CN114865634B - 一种交流电网的柔性互联接线结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交流电网的柔性互联接线结构与控制方法，通过具有交直变换功能的电力电子装置连接变电站中至少两台变压器的低压绕组，实现交流电网跨电压等级柔性互联接线方式，为电网提供跨电压等级潮流调节及动态无功补偿能力。充分利用城市电网电压序列优化后变电站主变压器的闲置绕组，与电力电子装置结合后形成新型电网互联方案，同时可拓展直流接口，兼容多元化源荷接入需求。

Description

一种交流电网的柔性互联接线结构及控制方法

技术领域

本发明涉及输变电装备技术领域，具体涉及一种交流电网的柔性互联接线结构及控制方法。

背景技术

随着分布式光伏爆发式的增长，具有强随机性、波动性和间歇性特点的新能源将以集中或分布式方式大规模接入电网；同时大量电动汽车、柔性可控负荷及储能接入电网，使电网源荷的不确定性增强，潮流变化更加复杂，传统配网“闭环设计、开环运行”的运行模式将无法面对潮流的频繁快速变化带来的电压波动和过载等问题，电网亟需实现各层级电网的柔性互联，并有效解决合环后的潮流调节和短路电流问题。采用常规交流开关合环方式下，环网潮流不可控，也存在短路电流超标问题，运行方式十分受限。现有的智能多状态开关等配网合环手段通过柔直背靠背的方式实现了电网合环和潮流可控，但需要增加合环电压等级下的与线路传输容量匹配的换流变、换流阀等一系列装备，占地大、成本高。

此外，电网在简化电压序列的过程中逐步取消35kV网络，110kV逐步取代35kV成为配电网主干网。通常220kV变电站选用220kV/110kV/35kV或者220kV/110kV/10kV三绕组变压器作为主变压器，随着35kV供电网络的消失，越来越多的220kV变电站主变35kV绕组闲置。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供一种交流电网的柔性互联接线结构，包括：柔性互联装置和交流开关，所述柔性互联装置至少包括交流端口、一次电路和控制系统，所述一次电路与交流端口连接后通过所述交流开关与交流变电站的各电压等级的交流母线的主变压器的中压绕组或低压绕组引出的交流端口连接；

当变电站母联开关断开时，通过所述控制系统控制一次电路实现与所述各电压等级的交流母线间的功率调节。

优选的，所述交流变电站的交流母线至少为两个，且所述交流母线具有相同或不同的电压等级。

优选的，所述柔性互联装置还包含至少一个直流端口；

所述交流变电站还具有至少一个直流母线，所述柔性互联装置的直流端口与所述直流母线连接。

优选的，当直流母线为多个时，所述多个直流母线具有相同或不同电压等级；所述柔性互联装置的直流端口的数量与所述直流母线数量一致，且柔性互联装置的各直流端口分别与所述多个直流母线连接。

优选的，所述一次电路包括：启动回路和交直换流器。

优选的，当所述柔性互联装置具有至少两个交流端口和至少一个直流端口时，所述交直换流器包括：两个两端口交直换流器；

各换流器交流端口通过启动回路连接柔性互联装置的交流端口，各换流器的直流端口通过直流开关连接柔性互联装置的直流端口。

优选的，当所述柔性互联装置的直流端口至少包括一个高压直流端口和两个低压直流端口，所述交直换流器包括两个三端口交直流换流器，每个三端口换流器包含1个交流端口，一个高压直流端口和一个低压直流端口；

所述两个三端口换流器的高压直流端分别通过直流开关连接柔性互联装置的高压直流端口；

所述两个三端口换流器的低压直流端分别作为所述柔性互联装置的低压直流端口；

所述两个三端口换流器的交流端分别作为所述柔性互联装置的交流端口。

优选的，当所述柔性互联装置包含至少一个中压直流端口、一个低压直流端口、一个低压交流端口时，所述交直换流器包括一个三端口交直流换流器，所述三端口换流器包含一个交流端口，一个低压直流端口和一个中压直流端口；所述中压直流端口与中压直流母线互联，低压直流端口与低压直流母线互联，低压交流接口与变电站低压母线互联。

