CN112202173B - 一种中压母线柔性互联的配电网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中压母线柔性互联的配电网络系统，任意两个配电变压器对应连接的中压母线之间反向并联有第一变流器、第二变流器，形成不同中压母线之间的柔性互联；第一、第二变流器均包括移相变压器和功率模块，第一变流器中的移相变压器的原边线圈与第一中压母线相连，副边线圈连接功率模块的输入端口；第一变流器中的功率模块的输出端口与第二中压母线相连；第二变流器中的移相变压器的原边线圈与第二中压母线相连，副边线圈连接功率模块的输入端口；第二变流器中的功率模块的输出端口与第一中压母线相连；本发明通过反向并联的两个变流器将公共配电网或企业配电网的任意两段中压母线柔性联结起来，从而实现电能的任意调度和相互支撑。

Description

一种中压母线柔性互联的配电网络系统
技术领域
本发明属于配电技术领域，更具体地，涉及一种中压母线柔性互联的配电网络系统。
背景技术
目前在多配电变压器的配电网络中，各配电变压器之间都是独立运行，各段中压母线相互之间没有常连接，整个配电系统呈现辐射状结构，变压器之间负荷不均时难于重新分配，造成有的变压器负荷过重，而有的变压器负荷过轻，多出力的变压器时常先出故障；另外，现在很多企业都具有自发电机组，如余热发电机组等，与关键负载接于某个配电变压器下端的中压母线(6～10KV电压)，如果该配电变压器下端连接的部分负荷出现停运，发电机组就会通过该配电变压器向上级电网反向送电，造成大量能源损失，甚至会受到电网的处罚。
现有的由多个背靠背VSC变换器构成的多端口柔性互联装置一般仅适用于低压母线的柔性互联，单回路模块可传递的功率也很有限，无法应用于中压母线的互联。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种中压母线柔性互联的配电网络系统，通过反向并联的两个变流器将公共配电网或企业配电网的任意两段中压母线柔性联结起来，从而实现电能的任意调度和相互支撑。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种中压母线柔性互联的配电网络系统，包括多个配电变压器，每个所述配电变压器的二次侧与中压母线相连；还包括第一变流器和第二变流器；所述第一变流器、第二变流器反向并联在任意两个所述配电变压器对应连接的中压母线之间，形成不同中压母线之间的柔性互联；
第一变流器、第二变流器均包括移相变压器和功率模块，其中，第一变流器中的移相变压器的原边线圈与第一中压母线相连，副边线圈连接功率模块的输入端口；第一变流器中的功率模块的输出端口与第二中压母线相连；
第二变流器中的移相变压器的原边线圈与第二中压母线相连，副边线圈连接功率模块的输入端口；第二变流器中的功率模块的输出端口与第一中压母线相连；形成反向并联结构的第一变流器、第二变流器允许电能在两个不同中压母线之间双向流动和电压相互支撑。
优选的，上述中压母线柔性互联的配电网络系统还包括输出电抗器，第一变流器、第二变流器中的功率模块的输出端串接所述输出电抗器后与中压母线相连。
优选的，上述中压母线柔性互联的配电网络系统，所述功率模块为由多级 H桥功率单元三相串接而成的级联链，每个所述H桥功率单元分别连接移相变压器的副边线圈，三相串接的一端为Y型连接形成的中性点，另一端为三相输出端。
优选的，上述中压母线柔性互联的配电网络系统，所述第一变流器、第二变流器的输出频率分别与各自的功率模块的输出端口所连接的中压母线的频率相同。
优选的，上述中压母线柔性互联的配电网络系统，所述第一变流器、第二变流器的两端可连接同频的中压母线，或者不同频的异步电网的中压母线，实现异步互联。
优选的，上述中压母线柔性互联的配电网络系统，所述第一变流器、第二变流器共同构成两侧均可四象限运行的变流器。
优选的，上述中压母线柔性互联的配电网络系统，在有功功率控制的情况下，所述第一变流器、第二变流器输出的有功功率的大小仅能进行单向调节，以避免形成环流。
优选的，上述中压母线柔性互联的配电网络系统，在无功功率控制的情况下，所述第一变流器、第二变流器输出的无功功率的大小可双向调节，以满足双侧电网电压支撑的需要。
优选的，上述中压母线柔性互联的配电网络系统，所述移相变压器为3组 10相位输出，与该移相变压器相连的功率模块为三相10级H桥功率单元串联输出。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的中压母线柔性互联的配电网络系统，任意两个配电变压器对应连接的中压母线之间反向并联有第一变流器、第二变流器，形成不同中压母线之间的柔性互联；反向并联的第一变流器、第二变流器允许电能在两个不同中压母线之间双向流动和拆借，这样形成的配电系统使配电变压器之间都可以相互柔性连接，不仅实现变压器之间的相互功率支持、能量交互、互相电压支撑、互为紧急备用的功能，还可以主动调度电能流向，优先实现可再生能源消纳，优先保证余热发电机组向其它工作段母线送电，并很好的解决了本工作段载荷变小时向上级电网反向送电的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种中压母线柔性互联的配电网络系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的单个H桥功率单元的组成结构示意图；
