CN204465022U - 一种基于模块化多电平换流器的直流配电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于模块化多电平换流器(MMC)的直流配电系统，包括MMC整流AC/DC模块、MMC逆变DC/AC模块、至少一个直流配电单元、至少一个交流配电单元、至少一个直流配电控制模块、至少一个交流负载、至少一个直流负载、至少一个储能蓄电池组、至少一个电动汽车充电站、至少一个光伏发电装置。MMC桥臂结构中的子模块拓扑含有全桥和半桥两种结构，组成MMC的功率器件为宽禁带半导体材料。本实用新型主要用于向城市电网供电，为相邻电网提供动态无功支撑和有功支援，具有电压支撑的能力。
Description
技术领域
本实用新型属于电力系统直流配电技术领域，具体涉及一种基于模块化多电平换流器(MMC)的直流配电系统。
背景技术
随着现代化城市规模的快速发展，城市中心负荷需求增长加快，空中输电走廊已没有太大的拓展余地，给城市输配电网的增容改造带来极大的困难，使得城市电网安全稳定运行的压力越来越大。
“城中村”是城市规模快速扩大的产物。在国内部分城市，一些“城中村”用电负荷日益增加，当前的“城中村”交流配电网系统已远远无法满足新增负荷的需要。已有的10kV配电网面临负荷密度高、线路密集、走廊紧张的问题，并且变电站出线已没有冗余；而“城中村”地处城市中心，用地紧张，可谓“寸土寸金”，受环境、经济因素等影响，使得变电站扩建困难重重。近年来，“城中村”电网的薄弱已经制约了城市整体健康、平衡发展，影响了市民生活质量，成为各级政府、居民和供电企业共同关注的焦点。
“城中村”用电矛盾突出表现在：(1)“城中村”电网薄弱、安全隐患大，难以满足用电需求；(2)电压质量低、供电可靠性低等问题日益突出；(3)用电需求难以满足，“城中村”用电需求的快速增长与薄弱的电力设施形成矛盾。例如，广东珠三角地区由于负荷密度比较高，面对新增负荷 (“城中村”地区电力需求增加)，当前的10kV配电网系统已无力供应所需求的电力；某些精密制造业对供电质量有着特殊的要求，而普通交流电网会对故障、干扰进行传播，影响了这些精密制造业的正常生产；此外，现有配电网系统中的交流电缆运行损耗较大，使得运行电流和输送容量受限等等，迫切需要一种新的配电网系统以应对日益增加的城市负荷需求和环境压力。
目前，较为理想的城市供电方式为电缆输电，而直流电缆比交流电缆所需的空间少，且可传输更多的功率。基于电压源换流器(voltage source converter，VSC)和脉宽调制技术的电压源换流器型高压直流输电(voltage source converter HVDC，VSC-HVDC)技术是当今世界电力电子技术应用领域的制高点，能有效提高电能质量并确保电网安全稳定运行，是智能电网发展中具有代表性的关键技术之一。自1997年世界上第一个VSC-HVDC试验工程成功投运以来，凭借其独特的技术优势，VSC-HVDC在电网互联、新能源并网和城市电网供电等方面具有广阔的前景，获得了广泛的关注。
目前，国内外已有数十项VSC-HVDC实际工程。VSC-HVDC的换流站由全控型器件构成，工程中常用的主要为2电平或3电平拓扑，此类拓扑存在均压难、电磁干扰、开关损耗大等问题，对此，基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的VSC-HVDC系统(MMC-HVDC)提供了一种新的解决方案。MMC-HVDC系统弥补了VSC-HVDC诸多技术上的不足，正吸引着国内外科研和工程人员越来越多的关注。因此，采用MMC-HVDC是城市配电网增容的重要可行方案。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于MMC的直流配电系统，主要用于向城市电网供电，以缓解城市中心负荷需求增长加快、已有输电走廊紧张的压力，该系统可为相邻电网提供动态无功支撑和有功支援，具有电压支撑的能力，从而提高了相邻电网的稳定性与可靠性，有助于城市输配电网的增容改造。
本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种基于MMC的直流配电系统，所述直流配电系统包括MMC整流AC/DC模块、MMC逆变DC/AC模块、至少一个直流配电单元、至少一个交流配电单元、至少一个直流配电控制模块、至少一个交流负载、至少一个直流负载、至少一个储能蓄电池组、至少一个电动汽车充电站、至少一个光伏发电装置，其中：
MMC整流AC/DC模块：与交流配电单元、MMC逆变DC/AC模块、直流配电控制模块连接，用于将交流电能转换为直流电能；
MMC逆变DC/AC模块：与MMC整流AC/DC模块、交流负载连接，将直流电能转换为交流电能，同时为交流负载提供电能；
直流配电单元：与MMC整流AC/DC模块、直流配电控制模块、交流负载、直流负载、储能蓄电池组、电动汽车充电站、光伏发电装置连接，向配电网内的负荷供应电能，同时分别与储能蓄电池组、光伏发电装置进行能量交换；
