CN114362182B - 一种四端柔性直流互联双环网配电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四端柔性直流互联双环网配电系统，通过在交流线路之间接入柔性直流互联装置构成四端交流线路之间的互联通道，使城市中压交流配电网合环运行，能够在短路电流不增大的前提下，实现能量互供及多个电源的在线热备用，提高系统供电效率及供电可靠性，有效缓解配电网供电压力。系统正常运行时，装置可以根据调度指令调整系统中的功率分布，减少损耗，提高电网的运行效率；系统不正常运行或发生故障时，装置可以迅速发出动态有功或无功，支援电网提供动态有功功率或者无功功率支援，提高系统稳定性；故障切除后，柔性环网控制装置可以帮助系统快速恢复，避免故障恶化。

Description

一种四端柔性直流互联双环网配电系统
技术领域
本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种四端柔性直流互联双环网配电系统。
背景技术
目前的电力系统以交流电网为主体，不同电压等级之间相互配合构成了复杂的电力网络，实现系统中电能的发、输、配等任务。其中，配电网是联系输变电系统或电源系统与用户的重要环节，是实现和保障供电质量和供电能力的重要基础设施。为了限制电力系统的短路容量，避免电磁环网的出现，同地区的高压配电网(主要包括110kV、220kV电压等级)通常采用分区运行的方法，正常运行时，不同区域之间的联络开关处于断开状态。而中压配电网(主要包括35kV、10kV电压等级)采用“闭环设计，开环运行”的方法，正常运行时配电线路间的联络开关处于断开状态。
随着城市的大规模建设，企业的高速发展，以及农村城镇化改造的不断推进，配电网建设不断发展与完善，与此同时，用户对供电质量、可靠性的要求也日益增长，中压配电网正面临着一系列发展瓶颈：一是配电网用电负荷快速增长，一些区域的配电网出现了配电走廊紧张、配变负载率过高、馈线负荷分布不均衡等问题；二是开环运行影响了中压配电网供电可靠性的提升，统计表明80％以上的用户停电都是由配电网侧引起的，经配电自动化改造的开环配电网，在故障倒闸操作时仍避免不了短时的停电；三是随着分布式能源的发展和大规模普及，以及高精尖产业的发展，用户对于供电可靠性和供电质量的要求也日益提高，配电网呈现运行方式多样、潮流分布形式复杂等特点，开环运行限制了中压配电网消纳清洁能源的能力，无法满足大规模分布式电源的接入。而对于中压配电网的合环运行，不同电源间的合环互联会显著增加配电网的短路容量，同时由于不同变电站馈线出口处电位差及短路阻抗差的影响，系统中可能出现很大的合环电流，构成电磁环网，直接影响电网的安全可靠运行。因此，如何实现多电源间的安全合环成为了中压配电网运行调度的新挑战。
近年来，电力电子技术的理论研究和制造工艺不断取得突破性进展，促进了柔性直流技术的推广和应用。基于电压源型换流器的柔性直流配电技术因具有传输容量大、传输损耗率小、电缆造价低、供电质量高、灵活友好接入、控制灵活等优势，可在配电网升级改造、交流系统异步互联、分布式电源并网运行等方面发挥重要作用。研究表明，由于目前直流断路器、直流电缆等关键设备的不成熟以及建设标准的不完善，利用背靠背柔性环网装置改造已有的交流配电系统更符合现代城市配电系统的发展方向，是未来配电系统升级的重要措施。在充分发挥配电网已有网络结构和设备潜力的基础上，通过在关键节点安装柔性环网控制装置，可以显著提高系统的运行控制和优化性能。但目前柔性环网装置在交流配电网的应用还未形成成熟公认的架构方案。
发明内容
针对目前交流配电网合环运行需求带来的一系列挑战以及背靠背柔性环网装置在配电网中应用架构尚不明晰的问题，本发明提供一种四端柔性直流互联双环网配电系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种四端柔性直流互联双环网配电系统，包括交流电源、交流线路、直流母线、直流线路、互联装置和直流断路器；
第一交流电源通过第一交流线路和第一互联装置与第一直流母线相连，通过第八交流线路和第八互联装置与第四直流母线相连；
第二交流电源通过第二交流线路和第二互联装置与第一直流母线相连，通过第三交流线路和第三互联装置与第二直流母线相连；
第三交流电源通过第六交流线路和第六互联装置与第三直流母线相连，通过第七交流线路和第七互联装置与第四直流母线相连；
第四交流电源通过第四交流线路和第四互联装置与第二直流母线相连，通过第五交流线路和第五互联装置与第三直流母线相连；
第一直流母线通过第一直流断路器与第四直流母线相连，第二直流母线通过第二直流断路器与第三直流母线相连；第一直流断路器通过直流线路与第二直流断路器相连。
优选的，所述直流断路器采用三端口直流断路器。
