CN115000927A - 新能源全直流并网拓扑及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新能源全直流并网拓扑及系统。本发明的新能源全直流并网拓扑包括新能源装置和与新能源装置连接的前级中压直流变压装置及后级高压直流变压器，所述的前级中压直流变压装置包括逆变器、箱式变压器和二极管整流桥；新能源装置输出低压直流电给逆变器，经逆变器和箱式变压器后输出中压交流，箱式变压器的副边接入二极管整流桥，将中压交流转为中压直流；所述二极管整流桥的输出连接后级高压直流变压器，将中压直流升为高压直流。本发明的制造成本低，可实现新能源全直流接入方案的推广应用。

Description

新能源全直流并网拓扑及系统
技术领域
本发明属于新能源接入系统，具体地说是一种新能源全直流并网拓扑及系统。
背景技术
目前，新能源主流的接入方式为交流接入，新能源交流汇集-交流送出技术较为成熟，并网逆变器+箱式变压器已经量产，成本比前些年下降明显，但也存在着一定局限性。新能源经交流并入弱电网损耗高、效率低、易发生宽频振荡、需要配置无功补偿和储能设备、对交流电网消纳和调峰能力要求较高。以光伏为例，光伏场站中光伏电池板经过串并联组合方式连接，通过并网逆变器将光伏低压直流逆变为50Hz低压交流，后经过箱式变压器升压至35kV，之后再经工频变压器将升压到110kV及以上的输电电压等级，实现远距离输送，如图1所示。
随着国内柔直技术推广应用，近年来舟山五端柔直工程、南澳三端柔直工程、张北柔性直流电网工程、如东海上风电直流送出工程相继投运。如何将新能源的直流属性与目前的柔性直流输电工程结合起来是当前的研究热点。以光伏为例，光伏直流汇集系统直接将光伏场站输出的低压直流经低压直流变压器升压至中压级别(比如±20kV)，再通过高压直流变压器升压至高压级别(比如±200kV)送出，如图2所示。全直流接入方案采用两级直流变压器实现直流汇集-直流送出，对未来大规模光伏并网和消纳提供了一种新的思路，具有显著的指导意义。
与交流接入方案相比，光伏直流汇集-直流送出线路损耗较小、效率较高，不需要无功功率补偿，宽频振荡等稳定性问题得到显著改善，但由于两级直流变压器均属于非标产品，还未实现量产，造价高，不利于全直流接入方案的推广。图2中低压直流变压器由于电压等级较低，因此电流较大，通常采用多模块并联的结构，高压直流变压器由于电压等级较高，电流低于低压直流变压器，通常采用单模块结构。相同容量下图2中的全直流接入方案的成本是图1中交流接入方案的5-6倍，而低压直流变压器的设备成本占了全直流接入方案设备成本的60％，因此有必要寻求低成本的新能源全直流并网拓扑，促进全直流接入方案的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种低成本的新能源全直流并网拓扑及系统，以实现新能源全直流接入方案的推广。
为此，本发明采用的一种技术方案为：新能源全直流并网拓扑，包括新能源装置和与新能源装置连接的前级中压直流变压装置及后级高压直流变压器，
所述的前级中压直流变压装置包括逆变器、箱式变压器和二极管整流桥；新能源装置输出低压直流电给逆变器，经逆变器和箱式变压器后输出中压交流，箱式变压器的副边接入二极管整流桥，将中压交流转为中压直流；
所述二极管整流桥的输出连接后级高压直流变压器，将中压直流升为高压直流。
本发明采用逆变器和箱式变压器将低压直流转为中压交流，并实现电气隔离，防止故障范围放大，通过二极管整流桥将中压交流转为6脉动中压直流。逆变器、箱式变压器和二极管整流桥的成本均较低，从而降低了前级中压直流变压装置的成本，相比于现有的LLC变换器或者DAB变换器的拓扑显著占优。
进一步地，所述的箱式变压器与二极管整流桥之间设有中压交流接入端口，用于连接交流升压变压器，连接交流电网。
本发明采用的另一种技术方案为：新能源全直流并网拓扑，包括新能源装置和与新能源装置连接的前级中压直流变压装置及后级高压直流变压器，其特征在于，
