损失；基于该交换器提供的能量大小与方向控制能力，实现多向潮流主动控制与电能质量控制，提高供电质量，实现电力定制需求。
附图说明
图1为本发明提供的一种自愈式电力交换器结构示意图；
图2a为变电站间单联络的传统配电系统结构示意图；
图2b为变电站间双联络的传统配电系统结构示意图；
图3为本发明提供的基于一种基于自愈式电力交换器的配电线互联系统示意图；
图4a为本发明提供的同等电压等级馈电线柔性互联的自愈式电力交换器结构框图；
图4b为本发明提供的多电压等级馈电线柔性互联的自愈式电力交换器结构框图；
图4c为本发明提供的低压交直流柔性互联的自愈式电力交换器结构框图；
图5a为LC串联谐振DC/DC变换器拓扑图；
图5b为LC并联谐振DC/DC变换器拓扑图；
图5c为LLC串并联谐振DC/DC变换器拓扑图；
图5d为CLLC串联谐振DC/DC变换器拓扑图；
图5e为移相控制DC/DC变换器拓扑图；
图6a为钳位型交流端口拓扑图；
图6b为H桥级联型交流端口拓扑图；
图6c为模块化多电平结构交流端口拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供的一种自愈式电力交换器结构示意图如图1所示，该交换器包括直流母线、多个变换器和与变换器对应的端口；
该变换器用于通过端口将外部电网接入直流母线；
直流母线还用于分别与直流电源以及直流负载连接；
变换器包括：DC/DC变换器；
其中，当端口连接的外部电网发生故障时，将该端口对应的DC/DC变换器传输能量调整为0，切断端口连接的外部电网，实现自愈；
当外部电网正常时，正常外部电网对应的DC/DC变换器传输能量大小与方向由外部控制器根据协调各正常外部电网功率分配进行控制，实现自愈。
传统配电系统结构示意图如图2所示，其中图2a为变电站间单联络，图2b为变电站间双联络。基于分段、联络开关所形成的闭环供电网络则更多地受到响应速度、动作寿命，以及冲击电流等问题的限制，并且为了进一步提高可靠性，需要构建多条回路保证线路故障时，备用线路及时切入，图2b中所示为双联络馈线，实际情况中随着互联变电站个数的增多，联络馈线进一步增大，大大提高配电网线路复杂性和建设投资成本；然而闭环网络开环运行配电网系统仍无法满足可再生能源和负荷频繁波动时配电网级高精度实时运行优化需求以及潮流、电能质量主动控制。
本发明针对当前配电网馈线刚性互联，潮流被动控制，以及分布式电源接纳能力有限等问题，提出了一种自愈式电力交换器，以及基于该交换器建立的配电线互联系统，即多个地区变电站低压侧馈线柔性互联网络架构。其中，该网络架构结构示意图如图3所示，实际应用中可以通过一个电力交换器实现更多个数馈线柔性互联。
该自愈式电力交换器通过交直流端口集成的方式实现交直流形式能量的无缝灵活转换，从而实现不同电压等级交流配电端口间、交直流配电端口间的无缝连接与潮流多向流动；交流端口根据所连接电网馈电线电压等级与功率等级确定端口多电平整流器所采用的多电平拓扑结构，包括模块化多电平结构、级联H桥多电平结构和三相线性级联结构等；多个多电平AC/DC变换器即整流器的直流输出侧并联形成直流母线，对于输出直流电压过高/低的整流器通过双向隔离直流变换器与直流母线连接，直流母线电压等级根据多个整流器输出电压情况以及所采用双向隔离直流变换器个数而确定，具有适用于各电压等级的灵活拓扑族结构；储能装置通过隔离直流变换器与直流母线连接，实现分布式电源消纳、稳定直流母线电压提高系统电能质量功能；同时，储能装置根据系统与设备故障时控制保护需要，辅助潮流转供、故障穿越等维持系统稳定功能；直流母线作为直流输出端口，提供直流配电母线，作为直流分布式电源、直流用电负荷接入端口；
通过整流器实现交流侧电能质量控制，通过整流/逆变控制潮流方向以及交直流形式能量转换通过各交流端口与直流端口协调控制，实现多向潮流稳定控制与瞬时转供，由此形成基于自愈式多端口电力交换器的多配电网馈线柔性互联系统。
下面给出具体的实施例。
自愈式电力交换器结构框图如图4a-4c所示，其中，图4a为同等电压等级馈电线柔性互联，图4b为多电压等级馈电线柔性互联，图4c为低压交直流柔性互联。该交换器具有多电压等级交流端口及直流端口，从而构成地区变电站低压侧多馈线柔性互联，根据配电网调度需要，实现交直流馈线间、变电站之间潮流主动控制，各交流端口电能质量管理，故障区域快速隔离和自愈保护。其中各电压等级交流端口整流器直流并联，交换器内部直流母线；各交流端口通过直流母线形成能量流动路径；储能装置通过双向隔离DC/DC变换器与直流母线连接，提供能量削峰填谷作用，稳定母线电压以及辅助交换器完成故障穿越与潮流转供暂态过程。
(1)基于自愈式电力交换器配电馈线互联架构模型