交流配电单元：与城市电网、MMC整流AC/DC模块连接；
直流配电控制模块：与MMC整流AC/DC模块、MMC逆变DC/AC模块和直流配电单元连接，对直流配电网内电能的生产、配送、存储和负荷的投切进行协调控制；
交流负载：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经MMC逆变DC/AC模块从直流母线吸收电能；
直流负载：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经DC/DC配电装置从直流母线吸收电能；
储能蓄电池组：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经DC/DC配电装置与直流母线进行能量交换；
电动汽车充电站：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经DC/DC配电装置从直流母线吸收电能；
光伏发电装置：通过直流配电线路与直流配电单元相连接，经DC/DC配电装置向直流母线馈送能量。
所述MMC桥臂结构中的子模块拓扑有2种类型，一种为全桥结构，另一种为半桥结构；其中，MMC每相桥臂全桥结构的子模块有2个，分别位于上桥臂的顶端、下桥臂的底端。
所述子模块的半桥结构含有一组并联连接的旁路开关和晶闸管。
所述MMC的功率器件采用宽禁带半导体材料制成。
本实用新型系统的输电线可采用紧凑型直流输电电缆，可利用已有的交流架空线、或已有的地下电缆管道进行铺设，节省了空间，同时也降低了对环境的影响；可独立调节有功和无功，可为相邻电网提供动态无功支 撑和有功支援，具有电压支撑的能力，从而提高了相邻电网的稳定性与可靠性，有助于城市输配电网的增容改造。
附图说明
图1为本实用新型的一种基于MMC的多端直流配电系统结构示意图。
图2为本实用新型的MMC拓扑示意图。
图3为本实用新型的子模块全桥结构拓扑示意图。
图4为本实用新型的子模块半桥结构拓扑示意图。
图5为本实用新型的一种基于MMC的多端直流配电系统实施方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。
图1为本实用新型的一种基于MMC的多端直流配电系统结构示意图。所述直流配电系统包括MMC整流AC/DC模块、MMC逆变DC/AC模块、至少一个直流配电单元、至少一个交流配电单元、至少一个直流配电控制模块、至少一个交流负载、至少一个直流负载、至少一个储能蓄电池组、至少一个电动汽车充电站、至少一个光伏发电装置，其中：
MMC整流AC/DC模块：与交流配电单元、MMC逆变DC/AC模块、直流配电控制模块连接，用于将交流电能转换为直流电能；
MMC逆变DC/AC模块：与MMC整流AC/DC模块、交流负载连接，将直流电能转换为交流电能，同时为交流负载提供电能；
直流配电单元：与MMC整流AC/DC模块、直流配电控制模块、交流负载、直流负载、储能蓄电池组、电动汽车充电站、光伏发电装置连接，向配电网内的负荷供应电能，同时分别与储能蓄电池组、光伏发电装置进行能量交换；
交流配电单元：与城市电网、MMC整流AC/DC模块连接；
直流配电控制模块：与MMC整流AC/DC模块、MMC逆变DC/AC模块和直流配电单元连接，对直流配电网内电能的生产、配送、存储和负荷的投切进行协调控制；
交流负载：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经MMC逆变DC/AC模块从直流母线吸收电能；
直流负载：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经DC/DC配电装置从直流母线吸收电能；
储能蓄电池组：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经DC/DC配电装置与直流母线进行能量交换；
电动汽车充电站：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经DC/DC配电装置从直流母线吸收电能；
光伏发电装置：通过直流配电线路与直流配电单元相连接，经DC/DC配电装置向直流母线馈送能量。
所述MMC桥臂结构中的子模块拓扑有2种类型，一种为全桥结构，另一种为半桥结构；其中，MMC每相桥臂全桥结构的子模块有2个，分别位于上桥臂的顶端、下桥臂的底端。
所述子模块的半桥结构含有一组并联连接的旁路开关和晶闸管。
所述MMC的功率器件采用宽禁带半导体材料制成。
图2为本实用新型的MMC拓扑示意图。如图2所示，MMC换流器由A、B、C三相组成，每一相分为上、下两个桥臂，每个桥臂由n+1个的子模块(Sub-Modular，SM)和一个电抗L串联组成，Uc为相电压。其中，SM1，…，SMn为n个完全相同的半桥结构SM，其拓扑如图3所示。SMU、SML为全桥结构SM，其拓扑如图4所示。
图3中，SM由两个IGBT(对应图3中T1、T2)、一个直流储存电容C、一个旁路开关K和一个晶闸管T3组成，D1、D2为反并联二极管，Uc为SM电容电压，USM为稳态运行时SM的输出电压。当模块发生故障时闭合，通过K旁路掉故障模块，T3用以保护二极管D2。图4中T为IGBT，D为二极管。
