CN113098044A - 一种基于换流器的电力配送系统及电力配送方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于换流器的电力配送系统及电力配送方法，电力配送系统包括供电设备、第一换流器、供电母线、第二换流器和供电负荷，供电设备与第一换流器连接，第一换流器连接在供电母线上，供电负荷与第二换流器连接，第二换流器连接在供电母线上。当供电系统出现故障时，故障侧的换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整换流器的感性或者容性无功输出，以保证配电系统输入侧和输出侧电压稳定。当供电系统出现严重的交流故障时，故障侧的换流器切断，非故障侧换流器进入无功补偿运行模式或者停运，从而实现了故障隔离。

Description

一种基于换流器的电力配送系统及电力配送方法

技术领域

本发明涉及电力配送技术领域，尤其涉及一种基于换流器的电力配送系统及电力配送方法。

背景技术

目前配电系统主要通过配电电力变压器，将来至主网10kV线路的电能，转换成6300V、400V等工业及民用电。

配电系统核心设备为配电变压器，其一般采用双绕组或者三绕组油浸式，但存在功能单一，体积庞大，抗干扰能力差等性能缺陷。比如在负荷侧存在停电等故障发生时，故障容易通过配电变压器穿越至10kV主网侧，扩大事故范围。尤其是在分布式光伏配电接入场合，这对于配电系统的故障隔离和电能稳定性要求很高，随着分布式发电并网容量的逐步提高，基于传统电力变压器的配电系统已难以满足系统可靠性要求。

发明内容

本发明提供了一种基于换流器的电力配送系统及电力配送方法，能够保证配电系统输入侧和输出侧电压稳定，实现故障隔离。

第一方面，本发明提供了一种基于换流器的电力配送系统，包括供电设备、第一换流器、供电母线、第二换流器和供电负荷；

所述供电设备与所述第一换流器连接，所述第一换流器连接在所述供电母线上；

所述供电负荷与所述第二换流器连接，所述第二换流器连接在所述供电母线上。

可选的，所述第一换流器和所述第二换流器均为背靠背模块化多电平换流器，包括输入级、输出级和控制器；

所述输入级的输出端与所述输出级的输入端连接；

所述控制器分别与所述输入级与所述输出级的控制端连接；

所述第一换流器的输入级的输入端与所述供电设备连接，所述第一换流器的输出级的输出端与所述供电母线连接；

所述第二换流器的输入级的输入端与所述供电母线连接，所述第二换流器的输出级的输出端与所述供电负荷连接。

可选的，所述背靠背模块化多电平换流器还包括：第一H桥、第二H桥和第一电子变压器；

所述第一H桥的第一端与所述输入级的输出端连接，所述第一H桥的第二端与所述第一电子变压器的一次侧连接；

所述第二H桥的第一端与所述第一电子变压器的二次侧连接，所述第二H桥的第二端与所述输出级的输入端连接。

可选的，所述背靠背模块化多电平换流器还包括：第三H桥、第四H桥和第二电子变压器；

所述第三H桥的第一端与所述输入级的输出端连接，所述第三H桥的第二端与所述第二电子变压器的一次侧连接；

所述第四H桥的第一端与所述第二电子变压器的二次侧连接，所述第四H桥的第二端与所述输出级的输入端连接。

可选的，所述一次侧和所述二次侧均连接有限流电抗器。

可选的，所述输入级和所述输出级均包括三个相单元，每个相单元包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂包括若干个子模块，所述子模块与所述控制器连接。

可选的，所述上桥臂和所述下桥臂上均连接有限流电抗器。

可选的，所述子模块为全桥或半桥结构。

可选的，所述供电设备包括分布式供电设备。

第二方面，本发明提供了一种电力配送方法，基于本发明第一方面提供的基于换流器的电力配送系统，包括：

当电力系统出现故障时，故障侧换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整换流器的感性或者容性无功输出，或故障侧的换流器切断，非故障侧换流器进入无功补偿运行模式或者停运。

