CN116995683B - 一种一体化换流装置及其模式自主切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子开关技术领域，公开了一种一体化换流装置及其模式自主切换方法，多路电源通过装置交直流互联，可实现负荷动态无缝转供，降低扰动持续时间，供电保证网架具备灵活转供能力，为上级变电站提供负荷转移支撑，满足高可靠性供电要求；实现多交直流电源供电、交直流负荷之间的无缝切换，保证负荷的高可靠供电及新能源高效消纳；由于结构简单，无需复杂控制，在设备运行时，具有可靠性高运维方便的优势。

Description

一种一体化换流装置及其模式自主切换方法

技术领域

本发明涉及电力电子开关技术领域，具体涉及一种一体化换流装置及其模式自主切换方法。

背景技术

以新能源为主体的电力系统将是现代社会最为重要的能源形式，电源通过换流装置接入电网的比例在不断升高，电力系统中的电力电子设备比例也在不断增加，成为了现在新型电力系统的核心特征。面临的技术问题就是系统的稳定运行与电力送出系统的稳定控制，以及换流装置与电网的交互作用，当换流器比例进一步提升之后，此时基于换流装置的电网运行控制是必然需要的。现有采用的是多换流器接入以及背靠背换流器接入，所需设备多、控制复杂，所以需要一个结构简单、多端口于一体的无复杂控制的系统，通过端口间内部协调来同时完成新能源的功率分配以及负荷的灵活调配，实现系统工作模式的自主切换，并且能够提高输出电能的质量，提高电力系统的整体性能，助力可再生能源消纳和双碳目标的推动。实现源荷间多种能源的互补调剂，分布式能源就地消纳，缩短能源调控路径，提高能源利用率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种一体化换流装置及其模式自主切换方法，以解决现有采用的是多换流器接入以及背靠背换流器接入，所需设备多、控制复杂的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种一体化换流装置，包括：至少两个整流模块、至少一个逆变模块，其中，整流模块，其交流侧与一段第一高压交流母线连接，其直流侧与一段低压直流母线连接；逆变模块，其直流侧与一段低压直流母线连接，其交流侧与低压交流母线连接；每段第一高压交流母线与一个交流电源连接。

本发明通过多端口变换器结构，可灵活接入多种能源和多种负荷，满足不同场景下对端口和电压的需求；多路电源通过装置交直流互联，可实现负荷动态无缝转供，降低扰动持续时间，供电保证网架具备灵活转供能力，为上级变电站提供负荷转移支撑，满足高可靠性供电要求。正常态时与10kV交流电网连接，同时不增加短路电流，提高微电网的可靠性。

本发明对电网来说是一个可调度可调的节点，可均衡2条线路的潮流，防止线路过载，提高配网运行水平，可接纳更多的分布式能源。可实现2个接口的无功动态补偿，提高10kV电网电压稳定运行水平。

本发明由于结构简单，无需复杂控制，在设备运行时，具有可靠性高运维方便的优势。

在一种具体实施方式中，至少一段第一高压交流母线连接交流负载连接；至少一段低压直流母线通过直流电压变换器分别连接直流负载、直流储能系统及可再生能源系统；至少一段低压交流母线上连接交流负载、交流储能系统；至少一段低压直流母线通过逆变器与一段低压交流母线连接。

在一种具体实施方式中，整流模块由多相整流单元构成，每个整流单元包括：串联连接的交交变流器、第一变压器及BUCK电路，其中，交交变流器，其第一交流侧与一段第一高压直流母线连接，其第二交流侧与第一变压器的原边连接；BUCK电路，其第一直流侧与第一变压器的副边连接，其第二直流侧与一段低压直流母线连接。

在一种具体实施方式中，一体化换流装置还包括：至少一个第二变压器、至少一个整流器，至少一段第二高压交流母线，其中，第二变压器，其第一端与一段第一高压交流母线连接，其第二端与第二高压交流母线连接，或者其第二端通过一个整流器与一段第二高压交流母线连接；第二高压交流母线，其连接光伏。

