CN114400643A - 一种稳固型柔性直流电网拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于直流电网技术领域，公开了一种稳固型柔性直流电网拓扑结构，包括中压直流母线、电压支撑单元、输入侧中压保护单元以及输出侧中压保护单元，中压直流母线分别与电压支撑单元、输入侧中压保护单元以及输出侧中压保护单元连接，输入侧中压保护单元连接有外部的发电系统，输出侧中压保护单元连接有外部的储能装置和外部的负载装置。本发明解决了现有技术存在的短路引发电网电压大幅跌落导致的微电网设备发生故障停机和生产损失的问题。
Description
技术领域
本发明属于直流电网技术领域，具体涉及一种稳固型柔性直流电网拓扑结构。
背景技术
直流电网是由直流构成的微电网，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。相比交流微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷。
直流电网，尤其是中压直流电网，多采用带有机械触点的保护装置，在发生短路时，电压将跌落至不足10％，时间长达2ms以上。对于很多敏感的微电网设备，2ms的超低电压过程可能造成故障停机和生产损失。对于离网型微电网，2ms的超低电压过程可能导致电网崩溃。
发明内容
为了解决现有技术存在的短路引发电网电压大幅跌落导致的微电网设备发生故障停机和生产损失的问题，本发明目的在于提供一种稳固型柔性直流电网拓扑结构。
本发明所采用的技术方案为：
一种稳固型柔性直流电网拓扑结构，包括中压直流母线、电压支撑单元、输入侧中压保护单元以及输出侧中压保护单元，中压直流母线分别与电压支撑单元、输入侧中压保护单元以及输出侧中压保护单元连接，输入侧中压保护单元连接有外部的发电系统，输出侧中压保护单元连接有外部的储能装置和外部的负载装置。
进一步地，输入侧中压保护单元包括若干馈入型直流保护模块，每个馈入型直流保护模块的输入端连接有外部的发电系统的发电机组，且每个馈入型直流保护模块的输出端与中压直流母线连接。
进一步地，还包括输入侧电能变换单元，输入侧电能变换单元包括若干升压型电能变换模块，每个升压型电能变换模块的输入端连接有外部的发电系统的发电机组，且每个升压型电能变换模块的输出端一一对应的与馈入型直流保护模块的输入端连接。
进一步地，馈入型直流保护模块为直流逆止保护开关。
进一步地，输出侧中压保护单元包括若干双向型直流保护模块和若干馈出型直流保护模块，每个双向型直流保护模块的输入端与中压直流母线连接，且每个双向型直流保护模块的输出端连接有外部的储能装置，每个馈出型直流保护模块的输入端与中压直流母线连接，且每个馈出型直流保护模块的输出端连接有外部的负载装置。
进一步地，还包括输出侧电能变换单元，输出侧电能变换单元包括若干双向型电能变换模块和若干降压型电能变换模块，每个双向型电能变换模块的输出端连接有外部的储能装置，且每个双向型电能变换模块的输入端一一对应的与双向型直流保护模块的输出端连接，每个降压型电能变换模块的输出端连接有外部的负载装置，且每个降压型电能变换模块的输入端一一对应的与馈出型直流保护模块的输出端连接。
进一步地，双向型直流保护模块为限流双向型固态断路器，馈出型直流保护模块为限流单向型固态断路器。
进一步地，电压支撑单元包括至少一个电容性支撑装置。
进一步地，中压直流母线的电压范围为1.5kV至60kV，且典型电压值为20kV，中压直流母线包括正极中压直流线和负极中压直流线，正极中压直流线的电压与负极中压直流线的电压数值相同，且方向相反。
进一步地，中压直流母线的接地方式包括小电阻接地方式和大电阻接地方式，采用大电阻接地方式时，接地点连接有接地故障定位装置。
本发明的有益效果为：
本发明在中压直流母线的输入侧和输出侧设置有输入侧中压保护单元和输出侧中压保护单元，实现了输入侧和输出侧的快速保护和短路电流限制，并且设置有电压支撑单元用于支撑中压直流母线的电压，避免了直流电网的联络线和电源、负载设备处发生任何短路事件导致的电网电压大幅度跌落的情况发生，使电网发生短路时剩余电压超过90％，短路电流存续时间一般小于0.02ms，保证了直流电网内的设备运行的安全性、可靠性以及稳定性。