本发明提供的基于换流器的电力配送系统，包括供电设备、第一换流器、供电母线、第二换流器和供电负荷，供电设备与第一换流器连接，第一换流器连接在供电母线上，供电负荷与第二换流器连接，第二换流器连接在供电母线上。当供电系统出现故障时，故障侧的换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整换流器的感性或者容性无功输出，以保证配电系统输入侧和输出侧电压稳定。当供电系统出现严重的交流故障时，故障侧的换流器切断，非故障侧换流器进入无功补偿运行模式或者停运，从而实现了故障隔离。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明实施例提供的基于换流器的电力配送系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种背靠背模块化多电平换流器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明实施例提供了一种基于换流器的电力配送系统，包括供电设备、第一换流器、供电母线、第二换流器和供电负荷；

供电设备与第一换流器连接，第一换流器连接在供电母线上；

供电负荷与第二换流器连接，第二换流器连接在供电母线上。

其中，供电设备可以包括光伏发电设备、风力发电设备等分布式供电设备，还可以包括主网馈电线路，本发明实施例在此不做限定。

换流器(Converter)是由单个或多个换流桥组成的进行交、直流转换的设备。

本发明实施例中所述的供电母线的电压可以根据供电需要设定，本发明实施例在此不做限定。

供电负荷可以包括各种工业负荷、农业负荷、交通运输业负荷和人民生活用电负荷等，本发明实施例在此不做限定。

为使本领域技术人员能够更清楚的理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明进行示例性说明。

图1为本发明实施例提供的基于换流器的电力配送系统的结构示意图，如图1所示，该基于换流器的电力配送系统包括多个供电设备、多个第一换流器、供电母线、多个第二换流器和多个供电负荷。

具体的，每个供电设备与对应的一个第一换流器连接，第一换流器连接供电母线上。示例性的，本发明实施例中，供电母线为电压为10kV的供电母线。示例性的，供电设备包括风力发电设备和光伏发电设备。

每个供电负荷与对应的一个第二换流器连接，第二换流器连接在供电母线上。

基于换流器的电力配送系统的工作原理如下：

当供电系统正常时，供电设备正常供电，第一换流器将供电设备输入的电能转换为所需电压等级的三相交流电，输送到供电母线。

在本发明的一些实施例中，当供电系统出现故障时，故障侧的换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整换流器的感性或者容性无功输出，以保证配电系统输入侧和输出侧电压稳定。例如，当负荷侧出现故障时，负荷侧的换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整负荷侧的换流器的感性或者容性无功输出，以保证配电系统输入侧(供电侧)和输出侧(负荷侧)电压稳定。在本发明的一些实施例中，当供电系统出现严重的交流故障时，故障侧的换流器切断，非故障侧换流器进入无功补偿运行模式或者停运，从而实现了故障隔离。

本发明实施例提供的基于换流器的电力配送系统，包括供电设备、第一换流器、供电母线、第二换流器和供电负荷，供电设备与第一换流器连接，第一换流器连接在供电母线上，供电负荷与第二换流器连接，第二换流器连接在供电母线上。当供电系统出现故障时，故障侧的换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整换流器的感性或者容性无功输出，以保证配电系统输入侧和输出侧电压稳定。当供电系统出现严重的交流故障时，故障侧的换流器切断，非故障侧换流器进入无功补偿运行模式或者停运，从而实现了故障隔离。

在本发明的一些实施例中，第一换流器和第二换流器均为背靠背模块化多电平换流器，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)由多个结构相同的子模块(Sub-module，SM)级联构成。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和双箝位型子模块型三种，本发明实施例在此不做限定。与传统的多电平变流器相比，MMC具有开关损耗小，输出波形质量高，故障处理能力强，易于扩容，可四象限运行等特点。MMC系统中包含大量悬浮的子模块电容，在启动前所有子模块电容均无电压。启动MMC时，首先要采取相应的控制方法对子模块电容充电，将子模块电容充电至稳定运行时的电压要求。背靠背模块化多电平换流器包括输入级和输出级两个部分，每个部分均由多个结构相同的子模块级联构成。