图3是本发明实施例提供的功率模块的工作波形示意图；
图4是本发明实施例提供的中压母线柔性互联的一个应用实例；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-第一中压母线；2-第二中压母线；3-第一变流器；4-第二变流器；5-移相变压器；6-功率模块；7-输出电抗器；8-H桥功率单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
目前常用的配电系统中，一般包括高压柜、n个一级配电变压器、与一级配电变压器数量相等的中压柜，每个中压柜中设置有中压母线；与中压柜数量相等的二级配电变压器，每个二级配电变压器的下端连接有低压母线(设置在低压柜中)，其中，n为大于1的自然数，n的取值取决于用电企业内部用电负载的数量及位置分布；公共电网提供的35～110KV电压通过配电线路接入高压柜，通过一级配电变压器降为6～10KV电压后输送至对应的中压柜，再通过二级配电变压器降为380/220V电压后输送至对应的低压柜，每个配电变压器的低压侧与低压柜中的低压母线相连，各用电负载接入该低压母线进行取电。本实施例在两个一级配电变压器的低压侧连接的中压母线之间设置有两个变流器，这两个变流器反向并联设置，形成不同中压母线之间的柔性互联。
图1是本实施例提供的一种中压母线柔性互联的配电网络系统的结构示意图，参见图1，在第一中压母线1和第二中压母线2之间设置有第一变流器3、第二变流器4，该第一变流器3、第二变流器4反向并联在第一中压母线1和第二中压母线2之间，形成两个中压端口的柔性互联装置，两个端口分别连接不同段的中压母线，实现不同中压母线之间的柔性互联；
其中，第一变流器3、第二变流器4均包括移相变压器5和功率模块6，第一变流器3中的移相变压器5的原边线圈与第一中压母线1相连，副边线圈连接功率模块6的输入端口；第一变流器3中的功率模块6的输出端口与第二中压母线2相连；
第二变流器4中的移相变压器5的原边线圈与第二中压母线2相连，副边线圈连接功率模块6的输入端口；第二变流器4中的功率模块6的输出端口与第一中压母线1相连；形成反向并联结构的第一变流器3、第二变流器4允许电能在两个不同的中压母线之间进行双向流动和拆借，使每一个配电变压器之间都可以相互柔性连接，系统中的电能可以沿配电网络在各配电变压器之间进行迁移和分配，实现相互功率支持、能量交互、互相电压支撑、互为紧急备用的功能。
本实施例中，第一变流器3、第二变流器4均为H桥串联拓扑的中压变流器，与中压母线的电力等级相适配；工作时，当配电网络中的一个或多个配电变压器出现过负荷时，由于多个配电变压器下接的中压母线与其他中压母线之间通过第一变流器3、第二变流器4实现了双向连接，
因此，配电控制中心通过调节配电网络中各个第一变流器3、第二变流器4 的工作状态，调用其他配电变压器对应的中压母线上的多余容量，实现容量的相互拆借；例如：当第一中压母线1对应的配电变压器出现过负荷时，可以通过第一变流器3将第一中压母线1上多余的电力能转移给第二中压母线2对应的配电变压器；反之，当第二中压母线2对应的配电变压器出现过负荷时，可以通过第二变流器4将第二中压母线2上多余的电力能转移给第一中压母线1 对应的配电变压器。
作为一个优选的示例，上述中压母线柔性互联的配电网络系统还包括输出电抗器7，第一变流器3、第二变流器4中的功率模块5的输出端串接该输出电抗器7后在与对应的中压母线相连。输出电抗器7适用于无功补偿和谐波的治理；主要作用是补偿长线分布电容的影响，抑制输出谐波电流；有效地保护变频器和改善功率因数，能阻止来自电网的干扰，减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染。
功率模块6为由多级H桥功率单元8三相串接而成的级联链，每个H桥功率单元8分别连接移相变压器5的副边线圈，三相串接的一端为Y型连接形成的中性点9，另一端为三相输出端，每相输出均连接有输出电抗器7。参见图1，第一变流器3、第二变流器4的输入侧是中压移相变压器，输出侧的一端是多级H桥功率单元串联后，再三相串接形成的Y型接法的中性点，另一端形成三相输出端，经输出电抗器接中压母线。