本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进一步进行说明。
附图说明
图1是本发明中稳固型柔性直流电网拓扑结构的结构框图。
图2是本发明中中压直流电网拓扑结构的结构示意图。
图3是直流逆止保护开关的电路图。
图4是限流双向型固态断路器的电路图。
图5是限流单向型固态断路器的电路图。
图6是电容性支撑装置的电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
实施例1：
如图1和图2共同所示，本实施例提供一种稳固型柔性直流电网拓扑结构，包括中压直流母线、电压支撑单元、输入侧中压保护单元以及输出侧中压保护单元，中压直流母线分别与电压支撑单元、输入侧中压保护单元以及输出侧中压保护单元连接，输入侧中压保护单元连接有外部的发电系统，输出侧中压保护单元连接有外部的储能装置和外部的负载装置。
工作原理：外部的发电系统通过输入侧中压保护单元向中压直流母线注入直流电流，中压直流母线通过输出侧中压保护单元向外部的储能装置充电，并向外部的负载装置供电，当发电系统的发电机组或发电系统与直流电网的电缆发生正负极间短路时，输入侧中压保护单元动作，切断短路电流，当储能装置、负载装置或装置与直流电网的电缆发生正负极间短路时，输出侧中压保护单元中的固态断路器限制短路电流的上升速度，在10us左右的时间内分断故障电流，并消耗线路电感上的能量，电压支撑单元在短路期间向短路点输出短路电流，避免中压直流母线电压发生闪变。
本发明在中压直流母线的输入侧和输出侧设置有输入侧中压保护单元和输出侧中压保护单元，实现了输入侧和输出侧的快速保护和短路电流限制，并且设置有电压支撑单元用于支撑中压直流母线的电压，避免了直流电网的联络线和发电系统、负载单元和储能单元处发生任何短路事件导致的电网电压大幅度跌落的情况发生，使电网发生短路时剩余电压超过90％，短路电流存续时间一般小于0.02ms，保证了直流电网内的设备运行的安全性、可靠性以及稳定性。
作为优选，输入侧中压保护单元包括若干馈入型直流保护模块，每个馈入型直流保护模块的输入端连接有外部的发电系统的发电机组，且每个馈入型直流保护模块的输出端与中压直流母线连接，馈入型直流保护模块为直流逆止保护开关，本实施例中采用可再生能源发电系统为中压直流母线发电供能，包括风力发电机组和光伏发电机组，储能装置包括化学储能电池和飞轮储能装置。
如图3所示，直流逆止保护开关包括二极管阀组、均压电路、隔离接触器以及隔离开关，当发电系统的发电机组或发电系统与直流电网的电缆发生正负极间短路时，输入侧中压保护单元的直流逆止保护开关动作，二极管阀组中的二极管自然截止，切断短路电流，均压电路用于将输入电压均分至二极管阀组每个二极管，隔离接触器在没有电流的情况下制造机械断口，避免二极管阀组在发电设备停机期间长期带电，隔离开关在检修期间，制造可见的机械断口，避免检修线路意外接通发生安全事故，保障检修人员的人身安全。
作为优选，还包括输入侧电能变换单元，输入侧电能变换单元包括若干升压型电能变换模块，每个升压型电能变换模块的输入端连接有外部的发电系统的发电机组，且每个升压型电能变换模块的输出端一一对应的与馈入型直流保护模块的输入端连接。
由于发电系统的发电机组类型不同，输出交流电或直流电，电压等级也低于中压直流母线的电压等级，实现发电系统的电能输入，采用升压型电能变换模块将对应发电机组的输出电能变换为中压直流电，通过对应的馈入型直流保护模块注入中压直流母线。
作为优选，输出侧中压保护单元包括若干双向型直流保护模块和若干馈出型直流保护模块，每个双向型直流保护模块的输入端与中压直流母线连接，且每个双向型直流保护模块的输出端连接有外部的储能装置，每个馈出型直流保护模块的输入端与中压直流母线连接，且每个馈出型直流保护模块的输出端连接有外部的负载装置，双向型直流保护模块为如图4所示的限流双向型固态断路器，包括限流电抗器、二极管整流桥、快速电力电子开关、均压电路、耗能电路、隔离接触器以及隔离开关，馈出型直流保护模块如图5所示的为限流单向型固态断路器，包括限流电抗器、快速电力电子开关、均压电路、耗能电路、隔离接触器以及隔离开关。