图2为本发明实施例提供的一种背靠背模块化多电平换流器的结构示意图，如图2所示，该背靠背模块化多电平换流器包括输入级、输出级和控制器。

其中，输入级的输出端与输出级的输入端连接。

控制器分别与输入级与输出级的控制端连接。

第一换流器的输入级的输入端与供电设备连接，第一换流器的输出级的输出端与供电母线连接。

第二换流器的输入级的输入端与供电母线连接，第二换流器的输出级的输出端与供电负荷连接。

现有的背靠背模块化多电平换流器中，在输入级和输出级两侧通常还分别需要设置协调控制器，以协调输入级和输出级的功率输出。但是，由于设备参数差异和信号的延时，两个协调控制器通常无法使得输入级和输出级工作在最佳状态。在本发明的一些实施例中，控制器为集成式控制器，集成式控制器直接控制输入级和输出级的功率输出，无需协调控制器的功率协调，保证输入级和输出级工作在最佳状态。此外，集成式控制器提高了电力配送系统的集成度，降低了成本。

图2以第二换流器为示例对本背靠背模块化多电平换流器进行说明，第一换流器的结构与之类似，本发明实施例在此不再赘述。

在当供电系统正常时，供电设备正常供电，控制器控制输入级设置为整流运行模式，输出级设置为逆变运行模式。供电侧输入的电能先经过第一换流器的输入级整流成直流，然后经由第一换流器输出级逆变成所需电压等级的三相交流电，输送到供电母线。再通过第二换流器的输入级整流为直流，然后经由第二换流器输出级逆变成供电负荷所需的工业及民用电，为负荷供能。

在本发明的一些实施例中，输入级和输出级均包括三个相单元，每个相单元包括上、下桥臂，每个桥臂包括若干个子模块，子模块与控制器连接。

示例性的，如图2所示，输入级和输出级均包括三个相单元，每个相单元包括上、下桥臂，共六个桥臂，每个桥臂包括若干个子模块SM，子模块SM与控制器连接。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和双箝位型子模块型三种，本发明实施例在此不做限定。

在本发明实施例中，如图2所示，上、下桥臂上均连接有限流电抗器L。

在本发明的一些实施例中，背靠背模块化多电平换流器还包括：第一H桥、第二H桥和第一电子变压器。

第一H桥的第一端与输入级的输出端连接，第一H桥的第二端与第一电子变压器的一次侧连接；

第二H桥的第一端与第一电子变压器的二次侧连接，第二H桥的第二端与输出级的输入端连接。

示例性的，如图2所示，背靠背模块化多电平换流器还包括：第一H桥、第二H桥和第一电子变压器。

其中，第一H桥的第一端与输入级的输出端连接，第一H桥的第二端与第一电子变压器的一次侧连接。

第二H桥的第一端与第一电子变压器的二次侧连接，第二H桥的第二端与输出级的输入端连接。

H桥、限流电抗和电子变压器形成隔离级，通过在输入级和输出级之间设置由H桥、限流电抗和电子变压器，在电能流动过程中的缓冲和隔离作用。

具体的，在当供电系统正常时，供电设备正常供电，控制器控制输入级设置为整流运行模式，输出级设置为逆变运行模式。供电侧输入的电能先经过第一换流器的输入级构成的三相整流桥整流成直流，再经DC-AC型H桥(第一H桥)转换成交流，再经第一电子变压器和AC-DC型H桥(第二H桥)，转换成直流，然后经由第一换流器输出级构成的三相逆变桥逆变成所需电压等级的三相交流电，输送到供电母线。再通过第二换流器的输入级整流为直流，然后经由第二换流器输出级逆变成供电负荷所需的工业及民用电，为负荷供能。第二换流器的工作过程和第一换流器类似，本发明实施例在此不再赘述。

在本发明的一些实施例中，背靠背模块化多电平换流器还包括：第三H桥、第四H桥和第二电子变压器。第一H桥、第二H桥和第一电子变压器和第三H桥、第四H桥和第二电子变压器为系统提供双向能量流通通道，并对供电侧和负荷侧在电气联接上进行了物理隔离。