本实施例中，第一变流器3、第二变流器4的输出频率分别与各自的功率模块6的输出端口所连接的中压母线的频率相同。但是，第一变流器3、第二变流器4的两端可连接同频的中压母线，或者不同频的异步电网的中压母线，实现异步互联。
本实施例中，第一变流器3、第二变流器4共同构成直流、交流侧均可四象限运行的变流器。第一变流器3、第二变流器4接受控制器的指令，两端均可以工作在四个象限；在有功功率控制的情况下，第一变流器3、第二变流器4 输出的有功功率的大小仅能进行单向调节，以避免形成环流。而在无功功率控制的情况下，第一变流器3、第二变流器4输出的无功功率的大小可双向调节(两象限工作)，即在不传输有功功率时，第一变流器3、第二变流器4也可以进行独立的无功功率容性感性双向调节，以满足双侧电网电压支撑的需要。
图2是单个H桥功率单元8的组成结构示意图，参见图2，每个H桥功率单元8由三相全波整流桥和四个IGBT元件(A+、B+、A-、B-)组成的H状开关桥及电阻、电容等必要元件组成。由于移相变压器副边绕组的独立性，使每个 H桥功率单元8的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。
本实施例中，移相变压器5为3组10相位输出，对应三相10级H桥功率单元串联输出；当然也可以是其他的串联级数，如8、9、11、12级等。功率模块6中H桥功率单元8的串联级数取决于中压母线的电压等级，对6kV系列，功率模块6中配置10级的H桥功率单元8，构成30脉冲整流方式；对10kV系列，功率模块6中配置16级的H桥功率单元8，构成48脉冲整流方式；
功率模块6的工作波形如图3所示，输入侧由移相变压器5给每个H桥功率单元8供电，移相变压器5的副边绕组分为三组，这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。
图4是本实施例提供的中压柔性互联装置的一个应用实例；当中压柔性互联装置应用的企业内部余热发电或其他新能源发电时，当所在中压母线的载荷变小时，或者某个配电变压器配电系统出现过负荷时，配电控制中心通过调节各个变流器的工作状态，调用其它配电变压器的多余容量，实现容量的相互拆借，实现能量的可控传输和利用，防止配电变压器向上级电网反向送电，造成大量能源损失。
在本发明的描述中，提及的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种中压母线柔性互联的配电网络系统，包括多个配电变压器，每个所述配电变压器的二次侧与中压母线相连，其特征在于，还包括第一变流器和第二变流器；所述第一变流器、第二变流器反向并联在任意两个所述配电变压器对应连接的中压母线之间，形成不同中压母线之间的柔性互联；
第一变流器、第二变流器均包括移相变压器和功率模块，其中，第一变流器中的移相变压器的原边线圈与第一中压母线相连，副边线圈连接功率模块的输入端口；第一变流器中的功率模块的输出端口与第二中压母线相连；
第二变流器中的移相变压器的原边线圈与第二中压母线相连，副边线圈连接功率模块的输入端口；第二变流器中的功率模块的输出端口与第一中压母线相连；形成反向并联结构的第一变流器、第二变流器允许电能在两个不同中压母线之间双向流动和电压相互支撑；
所述功率模块为由多级H桥功率单元三相串接而成的级联链，每个所述H桥功率单元分别连接移相变压器的副边线圈，三相串接的一端为Y型连接形成的中性点，另一端为三相输出端。
2.如权利要求1所述的中压母线柔性互联的配电网络系统，其特征在于，还包括输出电抗器，第一变流器、第二变流器中的功率模块的输出端串接所述输出电抗器后与中压母线相连。
3.如权利要求1所述的中压母线柔性互联的配电网络系统，其特征在于，所述第一变流器、第二变流器的输出频率分别与各自的功率模块的输出端口所连接的中压母线的频率相同。
4.如权利要求3所述的中压母线柔性互联的配电网络系统，其特征在于，所述第一变流器、第二变流器的两端可连接同频的中压母线，或者不同频的异步电网的中压母线，实现异步互联。
5.如权利要求1所述的中压母线柔性互联的配电网络系统，其特征在于，所述第一变流器、第二变流器共同构成两侧均可四象限运行的变流器。
6.如权利要求1所述的中压母线柔性互联的配电网络系统，其特征在于，在有功功率控制的情况下，所述第一变流器、第二变流器输出的有功功率的大小仅能进行单向调节，以避免形成环流。
7.如权利要求1所述的中压母线柔性互联的配电网络系统，其特征在于，在无功功率控制的情况下，所述第一变流器、第二变流器输出的无功功率的大小可双向调节，以满足双侧电网电压支撑的需要。
8.如权利要求1-7任一项所述的中压母线柔性互联的配电网络系统，其特征在于，所述移相变压器为3组10相位输出，与该移相变压器相连的功率模块为三相10级H桥功率单元串联输出。
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