限流双向型固态断路器和限流单向型固态断路器连接有电流传感器和过电流保护控制器，实现为通过对短路电流的快速检测、快速滤波，与预设保护阈值的比较，快速生成保护命令，控制快速电力电子开关实施关断，达到快速分断直流短路电流的目的，当储能装置、负载装置或装置与直流电网的电缆发生正负极间短路时，限流电抗器限制短路电流的上升速度，快速电力电子开关在10us左右的时间内分断故障电流，耗能电路一般为金属氧化物压敏电阻，消耗线路电感上的能量，隔离接触器用于在没有电流的情况下制造机械断口，避免设备在停机期间长期带电，隔离开关用于在检修期间，制造可见的机械断口，避免检修线路意外接通发生安全事故，保障检修人员的人身安全，储能装置为双向功率流动的设备，二极管整流桥配置给每个快速电力电子开关，也可以分组或者整体配置给串联的快速电力电子开关，使储能装置中的电流可以双向流动，实现了储能装置为直流电网进行充电。
作为优选，还包括输出侧电能变换单元，输出侧电能变换单元包括若干双向型电能变换模块和若干降压型电能变换模块，每个双向型电能变换模块的输出端连接有外部的储能装置，且每个双向型电能变换模块的输入端一一对应的与双向型直流保护模块的输出端连接，每个降压型电能变换模块的输出端连接有外部的负载装置，且每个降压型电能变换模块的输入端一一对应的与馈出型直流保护模块的输出端连接。
同样地，为了实现直流电网为储能装置充电和为负载装置供电，需要将输出的中压直流电进行降压和变换，输出对应电压等级的直流电输入储能装置和直流负载装置，或对应电压等级的交流电输入交流负载装置。
作为优选，如图6所示，电压支撑单元包括至少一个电容性支撑装置，包括电容器组、均压电路、预充电电路以及隔离开关，需要时可以进一步设置高频电流抑制电路，预充电电路在系统投入运行时进行预充电，隔离高频电流抑制电路用于避免电网中的高频电流注入电容，造成电容过载，电容器组在上述短路期间，向短路点输出短路电流，避免直流母线电压发生闪变。
作为优选，中压直流母线的电压范围为1.5kV至60kV，且典型电压值为20kV，中压直流母线包括正极中压直流线和负极中压直流线，正极中压直流线的电压与负极中压直流线的电压数值相同，且方向相反。
作为优选，中压直流母线的接地方式包括小电阻接地方式和大电阻接地方式，采用大电阻接地方式时，接地点连接有接地故障定位装置。
小电阻接地方式：直流电网将直流电网的正极、或负极、或中间极、或交流换流阀变压器的中性点通过小电阻接地或者直接接地，所述小电阻一般为100Ω，一般最大不超过1000Ω；
大电阻接地方式：直流电网将直流电网的正极和负极通过高电阻接地，可以在电网的多个设备处设置接地点，每个接地点的接地电阻一般为10MΩ，一般不小于100kΩ；接地故障定位装置用于测量电网正负极的对地电压，当发现正极对地电压与地对负极电压的差别超过阈值时，向地和与对地电压较低的那一极之间注入一个脉冲电流，同时测量直流电网各保护开关上流过的电流的变化，当某保护开关上测量到的共模电流出现该脉冲电流时，判断接地故障点在该保护开关负责的支路上，直流电网保护系统调度关停该支路的设备，并分断该保护开关，通知检修人员进行检修。
作为优选，还设置有低压辅助供电系统，由于直流逆止保护开关的单向传输特性，无法从主直流电网向发电设备的辅机系统进行供电，因此设置独立的低压辅助供电系统对发电单元的辅机系装置进行供电，此低压辅助供电系统可采用交流，也可采用直流。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (10)
1.一种稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：包括中压直流母线、电压支撑单元、输入侧中压保护单元以及输出侧中压保护单元，所述的中压直流母线分别与电压支撑单元、输入侧中压保护单元以及输出侧中压保护单元连接，所述的输入侧中压保护单元连接有外部的发电系统，所述的输出侧中压保护单元连接有外部的储能装置和外部的负载装置。