优选的，当交直流换流器具有多个直流端时，所述直流端还包括公共直流侧。

优选的，所述接线结构还包括储能装置；所述储能装置与柔性互联装置的公共直流侧并联或通过直流母线与柔性互联装置并联。

优选的，所述柔性互联装置的交流端口具备故障限流控制功能，通过主动限流或闭锁的方式对各高压交流母线之间短路电流故障进行阻断。

优选的，所述母联开关包括：连接至少两个高压母线的高压母联开关和连接至少两个低压母线的低压母联开关。

优选的，所述中压绕组或低压绕组为35kv绕组。

基于同一种发明构思，本发明还提供一种基于交流电网的柔性互联接线结构的控制方法，包括：

当变电站母联开关断开时，通过柔性互联装置的控制系统控制一次电路实现与交流端口连接的各电压等级的交流母线间的功率调节；

其中，所述电网互联接线结构为本发明提供的一种交流电网的柔性互联接线结构。

优选的，所述通过柔性互联装置的控制系统控制一次电路实现与交流端口连接的各电压等级的交流母线间的功率调节，包括：

所述控制系统通过控制一次电路实现对各交流端口之间的功率大小和方向，实现对各电压等级的交流母线之间有功功率大小和方向的调节，并对各电压等级的母线提供容性或感性的动态可调无功功率。

优选的，所述对各电压等级的交流母线之间有功功率大小和方向的调节，包括：

对主变压器高压绕组与低压绕组之间、主变压器高压绕组与中压绕组之间，以及主变压器中压绕组与低压绕组之间功率的大小和方向的调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供一种交流电网的柔性互联接线结构，包括：柔性互联装置和交流开关，所述柔性互联装置至少包括交流端口、一次电路和控制系统，所述一次电路与交流端口连接后通过所述交流开关与交流变电站的各电压等级的交流母线的主变压器的中压绕组或低压绕组引出的交流端口连接；当变电站母联开关断开时，通过所述控制系统控制一次电路实现与所述各电压等级的交流母线间的功率调节；本发明通过柔性电力电子装置，实现跨电压等级分层分区交流电网互联，同时互联节点的潮流灵活可控、短路电流可限，可以充分发挥现有交流网架的输送能力；

2、本发明提供的技术方案为现有交流变电站拓展直流接口，对光伏、电动汽车、数据中心等直流源荷的接入更加友好；

3、本发明提供的技术方案充分利用旧有设备，避免新增设备，发挥闲置资产价值。

附图说明

图1为柔性互联装置与变电站主变压器接线示意图；

图2为柔性互联装置引出直流端后与变电站主变压器接线示意图；

图3为由两端口换流器构成的柔性互联装置示意图；

图4为由三端口换流器构成的柔性互联装置示意图；

图5为对三端口换流器构成的柔性互联装置补充示意图；

图6为由柔性互联装置构成的跨电压等级交直流互联系统示意图；

图7为由多端口换流器构成的柔性互联装置示意图；

图8为由两端口换流器构成的带储能型柔性互联装置示意图。

具体实施方式

本发明将电力电子技术与变电站主变压器结合，采用柔性电力电子装置连接变电站不同主变压器的中压或低压绕组，实现交流电网跨电压等级柔性互联与潮流流向和大小实现精准调控，并可拓展直流接口。为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

本发明公开了一种交流电网的柔性互联接线结构，用于实现交流电网的交直流柔性互联，通过具有交直变换功能的电力电子装置连接变电站中不同主变压器的中压或低压绕组，实现不同高压等级的母线通过主变中压或低压绕组和电力电子装置实现柔性互联。柔性互联装置，在公共直流侧或构成柔性电力电子装置的换流模块直流电容两端并联储能装置，具备发出或吸收有功功率的能力。

本发明的一种交流电网的柔性互联接线结构，如图1所示，包括：柔性互联装置和交流开关，所述柔性互联装置至少包括交流端口、一次电路和控制系统，所述一次电路与交流端口连接后通过所述交流开关与交流变电站的各电压等级的交流母线的主变压器的中压绕组或低压绕组引出的交流端口连接；

当变电站母联开关断开时，通过所述控制系统控制一次电路实现与所述各电压等级的交流母线间的功率调节/柔性互联装置的控制功能。

所述交流变电站的交流母线至少为两个，且所述交流母线具有相同或不同的电压等级；

所述柔性互联装置的交流端口与所述交流变电站的交流母线的数量一致，且分别与各交流母线的主变压器的中压绕组或低压绕组引出的交流端口连接。

所述柔性互联装置还包含至少一个直流端口；

所述交流变电站还具有至少一个直流母线，所述柔性互联装置的直流端口与所述直流母线连接。

当直流母线为多个时，所述多个直流母线具有相同或不同电压等级；所述柔性互联装置的直流端口的数量与所述直流母线数量一致，且柔性互联装置的各直流端口分别与所述多个直流母线连接。