优选的，每一端交流电源包括由不同配电变压器供电的两条交流配电母线，两条交流配电母线分别与连接该端交流电源的两条交流线路相连。
优选的，第一交流线路与第八交流线路、第二交流线路与第七交流线路、第三交流线路与第六交流线路、第四交流线路与第五交流线路分别同走向布置，为同一供电区域的相同用电负荷提供互为备份的双电源供电。
优选的，所述互联装置由联接变压器与电压源型换流器构成，联接变压器连接在交流线路与电压源型换流器的交流侧之间；电压源型换流器的直流侧与直流母线相连。
优选的，所述互联装置中的电压源型换流器具备直流故障自清除能力，为全桥式、混合桥式或交叉钳位式模块化多电平换流器。
优选的，每条直流母线均具有向光伏、储能、直流充电桩、直流数据中心、其他直流负载设备或系统提供接入的直流配电接口。
优选的，三端口直流断路器由三套混合式直流断路器构成，混合式直流断路器包括机械开关支路、电力电子支路、耗能支路，三个支路相互并联。
优选的，三套混合式直流断路器呈星形连接，首端相互连接，末端各自连接外部回路。
优选的，三端口直流断路器具备独立切断其任意端口电气连接的功能，用于配合电压源型换流器的闭锁。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的四端柔性直流互联双环网配电系统通过在交流线路之间接入柔性直流互联装置构成四端交流线路之间的互联通道，使城市中压交流配电网合环运行，能够在短路电流不增大的前提下，实现能量互供及多个电源的在线热备用，提高系统供电效率及供电可靠性，有效缓解配电网供电压力。系统正常运行时，装置可以根据调度指令调整系统中的功率分布，减少损耗，提高电网的运行效率；系统不正常运行或发生故障时，装置可以迅速发出动态有功或无功，支援电网提供动态有功功率或者无功功率支援，提高系统稳定性；故障切除后，柔性环网控制装置可以帮助系统快速恢复，避免故障恶化。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一个实施例的四端柔性直流互联双环网配电系统架构图。
图2是本发明中互联装置所采用电压源型换流器的直流故障自清除拓扑图。其中，(a)为全桥式，(b)为半桥式，(c)为交叉钳位式。
图3是本发明中三端口直流断路器的拓扑图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明一个实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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，本发明一个实施例的四端柔性直流互联双环网配电系统架构。包括第一交流电源～第四交流电源共四端交流电源、第一交流线路～第八交流线路共八条交流线路、第一区域～第八区域共八个交流供电区域、第一直流母线～第四直流母线共四条直流母线、一条直流线路、第一柔性直流互联装置～第八柔性直流互联装置(本发明中简称互联装置)共八套互联装置，以及第一直流断路器和第二直流断路器共两台三端口直流断路器。
各组成部分的相互连接关系如下：
第一交流电源通过第一交流线路和第一互联装置与第一直流母线相连，通过第八交流线路和第八互联装置与第四直流母线相连；第二交流电源通过第二交流线路和第二互联装置与第一直流母线相连，通过第三交流线路和第三互联装置与第二直流母线相连；第三交流电源通过第六交流线路和第六互联装置与第三直流母线相连，通过第七交流线路和第七互联装置与第四直流母线相连；第四交流电源通过第四交流线路和第四互联装置与第二直流母线相连，通过第五交流线路和第五互联装置与第三直流母线相连；第一直流母线通过三端口的第一直流断路器与第四直流母线相连，第二直流母线通过三端口的第二直流断路器与第三直流母线相连；第一直流断路器与第二直流断路器通过直流线路相连。
各交流线路共同为四端配电范围内的电气负荷提供多回路高可靠供电。具体如下：
第一交流线路与第八交流线路同走向布置，为第一区域和第二区域的相同用电负荷提供互为备份的双电源供电；第二交流线路与第七交流线路同走向布置，为第三区域和第四区域的相同用电负荷提供互为备份的双电源供电；第三交流线路与第六交流线路同走向布置，为第五区域和第六区域的相同用电负荷提供互为备份的双电源供电；第四交流线路与第五交流线路同走向布置，为第七区域和第八区域的相同用电负荷提供互为备份的双电源供电。
对于每一端交流电源，其包括由不同配电变压器供电的两条交流配电母线，两条交流配电母线分别与连接该端交流电源的两条交流线路相连。
对于每套互联装置，其由联接变压器与电压源型换流器构成，其中：联接变压器连接在交流线路与电压源型换流器的交流侧之间；电压源型换流器的直流侧与直流母线相连。互联装置中的电压源型换流器具备直流故障自清除能力，可以在直流侧母线发生故障时自动闭锁并阻断交流电源向直流故障点的短路放电电流。为了实现直流故障自清除，电压源型换流器采用全桥式、混合桥式，以及交叉钳位式模块化多电平换流器，这三种具备直流故障自清除能力的换流器拓扑如图2所示。