2.根据权利要求1所述的稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：所述的输入侧中压保护单元包括若干馈入型直流保护模块，每个所述的馈入型直流保护模块的输入端连接有外部的发电系统的发电机组，且每个馈入型直流保护模块的输出端与中压直流母线连接。
3.根据权利要求2所述的稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：还包括输入侧电能变换单元，所述的输入侧电能变换单元包括若干升压型电能变换模块，每个所述的升压型电能变换模块的输入端连接有外部的发电系统的发电机组，且每个升压型电能变换模块的输出端一一对应的与馈入型直流保护模块的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：所述的馈入型直流保护模块为直流逆止保护开关。
5.根据权利要求1所述的稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：所述的输出侧中压保护单元包括若干双向型直流保护模块和若干馈出型直流保护模块，每个所述的双向型直流保护模块的输入端与中压直流母线连接，且每个双向型直流保护模块的输出端连接有外部的储能装置，每个所述的馈出型直流保护模块的输入端与中压直流母线连接，且每个馈出型直流保护模块的输出端连接有外部的负载装置。
6.根据权利要求5所述的稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：还包括输出侧电能变换单元，所述的输出侧电能变换单元包括若干双向型电能变换模块和若干降压型电能变换模块，每个所述的双向型电能变换模块的输出端连接有外部的储能装置，且每个双向型电能变换模块的输入端一一对应的与双向型直流保护模块的输出端连接，每个所述的降压型电能变换模块的输出端连接有外部的负载装置，且每个降压型电能变换模块的输入端一一对应的与馈出型直流保护模块的输出端连接。
7.根据权利要求6所述的稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：所述的双向型直流保护模块为限流双向型固态断路器，所述的馈出型直流保护模块为限流单向型固态断路器。
8.根据权利要求1所述的稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：所述的电压支撑单元包括至少一个电容性支撑装置。
9.根据权利要求1所述的稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：所述的中压直流母线的电压范围为1.5kV至60kV，且典型电压值为20kV，中压直流母线包括正极中压直流线和负极中压直流线，所述的正极中压直流线的电压与负极中压直流线的电压数值相同，且方向相反。
10.根据权利要求1所述的稳固型柔性直流电网拓扑结构，其特征在于：所述的中压直流母线的接地方式包括小电阻接地方式和大电阻接地方式，采用大电阻接地方式时，接地点连接有接地故障定位装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Room 402, 4th Floor, Building 8, Courtyard 9, Fengyuan Street, Daxing District, Beijing 102600 Applicant after: Zhihuan (Beijing) hydrogen energy technology Co.,Ltd. Address before: 643000 Huidong learning street 180, Zigong, Sichuan Applicant before: Zhihuan (Beijing) hydrogen energy technology Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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