在一种具体实施方式中，第一高压交流母线、第二高压交流母线、低压交流母线及低压直流母线均通过一个断路器与其它设备连接。

在一种具体实施方式中，第一高压交流母线之间、低压交流母线之间均通过母联开关连接。

第二方面，本发明提供了一种一体化换流装置的模式自主切换方法，应用于第一方面的一体化换流装置，方法包括：实时检测每个整流模块、逆变模块的运行状态；当至少一个整流模块故障时，控制一体化换流装置切换至并网模式；当所有的整流模块均故障时，控制一体化换流装置切换至离网模式。

在一种具体实施方式中，当具有两个整流模块，且当至少一个整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至并网模式的过程，包括：当备用整流模块在预设时间内均过流时，或者当备用整流模块故障而主整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第一并网模式，将主整流模块作为主电源；当主整流模块在预设时间内均过流时，或者当主整流模块故障而备用整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第二并网模式，将备用整流模块作为主电源。

在一种具体实施方式中，当所有的整流模块均故障时，控制一体化换流装置切换至离网模式的过程，包括：当所有的整流模块均故障，逆变模块及直流储能系统未故障时，控制一体化换流装置切换至第一离网模式，将逆变模块作为交流主电源、直流储能系统作为直流主电源；当所有的整流模块、直流储能系统均故障，逆变模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第二离网模式，将交流储能系统作为主电源、逆变模块作为直流电源；当所有的整流模块、直流储能系统、逆变模块均故障时，控制一体化换流装置切换至第三离网模式，将交流储能系统作为交流主电源、直流储能系统作为直流主电源。

在一种具体实施方式中，一体化换流装置的模式自主切换方法还包括：一体化换流装置处于第三离网模式后，当逆变模块故障排除后，控制一体化换流装置切换至第一离网模式；一体化换流装置处于至第一离网模式后，当主整流模块故障排除后，控制一体化换流装置切换至第一并网模式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一体化换流装置的拓扑图；

图2是根据本发明实施例的另一一体化换流装置的拓扑图；

图3是根据本发明实施例的整流模块的电路拓扑图；

图4是根据本发明实施例的一体化换流装置的模式自主切换方法的流程图；

图5是根据本发明实施例的各模式之间切换流程简图；

图6-14是根据本发明实施例的各模式之间切换具体流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种一体化换流装置，包括：至少两个整流模块、至少一个逆变模块。

具体地，整流模块，其交流侧与一段第一高压交流母线连接，其直流侧与一段低压直流母线连接；逆变模块，其直流侧与一段低压直流母线连接，其交流侧与低压交流母线连接；每段第一高压交流母线与一个交流电源连接。

具体地，一体化换流装置含多个端口，各个端口可独立运行，其中交流端口的功率相同。的一体化换流装置所接交直流母线可独立接入可再生能源和储能。

示例性地，如图1所示，一体化换流装置包括两个整流模块（AC1+DC、AC2+DC）、一个逆变模块（AC3）。

图1中，一体化换流装置包括：一路10kV电源，预留一路电源；包含两段10kV母线，其中一段母线与一体化换流装置AC1端连接，二段母线与一体化换流装置AC2连接，并连接集中式/分布式光伏、交流负荷；包含一段750V（±375V）直流母线，连接两组储能；包含一段380V交流母线，连接水机、风电，备用线路和站用电。

具体地，本实施例的一体化换流装置的系统运行模式自主切换可分为适应电网工况变化、计划内的主动切换，以及由系统或装置异常，引发的被动切换。主动切换服从调度指令，被动切换由控制保护系统和协调控制系统共同完成。通过系统运行状态和换流装置工作状态给各个单元下发控制指令；另一方面，根据过压、过流水平，换流装置执行主动限流保护、闭锁等快速保护。

在一些可选的实施方式中，如图1及图2所示，至少一段第一高压交流母线连接交流负载连接；至少一段低压直流母线通过直流电压变换器分别连接直流负载、直流储能系统及可再生能源系统；至少一段低压交流母线上连接交流负载、交流储能系统；至少一段低压直流母线通过逆变器与一段低压交流母线连接。