对于每条直流母线，其均具有向光伏、储能、直流充电桩、直流数据中心、其他直流负载等设备或系统提供接入的直流配电接口。
对于每台三端口直流断路器，其均具备独立切断其任意端口电气连接的功能，配合电压源型换流器的闭锁，可实现任意直流母线的故障切除。每台三端口直流断路器由三套混合式直流断路器构成，其中：每套混合式直流断路器包括机械开关支路、电力电子支路、耗能支路，三个支路相互并联；三套混合式直流断路器呈星形连接，其首端相互连接，末端各自连接外部回路。三端口直流断路器的拓扑如图3所示。
正常运行时，柔性直流互联装置工作在背靠背运行模式，各端交流线路合环运行，负荷处的负荷开关分闸，负荷开关连接的另一环网作为后备电源；若某条线路故障，连接该条线路的柔直换流器暂时闭锁，待故障清除后，快速解锁恢复故障区域的供电；若主环网逆变电源同时失效，才经倒闸操作由负荷开关连接的另一环网为负荷提供转供电源。另外，几组柔直环网装置的直流侧经直流线路和直流断路器互联，进一步增加了电源的转供通道。
在四端柔性直流互联双环网供电架构下，每个负荷与系统中8个电源间均存在转供通道，供电可靠性相比交流双环网得到了提升；在满足N-1准则的配置条件下，系统可以供给的负荷容量相比交流双环网得到了增加；线路故障引起保护跳闸后，无需等待交流负荷开关的机械合闸过程，逆变器解锁即可快速回复非故障区域的供电，减少了非故障区域负荷的停电恢复时间；同时，柔直环网装置在正常运行时工作在背靠背模式，两侧交流线路异步联网，可以实现系统的潮流控制和优化调度，均衡系统各个电源的负载；由于转供通道的增加和换流器自身的无功补偿功能，也使得系统整体带载能力得到了提高。另外，柔性直流母线有利于扩展光伏电站、充换电桩的直流接入，引入全新的多站融合能源互联网体系。
四端柔性直流互联双环网配电系统通过在交流线路之间接入柔性直流互联装置构成交流线路之间的互联通道，使城市中压交流配电网合环运行，能够在短路电流不增大的前提下，实现能量互供及多个电源的在线热备用，提高系统供电效率及供电可靠性，有效缓解配电网供电压力。系统正常运行时，装置可以根据调度指令调整系统中的功率分布，减少损耗，提高电网的运行效率；系统不正常运行或发生故障时，装置可以迅速发出动态有功或无功，支援电网提供动态有功功率或者无功功率支援，提高系统稳定性；故障切除后，柔性环网控制装置可以帮助系统快速恢复，避免故障恶化。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (1)

1.一种四端柔性直流互联双环网配电系统，其特征在于，包括交流电源、交流线路、直流母线、直流线路、互联装置和直流断路器；
第一交流电源通过第一交流线路和第一互联装置与第一直流母线相连，通过第八交流线路和第八互联装置与第四直流母线相连；
第二交流电源通过第二交流线路和第二互联装置与第一直流母线相连，通过第三交流线路和第三互联装置与第二直流母线相连；
第三交流电源通过第六交流线路和第六互联装置与第三直流母线相连，通过第七交流线路和第七互联装置与第四直流母线相连；
第四交流电源通过第四交流线路和第四互联装置与第二直流母线相连，通过第五交流线路和第五互联装置与第三直流母线相连；
第一直流母线通过第一直流断路器与第四直流母线相连，第二直流母线通过第二直流断路器与第三直流母线相连；第一直流断路器通过直流线路与第二直流断路器相连；
所述直流断路器采用三端口直流断路器；
每一端交流电源包括由不同配电变压器供电的两条交流配电母线，两条交流配电母线分别与连接该端交流电源的两条交流线路相连；
第一交流线路与第八交流线路、第二交流线路与第七交流线路、第三交流线路与第六交流线路、第四交流线路与第五交流线路分别同走向布置，为同一供电区域的相同用电负荷提供互为备份的双电源供电；
所述互联装置由联接变压器与电压源型换流器构成，联接变压器连接在交流线路与电压源型换流器的交流侧之间；电压源型换流器的直流侧与直流母线相连；
所述互联装置中的电压源型换流器具备直流故障自清除能力，为全桥式、混合桥式或交叉钳位式模块化多电平换流器；
每条直流母线均具有向光伏、储能、直流充电桩、直流数据中心、其他直流负载设备或系统提供接入的直流配电接口；
三端口直流断路器由三套混合式直流断路器构成，混合式直流断路器包括机械开关支路、电力电子支路、耗能支路，三个支路相互并联；
三套混合式直流断路器呈星形连接，首端相互连接，末端各自连接外部回路；
三端口直流断路器具备独立切断其任意端口电气连接的功能，用于配合电压源型换流器的闭锁。
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