图5所示为本实用新型基于MMC的多端直流配电系统实施方案示意图，图中DC-Q表示直流断路器、低压高速开关等直流开关器件，FQ表示交流断，FU表示熔断器，QS表示隔离开关，T表示变压器，DC/DC表示电力电子变压器等配电装置，MMC整流AC/DC表示MMC整流器，MMC逆变DC/AC表示MMC逆变器，F1、F2表示系统故障。
如图5所示，在已有的交流10kV配电网系统中，馈入新的MMC多端直流配电线路，其采用背靠背直流运行方式，供电电压为±15kV，供电能力在15MW以上。在供电能力上，一条±15kV的MMC-HVDC直流配电线路相当于已有的3条10kV交流线路。直流配电单元经由2个及以上的交 流变电站获取电能，通过MMC整流AC/DC模块，将交流电能转换为直流电能进行配送，常规的交流负荷经直流到交流的MMC逆变DC/AC模块供电，直流负载、储能蓄电池组、电动汽车充电站、光伏发电装置等负荷经由DC/DC配电装置连接，构成MMC-HVDC多端直流配电系统。
图5所示由MMC组成的多端直流配电系统中，当交流系统F1、F2处发生故障时，负荷侧的供电并不受影响；并且交流系统的故障、电压干扰等，不会传播到负荷侧的逆变电源处，从而使得该直流配电网系统的供电质量得到保障。此外，图5系统的多端网络结构在交流系统F1、F2处发生故障时，可以保障各个地方的负荷正常持续供电，同时MMC整流AC/DC 2侧可用来进行电网的快速恢复运行，实现故障后的黑启动。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于MMC的直流配电系统，其特征在于：所述直流配电系统包括MMC整流AC/DC模块、MMC逆变DC/AC模块、至少一个直流配电单元、至少一个交流配电单元、至少一个直流配电控制模块、至少一个交流负载、至少一个直流负载、至少一个储能蓄电池组、至少一个电动汽车充电站、至少一个光伏发电装置，其中：
MMC整流AC/DC模块：与交流配电单元、MMC逆变DC/AC模块、直流配电控制模块连接，用于将交流电能转换为直流电能；
MMC逆变DC/AC模块：与MMC整流AC/DC模块、交流负载连接，将直流电能转换为交流电能，同时为交流负载提供电能；
直流配电单元：与MMC整流AC/DC模块、直流配电控制模块、交流负载、直流负载、储能蓄电池组、电动汽车充电站、光伏发电装置连接，向配电网内的负荷供应电能，同时分别与储能蓄电池组、光伏发电装置进行能量交换；
交流配电单元：与城市电网、MMC整流AC/DC模块连接；
直流配电控制模块：与MMC整流AC/DC模块、MMC逆变DC/AC模块和直流配电单元连接，对直流配电网内电能的生产、配送、存储和负荷的投切进行协调控制；
交流负载：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经MMC逆变DC/AC模块从直流母线吸收电能；
直流负载：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经DC/DC配电装置从直流母线吸收电能；
储能蓄电池组：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经DC/DC配电装置与直流母线进行能量交换；
电动汽车充电站：通过直流配电线路与直流配电单元连接，经DC/DC配电装置从直流母线吸收电能；
光伏发电装置：通过直流配电线路与直流配电单元相连接，经DC/DC配电装置向直流母线馈送能量。
2.根据权利要求1所述的一种基于MMC的直流配电系统，其特征在于：所述MMC桥臂结构中的子模块拓扑有2种类型，一种为全桥结构，另一种为半桥结构；其中，MMC每相桥臂全桥结构的子模块有2个，分别位于上桥臂的顶端、下桥臂的底端。
3.根据权利要求2所述的一种基于MMC的直流配电系统，其特征在于：所述子模块的半桥结构含有一组并联连接的旁路开关和晶闸管。
4.根据权利要求1所述的一种基于MMC的直流配电系统，其特征在于：所述MMC的功率器件采用宽禁带半导体材料制成。
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|---|---|---|---|---|
| CN106385021A (zh) * | 2016-10-22 | 2017-02-08 | 西安科技大学 | 一种大型煤矿直流供电方案 |
| CN107481767A (zh) * | 2017-09-11 | 2017-12-15 | 河南理工大学 | 驱动组件及柔性精密定位平台 |
| CN108092325A (zh) * | 2017-12-26 | 2018-05-29 | 湖南红太阳新能源科技有限公司 | 用于将三相四线交流配电网改为直流配电网的方法 |
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