在一些可选的实施方式中，如图3所示，整流模块由多相整流单元构成，每个整流单元包括：串联连接的交交变流器、第一变压器及BUCK电路，其中，交交变流器，其第一交流侧与一段第一高压直流母线连接，其第二交流侧与第一变压器的原边连接；BUCK电路，其第一直流侧与第一变压器的副边连接，其第二直流侧与一段低压直流母线连接。

在一些可选的实施方式中，如图2所示，一体化换流装置还包括：至少一个第二变压器、至少一个整流器，至少一段第二高压交流母线，其中，第二变压器，其第一端与一段第一高压交流母线连接，其第二端与第二高压交流母线连接，或者其第二端通过一个整流器与一段第二高压交流母线连接；第二高压交流母线，其连接光伏。

在一些可选的实施方式中，如图1所示，第一高压交流母线、第二高压交流母线、低压交流母线及低压直流母线均通过一个断路器与其它设备连接。

在一些可选的实施方式中，如图1所示，第一高压交流母线之间、低压交流母线之间均通过母联开关连接。

图2作为本实施例的一个具体拓扑结构，AC1、AC2、AC3、DC1、DC2、DC3是多端口一体化换流装置的不同电压等级交流端口和直流端口，其中交流端口接入交流电源#1和交流电源#2，AC3输入或输出低压交流电，可接分布式电源和储能。直流端口包含可再生能源系统、直流负载以及储能。交流端口和直流端口的能量流动是双向的。当其中某一端口故障时，其他端口自主切换为所需的控制模式，其余端口控制方法不变，系统转入另一模式运行。

在极端情况下，若装置两侧高压交流端口同时发生故障，则自主切换到低压直流供电模式。由于直流母线失去支撑电源导致电压降低，直流储能系统检测到母线电压下降从而增大输出功率，当直流母线电压恒定则直流储能系统恢复恒功率控制模式。

进一步装置内部故障有可能进一步扩大，导致整个装置闭锁退出运行。此时所接入设备均不会受到影响，装置可启动冗余模块单元直到装置接触故障，交流侧连接的干式变压器稳定交流母线电压，干式变压器下的双向逆变器稳定直流母线电压，进入传统供电模式。

在本实施例中提供一种一体化换流装置的模式自主切换方法，应用于以上实施例的一体化换流装置，如图4所示，方法包括：

步骤S11：实时检测每个整流模块、逆变模块的运行状态。

步骤S12：当至少一个整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至并网模式。

步骤S13：当所有的整流模块均故障时，控制一体化换流装置切换至离网模式。

具体地，在并网模式中，由交流电源为各母线供电，离网模式中由直流储能系统或交流储能系统为各母线供电。

具体地，本实施例一体化换流装置通过判定高压交流母线电压是否正常，控制一体化换流装置在并网模式、离网模式之间进行切换，其中，并网模式包括第一并网模式、第二并网模式，离网模式包括第一离网模式、第二离网模式及第三离网模式。

在一些具体实施方式中，当具有两个整流模块，且当至少一个整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至并网模式的过程，包括：

（1）当备用整流模块在预设时间内均过流时，或者当备用整流模块故障而主整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第一并网模式，将主整流模块作为主电源。

具体地，以图1为例，参考图5，AC1为主整流模块，AC2为备用整流器，当AC1未故障时，控制一体化换流装置切换至第一并网模式，将AC1作为主电源。

（2）当主整流模块在预设时间内均过流时，或者当主整流模块故障而备用整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第二并网模式，将备用整流模块作为主电源。

具体地，以图1为例，参考图5，当AC1故障时、AC2未故障时，控制一体化换流装置切换至第二并网模式，将AC2作为主电源。

具体地，本实施例还提供第三并网模式，即当AC1、AC2均未故障时，控制一体化换流装置切换至第一并网模式，将AC1作为主电源，对AC2进行功率控制。

具体地，以图2为例，第三并网模式（即并网1-1）向第一并网模式（即并网0-I）切换的过程如图6所示。当AC2过流或故障时，控制图2中的断路器（QF02、212）分闸，将母联开关（246）合闸。