示例性的，如图2所示，第三H桥的第一端与输入级的输出端连接，第三H桥的第二端与第二电子变压器的一次侧连接。

第四H桥的第一端与第二电子变压器的二次侧连接，第四H桥的第二端与输出级的输入端连接。

在本发明实施例中，如图2所示，第一电子变压器和第二电子变压器的一次侧和二次侧均连接有限流电抗器L，与电子变压器一起为系统提供短路阻抗。

本发明实施例还提供了一种电力配送方法，该方法基于本发明前述实施例提供的基于换流器的电力配送系统，包括：

当电力系统出现故障时，故障侧换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整换流器的感性或者容性无功输出，或故障侧的换流器切断，非故障侧换流器进入无功补偿运行模式或者停运。

具体的，在本发明的一些实施例中，当供电系统出现故障时，故障侧的换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整换流器的感性或者容性无功输出，以保证配电系统输入侧和输出侧电压稳定。例如，当负荷侧出现故障时，负荷侧的换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整负荷侧的换流器的感性或者容性无功输出，以保证配电系统输入侧(供电侧)和输出侧(负荷侧)电压稳定。在本发明的一些实施例中，当供电系统出现严重的交流故障时，故障侧的换流器切断，非故障侧换流器进入无功补偿运行模式或者停运，从而实现了故障隔离。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于换流器的电力配送系统，其特征在于，包括供电设备、第一换流器、供电母线、第二换流器和供电负荷；

所述供电设备与所述第一换流器连接，所述第一换流器连接在所述供电母线上；

所述供电负荷与所述第二换流器连接，所述第二换流器连接在所述供电母线上。

2.根据权利要求1所述的基于换流器的电力配送系统，其特征在于，所述第一换流器和所述第二换流器均为背靠背模块化多电平换流器，包括输入级、输出级和控制器；

所述输入级的输出端与所述输出级的输入端连接；

所述控制器分别与所述输入级与所述输出级的控制端连接；

所述第一换流器的输入级的输入端与所述供电设备连接，所述第一换流器的输出级的输出端与所述供电母线连接；

所述第二换流器的输入级的输入端与所述供电母线连接，所述第二换流器的输出级的输出端与所述供电负荷连接。

3.根据权利要求2所述的基于换流器的电力配送系统，其特征在于，所述背靠背模块化多电平换流器还包括：第一H桥、第二H桥和第一电子变压器；

所述第一H桥的第一端与所述输入级的输出端连接，所述第一H桥的第二端与所述第一电子变压器的一次侧连接；

所述第二H桥的第一端与所述第一电子变压器的二次侧连接，所述第二H桥的第二端与所述输出级的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的基于换流器的电力配送系统，其特征在于，所述背靠背模块化多电平换流器还包括：第三H桥、第四H桥和第二电子变压器；

所述第三H桥的第一端与所述输入级的输出端连接，所述第三H桥的第二端与所述第二电子变压器的一次侧连接；

所述第四H桥的第一端与所述第二电子变压器的二次侧连接，所述第四H桥的第二端与所述输出级的输入端连接。

5.根据权利要求3或4所述的基于换流器的电力配送系统，其特征在于，所述一次侧和所述二次侧均连接有限流电抗器。

6.根据权利要求2所述的基于换流器的电力配送系统，其特征在于，所述输入级和所述输出级均包括三个相单元，每个相单元包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂包括若干个子模块，所述子模块与所述控制器连接。

7.根据权利要求5所述的基于换流器的电力配送系统，其特征在于，所述上桥臂和所述下桥臂上均连接有限流电抗器。

8.根据权利要求6所述的基于换流器的电力配送系统，其特征在于，所述子模块为全桥或半桥结构。

9.根据权利要求1所述的基于换流器的电力配送系统，其特征在于，所述供电设备包括分布式供电设备。

10.一种电力配送方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一所述的基于换流器的电力配送系统，包括：

当电力系统出现故障时，故障侧换流器进入无功运行模式，并根据无功缺额量，实时调整换流器的感性或者容性无功输出，或故障侧的换流器切断，非故障侧换流器进入无功补偿运行模式或者停运。

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