所述的前级中压直流变压装置包括逆变器、三绕组变压器和二极管整流桥；新能源装置输出低压直流电给逆变器，经逆变器和三绕组变压器后输出中压交流，所述三绕组变压器的副边分别经星接和角接连接二极管整流桥后并联，将中压交流转为中压直流；
所述二极管整流桥的输出连接后级高压直流变压器，将中压直流升为高压直流。采用三绕组变压器代替箱式变压器，这样经二极管整流桥后，将中压交流转为12脉动中压直流，减小了纹波率。
进一步地，所述的三绕组变压器与二极管整流桥之间设有中压交流接入端口，用于连接升压变压器，连接交流电网。中压交流接入端口便于接入升压变压器，实现新能源交直流双冗余送出。当后级高压直流变压器出现故障时，此结构设置可避免新能源无法送出的现象。
进一步地，所述二极管整流桥的中压直流侧串联直流滤波器，进一步减小纹波率。
进一步地，所述的后级高压直流变压器的输出端连接柔直换流站直流母线。
进一步地，所述的新能源装置为光伏场站，所述的逆变器为光伏并网逆变器。
进一步地，所述的新能源装置为风力发电系统。
进一步地，所述的逆变器和箱式变压器采用箱逆变一体机。多种型号的箱逆变一体机已实现批量化生产，进一步降低成本。
本发明还提供一种新能源全直流并网系统，其包含上述新能源全直流并网拓扑。
与传统的LLC、DAB拓扑相比，本发明具有的有益效果如下：
1)制造成本优势显著。逆变器、箱式变压器或三绕组变压器和二极管整流桥的成本均较低，且二极管不控整流桥已实现量产，有系列规格型号可供选择，从而降低了前级中压直流变压装置的成本，相比于现有的LLC变换器或者DAB变换器的拓扑显著占优。
2)采用三绕组变压器，经二极管整流桥后，将中压交流转为12脉动中压直流，减小了纹波率。
3)二极管不控整流桥的技术成熟度非常高，运行稳定可靠。二极管不控整流桥已形成模块化量产，已经积累的丰富的运行维护经验，根据现场故障情况可以很快判断出故障类型、故障位置，更换相关模块即可，可显著节省运维检修的时间，确保新能源的不间断消纳。
4)中压交流接入端口用于连接交流升压变压器，连接交流电网，实现新能源交直流双冗余送出，可靠性得到进一步提升；当后级高压直流变压器出现故障时，此结构设置可避免新能源无法送出的现象。
5)箱逆变一体机已实现量产，有系列规格型号可供选择，设备成本低。箱逆变一体机的技术成熟度非常高，运行稳定可靠。箱逆变一体机已形成模块化量产，已经积累的丰富的运行维护经验，根据现场故障情况可以很快判断出故障类型、故障位置，更换相关模块即可，可显著节省运维检修的时间，确保新能源的不间断消纳。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有光伏交流接入的示意图；
图2为现有光伏全直流接入的示意图；
图3为本发明新能源全直流接入的示意图；
图4为本发明采用箱式变压器的新能源全直流并网拓扑的示意图；
图5为本发明采用三绕组变压器的新能源全直流并网拓扑的示意图；
图6为本发明实现新能源交直流送出双冗余方案的示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
本实施例为一种新能源全直流并网拓扑，包括新能源装置和与新能源装置连接的前级中压直流变压装置及后级高压直流变压器，所述的逆变器和箱式变压器采用箱逆变一体机，如图3所示。
所述的前级中压直流变压装置包括并网逆变器、箱式变压器和二极管整流桥；新能源装置输出低压直流电给逆变器，经逆变器和箱式变压器后输出中压交流，箱式变压器的副边接入二极管整流桥，将中压交流转为中压直流，通过二极管整流桥将中压交流转为6脉动中压直流，如图4所示。
本实施例的新能源装置为包括光伏电池板的光伏场站，所述的逆变器为光伏并网逆变器。
所述二极管整流桥的输出连接后级高压直流变压器，将中压直流升为高压直流，后级高压变压器的输出端连接柔直换流站直流母线。
本发明采用逆变器和箱式变压器将低压直流转为中压交流，并实现电气隔离，防止故障范围放大，逆变器、箱式变压器和二极管整流桥的成本均较低，从而降低了前级中压直流变压装置的成本，相比于现有的LLC变换器或者DAB变换器的拓扑显著占优。