具体地，以图2为例，第三并网模式（即并网1-1）向第二并网模式（即并网1-0）切换的过程如图7所示。当AC1过流或者故障时，控制图2中的断路器（211及QF01）分闸、将母联开关（246）合闸，并控制各储能切换至稳压控制，之后闭锁AC2。

在一些具体实施方式中，当所有的整流模块均故障时，控制一体化换流装置切换至离网模式的过程，包括：

（1）当所有的整流模块均故障，逆变模块及直流储能系统未故障时，控制一体化换流装置切换至第一离网模式，将逆变模块作为交流主电源、直流储能系统作为直流主电源。

具体地，以图1为例，参考图5，当AC1、AC2均故障时，控制一体化换流装置切换至第一离网模式，将直流储能系统作为直流主电源，为直流母线所连接负荷供电，AC3将直流储能系统的直流电转换为交流电为第二交流母线供电。

（2）当所有的整流模块、直流储能系统均故障，逆变模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第二离网模式，将交流储能系统作为主电源、逆变模块作为直流电源。

具体地，以图1为例，参考图5，当AC1、AC2、直流储能系统均故障时，控制一体化换流装置切换至第二离网模式，将交流储能系统作为交流主电源，为第二交流母线所连接负荷供电，AC3将交流储能系统的交流电转换为直流电为直流母线供电。

（31）当所有的整流模块、直流储能系统、逆变模块均故障时，控制一体化换流装置切换至第三离网模式，将交流储能系统作为交流主电源、直流储能系统作为直流主电源。

具体地，以图1为例，参考图5，当AC1、AC2、AC3均故障时，控制一体化换流装置切换至三离网模式，将交流储能系统作为交流主电源，为第二交流母线所连接负荷供电，将直流储能系统作为直流主电源，为直流母线所连接负荷供电。

在一些具体实施方式中，一体化换流装置的模式自主切换方法还包括：一体化换流装置处于第三离网模式后，当逆变模块故障排除后，控制一体化换流装置切换至第一离网模式；一体化换流装置处于至第一离网模式后，当主整流模块故障排除后，控制一体化换流装置切换至第一并网模式。

具体地，以图2为例，由第三并网模式（并网1-1）向离网模式（离网0-0、离网0-1）切换过程分别如图8、9所示，第二并网模式（即并网1-0）向离网模式（离网0-0、离网1-0）切换过程如图10、11所示，第一并网模式（即并网0-1）向离网模式（离网0-0）切换过程如图12所示，离网1-0向并网1-0切换过程如图13所示，离网0-1向到并网0-1切换过程如图14所示。

具体地，如图8所示，对于并网1-1到离网0-0，当AC1、AC2均故障时，断开断路器（211、212、QF01、QF02）。

具体地，如图9所示，对于并网1-1到离网0-1，当AC1过流时，闭锁AC1，断开断路器（211、201、QF01、QF02），控制储能切换至稳压控制。

具体地，如图10所示，对于并网1-0到离网0-0，当AC1故障，闭锁AC1，断开断路器（211、QF01），断开断路器（202、213）。

具体地，如图11所示，对于并网1-0到离网1-0，当AC2故障，闭锁AC2，断开断路器（201），控制各储能稳压运行。

具体地，如图12所示，对于并网0-1到离网0-0，当AC2故障，闭锁AC2，断开断路器（212、QF02），断开断路器（202、213）。

具体地，如图13所示，对于离网1-0到并网1-0，10kV电源点恢复时，控制201合闸，闭锁AC1，控制AC1稳压控制模式、各储能恒功率控制模式。

具体地，如图14所示，对于离网0-1到并网0-1，10kV电源点恢复时，控制201合闸，控制246合闸，闭锁AC1，控制AC2稳压控制模式、各储能恒功率控制模式。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种一体化换流装置，其特征在于，包括：至少两个整流模块、至少一个逆变模块，其中，