图4a-4c为基于自愈式电力交换器的配电线互联系统，即自愈式电力交换器馈线柔性互联系统结构，图4a中电力交换器包含三个35kV(或10kV)交流端口，一个60kV(16kV)直流端口；图4b中电力交换器包含一个35kV(或10kV)、两个10kV(或35kV)交流端口，一个16kV(60kV)直流端口。构成不同电压等级、交直流馈线柔性互联系统。此处只是为了表述方便，实际应用中交直流端口个数不限于四个，且互联馈线的电压等级也可以根据实际需要连接，例如，交流1140V与380V之间柔性互联、交流1kV与3kV之间互联等。
直流母线电压一般根据实际应用确定，如图4a所示，当三个交流端口电压为10kV时，直流母线电压为16kV，各端口整流器直流侧直接与直流母线；当三个交流端口电压为35kV时，直流母线电压为60kV，各端口整流器直流侧直接与直流母线。图4b中，一个35kV、两个10kV交流端口时，直流母线电压为16kV，10kV交流端口整流器直流侧直接与直流母线电压并联，而35kV交流端口整流直流侧需要通过双向隔离DC/DC变换器降压之后与直流母线并联；一个10kV、两个35kV交流端口时，直流母线电压为60kV，35kV交流端口整流器直流侧直接与直流母线电压并联，而10kV交流端口整流直流侧需要通过双向隔离DC/DC变换器升压之后与直流母线并联。直流母线电压等级设计，遵循尽量减少双向隔离DC/DC变换器个数为原则，交换器拓扑具有适用于各电压等级的灵活拓扑族结构。图4c所示，两个端口为低压交流(400V)端口，一个中压直流(800V)端口，通过DC/DC变换器降压一个低压直流端口。
(2)基于自愈式电力交换器配电线互联系统运行
如图4a-4c所示，基于多端口电力交换器构成110kV低压侧(35kV、10kV)馈线柔性互联系统，实现交流进线1、2与3，与直流出线4的能量调度与潮流主动控制，此处只是为了表述方便，实际应用中交直流端口个数不限于四个，且互联馈线的电压等级也可以根据实际需要连接，直流线路的电压等级也可以与交换器直流母线电压相等或不等，例如，交流1140V与380V之间柔性互联、交流1kV与3kV之间互联等。通过多端口电力交换器主动潮流控制能力，实现图4中馈线间潮流分配与能量管理。在故障状况，例如，进线1发生故障，可通过快速切断交流端口1限定故障区域，防止进线1故障对其余馈线影响；切断交流端口1之后，可以重新协调其余三个馈线的功率分配，实现故障状态下的潮流转供，而在此过程中，储能装置稳定直流母线电压，协助完成交换器潮流翻转、低压穿越等暂态过程，提高系统稳定性。
这样通过自愈式多端口电力交换器所构成的馈线柔性互联系统，实现不同电压等级的交直流馈电线无缝连接，闭环智能控制，以及故障自愈保护，与过去基于联络开关的刚性连接相比，具有控制、协调、能效、经济等多方面的优势。
(3)自愈式电力交换器灵活结构
如图4a-4c所示自愈式多端口电力交换器馈线柔性互联系统结构中，电力交换器主要由电力电子AC/DC变换器、DC/DC变换器和储能装置组成，它们之间通过直流母线相连，其中DC/AC变换器的个数可根据连接交流配电馈线的端口数来定，图4a中因连接不同的3条交流配电线路因此具有3个AC/DC变换器；由于考虑会有不同电压等级的交流配电馈线的连接，电力交换器在针对这种情况时在不同电压等级的AC/DC变换器增加DC/DC变换器与直流母线相连，如图4b所示，直流母线可单独引出直流端口方便分布式电源的接入。电力交换器的DC/DC变换器采用双向隔离DC/DC变换器拓扑如图5a-5e所示，自愈式多端口电力交换器内部双向隔离DC/DC变换器可以采用多种拓扑结构，包括图5a所示的LC串联谐振、图5b所示的LC并联谐振、图5c所示的LLC串并联谐振、图5d所示的CLLC串联谐振或图5e所示的移相控制；交流端口采用图6a-6c所示多电平拓扑结构，包括图6a所示的钳位型、图6b所示的H桥级联型或图6c所示的模块化多电平结构；同样图5a-5e所示双向隔离DC/DC变换器两侧有源桥可以根据所连接直流侧电压等级选择图6a-6c所示多电平结构，构成多电平拓扑结构的双向隔离型DC/DC变换器。
对于双向隔离型DC/DC变换器所采用控制策略，图5a-5d采用变频全谐振控制策略，通过改变开关频率实现DC/DC变换器与直流母线间能量传输大小与方向控制；图5e采用定频移相控制策略，通过改变变换器中有源桥之间、有源桥内部桥臂之间的移相角度实现DC/DC变换器与直流母线间能量传输大小与方向控制；图5d的CLLC串联全谐振拓扑也可以采用定频移相控制策略，通过改变变换器中有源桥之间、有源桥内部桥臂之间的移相角度实现DC/DC变换器与直流母线间能量传输大小与方向控制，CLLC采用定频移相控制策略可以实现全负载范围软开关的同时，中间变压器电流趋近正弦波形，波形系数好，变换器通态损耗、开关损耗更低。
如图4a-4c所示自愈式多端口电力交换器馈线柔性互联系统结构中，35kV(或10kV)交流端口采用多电平整流桥结构，其多电平结构如6a-6c所示，所采用电平数与多电平拓扑结构依据多连接交流/直流电压等级以及应用场合确定。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、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 (13)