如图6所示，所述的箱式变压器与二极管整流桥之间设有中压交流接入端口，用于连接升压变压器，连接交流电网。中压交流接入端口便于接入升压变压器，实现新能源交直流双冗余送出，确保新能源的不间断送出。
如图5所示，当所述的箱式变压器采用三绕组变压器替代时，所述三绕组变压器的副边分别经星接和角接连接二极管整流桥后并联。采用三绕组变压器代替箱式变压器，这样经二极管整流桥后，将中压交流转为12脉动中压直流，减小了纹波率。此外，还可以在二极管整流桥的中压直流侧串联直流滤波器，进一步减小纹波率。考虑到中压直流作为中间电压等级，后级还接有可调节的高压直流变压器，因此中压直流对纹波率不会有太严格的要求。
所述的三绕组变压器与二极管整流桥之间设有中压交流接入端口，用于连接升压变压器，连接交流电网。中压交流接入端口便于接入升压变压器，实现新能源交直流双冗余送出，确保新能源的不间断送出。当后级高压直流变压器出现故障时，此结构设置可避免新能源无法送出的现象。
本实施例新能源全直流并网拓扑具有的技术效果为：
1)制造成本优势显著。箱逆变一体机、二极管不控整流桥均实现量产，有系列规格型号可供选择，设备成本仅为现有LLC、DAB拓扑的1/5。
2)可靠性高。箱逆变一体机、二极管不控整流桥的技术成熟度非常高，运行稳定可靠；方便升级成新能源交直流送出双冗余方案，可靠性得到进一步提升。
3)设备易维护。箱逆变一体机、二极管不控整流桥已形成模块化量产，已经积累的丰富的运行维护经验，根据现场故障情况可以很快判断出故障类型、故障位置，更换相关模块即可，可显著节省运维检修的时间，确保新能源的不间断消纳。
本实施例还提供一种新能源全直流并网系统，其包含上述新能源全直流并网拓扑。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.新能源全直流并网拓扑，包括新能源装置和与新能源装置连接的前级中压直流变压装置及后级高压直流变压器，其特征在于，
所述的前级中压直流变压装置包括逆变器、箱式变压器和二极管整流桥；新能源装置输出低压直流电给逆变器，经逆变器和箱式变压器后输出中压交流，箱式变压器的副边接入二极管整流桥，将中压交流转为中压直流；
所述二极管整流桥的输出连接后级高压直流变压器，将中压直流升为高压直流。
2.根据权利要求1所述的新能源全直流并网拓扑，其特征在于，所述的箱式变压器与二极管整流桥之间设有中压交流接入端口，用于连接升压变压器，连接交流电网。
3.新能源全直流并网拓扑，包括新能源装置和与新能源装置连接的前级中压直流变压装置及后级高压直流变压器，其特征在于，
所述的前级中压直流变压装置包括逆变器、三绕组变压器和二极管整流桥；新能源装置输出低压直流电给逆变器，经逆变器和三绕组变压器后输出中压交流，所述三绕组变压器的副边分别经星接和角接连接二极管整流桥后并联，将中压交流转为中压直流；
所述二极管整流桥的输出连接后级高压直流变压器，将中压直流升为高压直流。
4.根据权利要求3所述的新能源全直流并网拓扑，其特征在于，所述的三绕组变压器与二极管整流桥之间设有中压交流接入端口，用于连接升压变压器，连接交流电网。
5.根据权利要求1-4任一项所述的新能源全直流并网拓扑，其特征在于，所述二极管整流桥的中压直流侧串联直流滤波器。
6.根据权利要求1-4任一项所述的新能源全直流并网拓扑，其特征在于，所述的后级高压直流变压器的输出端连接柔直换流站直流母线。
7.根据权利要求1-4任一项所述的新能源全直流并网拓扑，其特征在于，所述的新能源装置为光伏场站，所述的逆变器为光伏并网逆变器。
8.根据权利要求1-4任一项所述的新能源全直流并网拓扑，其特征在于，所述的新能源装置为风力发电系统。
9.根据权利要求1所述的新能源全直流并网拓扑，其特征在于，所述的逆变器和箱式变压器采用箱逆变一体机。
10.新能源全直流并网系统，其特征在于，包含权利要求1-9所述新能源全直流并网拓扑。
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