所述柔性互联装置还包括：启动回路和交直换流器，各交直流换流器的交流端口通过启动回路连接所述柔性互联装置的交流端口，各换流器的直流端口通过开关连接柔性互联装置的直流端口。

两端口交直换流器直流侧开关断开后，其包含的两端口换流器可独立运行。

所述柔性互联装置的直流端口至少包括一个高压直流端口和两个低压直流端口；所述交直换流器包括两个三端口交直流换流器，每个三端口换流器包含1个交流端口，一个高压直流端口和一个低压直流端口；所述两个三端口换流器的高压直流端分别通过直流开关连接柔性互联装置的高压直流端口；所述两个三端口换流器的低压直流端分别作为所述柔性互联装置的低压直流端口；所述两个三端口换流器的交流端分别作为所述柔性互联装置的交流端口。

三端口交直换流器直流侧开关断开后，其包含的三端口换流器可独立运行。

本发明提供的柔性互联电力电子装置有不同的实现端口形态，包括只具备两个交流端口、具备两个交流端口和一个直流端口、以及具备两个交流端口和两个直流端口等不同形态，其中两个交流端口连接两台三绕组变压器的中压绕组或低压绕组。与主变压器绕组连接后电力电子装置实现交流电网跨电压等级柔性互联。具备跨电压等级潮流调节及动态无功补偿能力，同时柔性电力电子装置可拓展不同电压等级的直流接口，兼容交直流多类型源荷的灵活接入。

柔性互联装置的一种形态，包含至少两个交流端口和至少一个直流端口，可由至少两个两端口交直换流器构成，每个换流器交流端口通过启动回路连接柔性互联装置的交流端口，每个换流器的直流端口通过开关连接柔性互联装置的直流端口。该种形态柔性互联装置的两端口交直换流器直流侧开关断开后，其包含的两端口换流器可独立运行，能够实现对一台主变或者两台主变的无功补偿。

柔性互联装置的另外一种形态，包含至少两个交流端口和至少一个高压直流端口，两个低压直流端口，由至少两个三端口交直流换流器构成，每个三端口换流器包含1个交流端口，一个高压直流端口和一个低压直流端口。三端口换流器的交流端即为柔性互联装置的交流端，三端口换流器的高压直流端通过开关连接柔性互联装置的高压直流接口，三端口换流器的低压直流端各自独立，作为柔性互联装置的低压端口。

柔性互联装置包含一次电路及控制系统，在变电站高压母联开关断开的状态下，一次电路连接高压母线1和高压母线2，控制系统控制一次电路实现对高压母线1和高压母线2之间有功功率大小和方向的调节，并对高压母线1和高压母线2提供容性或感性的动态可调无功功率。

柔性互联装置的交流端口具备故障限流控制功能，通过主动限流或闭锁的方式实现高压母线1和高压母线2之间短路电流故障特征的阻断。

本发明中交直流换流器的实际电路分为两种，公共直流侧可以在内部，属于内部电路不引出端口；也可以引出端口，通过开关连接母排。

中压绕组为35kv绕组，低压绕组中也有一些为35kv绕组。由于本发明对闲置的35kv绕组的利用，避免了新增设备，发挥闲置资产价值。

本发明提供的接线结构还包括储能装置；所述柔性互联装置的公共直流侧或通过直流母线与储能装置并联。

柔性互联装置和主变压器构成的系统，具备和变电站高压母联开关或低压母联开关并列运行的方式和能力。

实施例2：

本实施例结合附图提供几种具体的交流电网的柔性互联接线结构，对本发明提供的，这里需要注意的是本发明所包含的结构不局限于本实施例提供的几种结构。进行说明。

如图1所示的结构为基于典型电网交流中变电站接线的柔性互联装置实现方案，柔性互联装置连接两台主变的中压绕组，使高压母线1通过主变压器1、柔性互联装置、主变压器2与高压母线2之间构成通路，并通过柔性互联装置控制高压母线1和高压母线2之间流通功率的大小和方向。

高压交流变电站中包含至少2台主变压器，在图中为主变压器1和主变压器2，每个主变压器包含高压绕组、中压绕组和低压绕组。每台主变压器高压绕组连接不同的高压母线，高压母联开关常态分闸；每台主变压器低压绕组连接不同的低压母线，低压母联开关常态分闸；主变之间互为备用，两个高压母线之间、两个低压母线之间没有功率交换。增加柔性互联装置后，在原有供电结构上，增加了高压母线1对高压母线2的通路，可控制高压母线1和高压母线2之间潮流的大小和方向；增加了高压母线1对低压母线2的通路，可控制高压母线1和低压母线2之间潮流的大小和方向；增加了高压母线2对高对低压母线1的通路，可控制高压母线2和低压母线1之间潮流的大小和方向；增加了低压母线1对低压母线2的通路，可控制低压母线1和低压母线2之间潮流的大小和方向。