1.一种自愈式电力交换器，其特征在于，所述电力交换器包括直流母线、多个变换器和与变换器对应的端口；
所述变换器用于通过所述端口将所述外部电网接入所述直流母线；
所述直流母线还用于分别与直流电源以及直流负载连接；
所述变换器包括：DC/DC变换器；
当端口连接的外部电网发生故障时，所述端口对应的DC/DC变换器传输能量为0，切断所述端口连接的外部电网；
当外部电网正常时，正常外部电网对应的DC/DC变换器传输能量大小与方向由外部控制器根据协调各正常外部电网功率分配进行控制。
2.如权利要求1所述的交换器，其特征在于，还包括储能装置；
所述储能装置通过DC/DC变换器接入所述直流母线。
3.如权利要求1所述的交换器，其特征在于，所述变换器还包括：多个AC/DC变换器，用于通过与AC/DC变换器对应的交流端口连接交流电网。
4.如权利要求3所述的交换器，其特征在于，所有交流电网的电压等级相同；
每个交流电网分别依次通过端口和AC/DC变换器接入所述直流母线；
所述直流母线的电压由所有交流电网的电压决定。
5.如权利要求3所述的交换器，其特征在于，所述外部电网中的交流电网包括至少两个第一电压等级的交流电网和至少一个第二电压等级的交流电网；
每个所述第一电压等级的交流电网分别依次通过端口和AC/DC变换器接入所述直流母线；
所述第二电压等级的交流电网依次通过端口、AC/DC变换器和DC/DC变换器接入所述直流母线；
所述DC/DC变换器通过升压或降压将所述第二电压等级交流电网对应的AC/DC变换器直流侧电压变换至所述直流母线电压；
所述第一电压等级的交流电网数目大于第二电压等级的交流电网数目。
6.如权利要求1所述的交换器，其特征在于，所述外部电网包括至少一个直流电网；
当直流电网的电压等级与所述直流母线的电压等级相同时，所述直流电网通过端口直接接入所述直流母线；否则，所述直流电网依次通过端口和DC/DC变换器将电压变换至与所述直流母线相等后接入所述直流母线。
7.如权利要求1所述的交换器，其特征在于，所述DC/DC变换器的拓扑结构包括：
LC串联谐振结构、LC并联谐振结构、LLC串并联谐振结构、CLLC串联谐振结构或移相控制结构。
8.如权利要求7所述的交换器，其特征在于，所述DC/DC变换器中，LC串联谐振结构、LC并联谐振结构、LLC串并联谐振结构或CLLC串联谐振结构的DC/DC变换器用于改变DC/DC变换器中开关频率进行DC/DC变换器与直流母线间能量传输大小与方向控制实现自愈；
CLLC串联谐振结构或移相控制结构的DC/DC变换器用于改变DC/DC变换器中有源桥之间和有源桥内部桥臂之间的移相角度进行DC/DC变换器与直流母线间能量传输大小与方向控制实现自愈。
9.如权利要求3所述的交换器，其特征在于，所述端口中的交流端口的拓扑结构，包括：
钳位型结构、H桥级联型结构、模块化多电平结构或三相线性级联结构。
10.一种基于自愈式电力交换器的配电线互联系统，其特征在于，所述系统包含如权1-9任一项所述的交换器以及多个交流电网和直流电网；
交流电网分别依次通过所述交换器的端口和AC/DC变换器接入所述交换器的直流母线；
直流电网通过所述交换器的端口和DC/DC变换器接入所述交换器的直流母线；
所述交换器的直流母线分别外接直流电源和直流负载。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述交流电网包括至少两个第一电压等级的交流电网和至少一个第二电压等级的交流电网；
每个所述第一电压等级的交流电网分别依次通过端口和AC/DC变换器接入所述交换器的直流母线；
所述第二电压等级的交流电网依次通过端口、AC/DC变换器和DC/DC变换器接入所述交换器的直流母线；
所述DC/DC变换器通过升压或降压将所述第二电压等级交流电网对应的AC/DC变换器直流侧电压变换至所述交换器的直流母线电压；
所述第一电压等级的交流电网数目大于第二电压等级的交流电网数目。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，当直流电网的电压等级与所述交换器的直流母线的电压等级相同时，所述直流电网通过端口直接接入所述交换器的直流母线；否则，所述直流电网依次通过端口和DC/DC变换器将电压变换至与所述交换器的直流母线相等后接入所述交换器的直流母线。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述交流电网的交流母线通过变压器连接至所述变换器的端口。
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