整流模块，其交流侧与一段第一高压交流母线连接，其直流侧与一段低压直流母线连接；

逆变模块，其直流侧与一段低压直流母线连接，其交流侧与低压交流母线连接；

每段所述第一高压交流母线与一个交流电源连接；

至少一段所述第一高压交流母线连接交流负载连接；至少一段低压直流母线通过直流电压变换器分别连接直流负载、直流储能系统及可再生能源系统；至少一段低压交流母线上连接交流负载、交流储能系统；至少一段低压直流母线通过逆变器与一段低压交流母线连接；

第一高压交流母线之间、低压交流母线之间均通过母联开关连接；

当具有两个整流模块，且当至少一个整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至并网模式的过程，包括：当备用整流模块在预设时间内均过流时，或者当备用整流模块故障而主整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第一并网模式，将主整流模块作为主电源；当主整流模块在预设时间内均过流时，或者当主整流模块故障而备用整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第二并网模式，将备用整流模块作为主电源；当两个整流模块均未故障时，母联开关处于分闸状态；当任意一个整流模块故障时，母联开关处于合闸状态；

当所有的整流模块均故障，逆变模块及直流储能系统未故障时，控制一体化换流装置切换至第一离网模式，将逆变模块作为交流主电源、直流储能系统作为直流主电源；

当所有的整流模块、直流储能系统均故障，逆变模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第二离网模式，将交流储能系统作为主电源、逆变模块作为直流电源；

当所有的整流模块、直流储能系统、逆变模块均故障时，控制一体化换流装置切换至第三离网模式，将交流储能系统作为交流主电源、直流储能系统作为直流主电源。

2.根据权利要求1所述的一体化换流装置，其特征在于，所述整流模块由多相整流单元构成，每个整流单元包括：串联连接的交交变流器、第一变压器及BUCK电路，其中，

交交变流器，其第一交流侧与一段第一高压直流母线连接，其第二交流侧与所述第一变压器的原边连接；

BUCK电路，其第一直流侧与所述第一变压器的副边连接，其第二直流侧与一段低压直流母线连接。

3.根据权利要求2所述的一体化换流装置，其特征在于，还包括：至少一个第二变压器、至少一个整流器，至少一段第二高压交流母线，其中，

第二变压器，其第一端与一段所述第一高压交流母线连接，其第二端与所述第二高压交流母线连接，或者其第二端通过一个整流器与一段所述第二高压交流母线连接；

第二高压交流母线，其连接光伏。

4.根据权利要求3所述的一体化换流装置，其特征在于，

第一高压交流母线、第二高压交流母线、低压交流母线及低压直流母线均通过一个断路器与其它设备连接。

5.一种一体化换流装置的模式自主切换方法，其特征在于，应用于权利要求4所述的一体化换流装置，所述方法包括：

实时检测每个整流模块、逆变模块的运行状态；

当至少一个整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至并网模式；

当所有的整流模块均故障时，控制一体化换流装置切换至离网模式；

当具有两个整流模块，且当至少一个整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至并网模式的过程，包括：当备用整流模块在预设时间内均过流时，或者当备用整流模块故障而主整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第一并网模式，将主整流模块作为主电源；当主整流模块在预设时间内均过流时，或者当主整流模块故障而备用整流模块未故障时，控制一体化换流装置切换至第二并网模式，将备用整流模块作为主电源；

当两个整流模块均未故障时，母联开关处于分闸状态；

当所有的整流模块均故障时，控制一体化换流装置切换至离网模式的过程，包括：当所有的整流模块均故障，逆变模块及直流储能系统未故障时，控制一体化换流装置切换至第一离网模式，将逆变模块作为交流主电源、直流储能系统作为直流主电源；

一体化换流装置切换至第二离网模式，将交流储能系统作为主电源、逆变模块作为直流电源；当所有的整流模块、直流储能系统、逆变模块均故障时，控制一体化换流装置切换至第三离网模式，将交流储能系统作为交流主电源、直流储能系统作为直流主电源。

6.根据权利要求5所述的一体化换流装置的模式自主切换方法，其特征在于，还包括：

一体化换流装置处于第三离网模式后，当逆变模块故障排除后，控制一体化换流装置切换至第一离网模式；

一体化换流装置处于至第一离网模式后，当主整流模块故障排除后，控制一体化换流装置切换至第一并网模式。