图2所示结构为增加了直流端子的柔性互联装置，以220kV变电站两台主变的35kV绕组连接柔性互联装置形成跨电压等级柔性互联装置为例，可由两台AC/DC换流器背靠背连接形成±30kV直流端口，并引出该端口连接直流电网或直流电源、负荷；以220kV变电站两台主变的的10kV绕组连接柔性互联装置形成跨电压等级柔性互联装置为例，可由两台AC/DC换流器背靠背连接形成±10kV直流端口，并引出该端口，连接直流电网或直流电源、负荷。

图3为具备两个交流端子和至少一个直流端子的柔性互联装置典型结构，由两个两端口的AC/DC换流器构成，AC/DC换流器交流侧通过启动支路连接开关，进而与主变压器的对应绕组相连。换流器可采用常规MMC或模块带储能型的MMC；也可选用两、三电平结构AC/DC换流器。当直流开关1、和直流开关2均闭合时，柔性互联装置构成附图2所示的结构。当直流开关1断开时，换流器1与其连接的主变压器1可构成SVG运行方式，换流器2与其连接的主变压器2，既可构成SVG运行方式，也可与直流电网或直流电源、负荷联合运行。当直流开关2断开时，换流器2与其连接的主变压器2可构成SVG运行方式，换流器1与其连接的主变压器1，既可构成SVG运行方式，也可与直流电网或直流电源、负荷联合运行。

图4所示为具备两个交流端子和多个直流端子的柔性互联装置典型结构，由两个三端口的AC/DC/DC换流器构成，具体实施方式可由图5说明。柔性互联装置交流端子通过开关与主变压器中低压绕组直接连接，无需额外启动支路。三端口换流器通过高频隔离变压环节实现低压直流供电，每个三端口换流器都可引出至少一个低压直流接口、一个中压直流接口。其中中压直流接口与附图3中功能相同，用于中、高直流电压等级电网接入或源荷互联；低压直流接口可用于本地重要负荷供电。由于低压直流端口和中压直流端口、交流端口均有联络，供电可靠性高。

图6所示为一种包含两个中压交流端口、一个中压直流端口、两个低压交流端口、一个低压直流端口的柔性互联装置及其与变电站内主变压器构成的跨电压等级交直流互联系统结构。柔性互联装置可控制任意两个端口之间流通的电压大小和功率，从而可以改变任意主变压器两个绕组之间传输功率的大小和方向，进而调节高压母线到主变压器高压绕组的功率大小和方向。整个变电站各个支路之间的功率均可灵活调节。

图7所示为由至少两个多端口换流器构成的柔性互联装置，换流器选用多端口电力电子变压器，如可以选用3端口或4端口。由于每个端口功率均可控，所以同电压等级端口可以并联至母线或独立运行。虽然图中所示为低压直流互联，也可进行中压直流互联。多端口换流器具备的低压交流接口可以和变电站低压交流母线并联运行，或独立运行。

图8所示为由两端口换流器构成的带储能型柔性互联装置示意图，两个两端口换流器如图中所示可独立运行，作为SVG方式，储能可以集中式的挂在其中任何一个换流器上，或同时挂在两个换流器上，或者不挂在任何一个换流器上，也可分散式的置于换流器中的直流储能模块上。

这里需要注意本发明所包含的结构不局限于本实施例提供的几种结构。

实施例3

基于本发明的一种交流电网的柔性互联接线结构，本发明还提供一种基于交流电网的柔性互联接线结构的控制方法，包括：

当变电站母联开关断开时，通过柔性互联装置的控制系统控制一次电路实现与交流端口连接的各电压等级的交流母线间的功率调节；

其中，所述交流电网的柔性互联接线结构为本发明提供的一种交流电网的柔性互联接线结构。

通过柔性互联装置的控制系统控制一次电路实现与交流端口连接的各电压等级的交流母线间的功率调节，包括：

所述控制系统通过控制一次电路实现对各交流端口之间的功率大小和方向，实现对各电压等级的交流母线之间有功功率大小和方向的调节，并对各电压等级的母线提供容性或感性的动态可调无功功率。

对各电压等级的交流母线之间有功功率大小和方向的调节，包括：

对主变压器高压绕组与低压绕组之间、主变压器高压绕组与中压绕组之间，以及主变压器中压绕组与低压绕组之间功率的大小和方向的调节。

本发明的母联开关包括：连接至少两个高压母线的高压母联开关和连接至少两个低压母线的低压母联开关。

因此，本发明具备和变电站高压母联开关或低压母联开关并列运行的方式和能力。

本发明提供的基于交流电网的柔性互联接线结构的控制方法基于不同的接线结构具有相对应的控制方法，具体可参见实施例2中各具体结构的控制，但是由于本发明的结构不仅局限于实施例2的结构，对于不同于实施例2中的结构可以参考实施例2的控制方法进行相应调整，这里不再赘述。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种交流电网的柔性互联接线结构，其特征在于，包括：柔性互联装置和交流开关，所述柔性互联装置至少包括交流端口、一次电路和控制系统，所述一次电路与交流端口连接后通过所述交流开关与交流变电站的各电压等级的交流母线的主变压器的中压绕组或低压绕组引出的交流端口连接；

当变电站母联开关断开时，通过所述控制系统控制一次电路实现与所述各电压等级的交流母线间的功率调节；

所述交流变电站的交流母线至少为两个，且所述交流母线具有相同或不同的电压等级；

所述柔性互联装置还包含至少一个直流端口；

所述交流变电站还具有至少一个直流母线，所述柔性互联装置的直流端口与所述直流母线连接；

当直流母线为多个时，所述多个直流母线具有相同或不同电压等级；所述柔性互联装置的直流端口的数量与所述直流母线数量一致，且柔性互联装置的各直流端口分别与所述多个直流母线连接；

所述中压绕组或低压绕组为35kv绕组；

所述一次电路包括：启动回路和交直换流器；

当所述柔性互联装置的直流端口至少包括一个高压直流端口和两个低压直流端口，所述交直换流器包括两个三端口交直流换流器，每个三端口交直流换流器包含1个交流端口，一个高压直流端口和一个低压直流端口；

所述两个三端口交直流换流器的高压直流端分别通过直流开关连接柔性互联装置的高压直流端口；

所述两个三端口交直流换流器的低压直流端分别作为所述柔性互联装置的低压直流端口；

所述两个三端口交直流换流器的交流端分别作为所述柔性互联装置的交流端口。

2.如权利要求1所述的接线结构，其特征在于，当所述柔性互联装置具有至少两个交流端口和至少一个直流端口时，所述交直换流器包括：两个两端口交直换流器；

各换流器交流端口通过启动回路连接柔性互联装置的交流端口，各换流器的直流端口通过直流开关连接柔性互联装置的直流端口。

3.如权利要求1所述的接线结构，其特征在于，当所述柔性互联装置包含至少一个中压直流端口、一个低压直流端口、一个低压交流端口时，所述交直换流器包括一个三端口交直流换流器，所述三端口交直流换流器包含一个交流端口，一个低压直流端口和一个中压直流端口；所述中压直流端口与中压直流母线互联，低压直流端口与低压直流母线互联，低压交流接口与变电站低压母线互联。

4.如权利要求1所述的接线结构，其特征在于，当交直流换流器具有多个直流端时，所述直流端还包括公共直流侧。

5.如权利要求4所述的接线结构，其特征在于，所述接线结构还包括储能装置；所述储能装置与柔性互联装置的公共直流侧并联或通过直流母线与柔性互联装置并联。

6.如权利要求1所述的接线结构，其特征在于，所述柔性互联装置的交流端口具备故障限流控制功能，通过主动限流或闭锁的方式对各高压交流母线之间短路电流故障进行阻断。

7.如权利要求1所述的接线结构，其特征在于，所述母联开关包括：连接至少两个高压母线的高压母联开关和连接至少两个低压母线的低压母联开关。

8.一种基于交流电网的柔性互联接线结构的控制方法，其特征在于，包括：

当变电站母联开关断开时，通过柔性互联装置的控制系统控制一次电路实现与交流端口连接的各电压等级的交流母线间的功率调节；

其中，所述电网互联接线结构为如权利要求1至7任意一项所述的一种交流电网的柔性互联接线结构；

所述通过柔性互联装置的控制系统控制一次电路实现与交流端口连接的各电压等级的交流母线间的功率调节，包括：

所述控制系统通过控制一次电路实现对各交流端口之间的功率大小和方向， 实现对各电压等级的交流母线之间有功功率大小和方向的调节，并对各电压等级的母线提供容性或感性的动态可调无功功率；

所述对各电压等级的交流母线之间有功功率大小和方向的调节，包括：

对主变压器高压绕组与低压绕组之间、主变压器高压绕组与中压绕组之间，以及主变压器中压绕组与低压绕组之间功率的大小和方向的调节。