CN207910472U - 一种柔性多状态开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种柔性多状态开关和电网系统，该柔性多状态开关包括：至少两个开关部，各开关部包括：切换开关、高压交流系统、高压直流系统及低压直流系统；切换开关包括：控制端、第一切换端及第二切换端，第一切换端、第二切换端分别与高压交流母线连接，控制端与高压交流系统连接；通过控制端控制与第一切换端导通，或与第二切换端导通；高压交流系统与高压直流系统之间、高压直流系统及低压直流系统之间、高压交流系统与低压直流系统之间分别相连；各开关部的高压直流系统之间相连。本实用新型实现了对配电网运行的灵活控制，也满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求。

Description

一种柔性多状态开关

技术领域

本实用新型涉及配电技术领域，具体涉及一种柔性多状态开关。

背景技术

配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用户，承担着分配电能、服务客户的重任。

当前，配电网建设相对滞后、调控手段有限，制约了配电网运行控制的灵活性，造成了馈线负荷不均衡、供电恢复时间长等问题；另一方面，配电网内非线性、冲击性负荷比重的增加，以及新能源渗透率的不断提高，对配电网电能质量和供电可靠性的保障手段提出了更高要求。现有配电网正面临用电需求定制化和多样化、分布式电源接入规模化、潮流协调控制复杂化等多方面的巨大挑战。

现有配电网采用常规开关，仅具备通和断两种状态，无法实现功率连续可控以及对配电网运行的灵活控制，也无法满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型提出了一种柔性多状态开关，用以解决现有配电网采用常规开关仅具备通和断两种状态，无法实现对配电网运行的灵活控制，也无法满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种柔性多状态开关，包括：至少两个开关部，各所述开关部包括：切换开关、高压交流系统、高压直流系统及低压直流系统；所述切换开关包括：控制端、第一切换端及第二切换端，其中，所述切换开关的所述第一切换端、第二切换端分别与高压交流母线连接，所述切换开关的所述控制端与所述高压交流系统连接；通过所述控制端控制与所述第一切换端导通，或与所述第二切换端导通；所述高压交流系统与高压直流系统之间、所述高压直流系统及低压直流系统之间、所述高压交流系统与低压直流系统之间分别相连；各所述开关部的高压直流系统之间相连。

在一实施例中，所述切换开关包括第一开关和反向并联的晶闸管开关，所述控制端、第一切换端及第二切换端构成所述第一开关，所述第一开关和所述反向并联的晶闸管开关并联。

在一实施例中，所述高压交流系统与高压直流系统之间、高压直流系统与低压直流系统之间、高压交流系统与低压直流系统之间均设置有换流器阀，用于当电网发生故障时，通过闭锁换流器阀切断故障电流。

在一实施例中，所述高压直流系统设置有电压变换模块，用于将高压直流电变换为低压直流电，并发送至低压直流系统。

在一实施例中，所述高压交流系统设置有整流模块和功率变换模块，用于将高压交流电变换为高压直流电，并发送至高压直流系统。

在一实施例中，所述高压交流系统还设置有电压变换模块，所述电压变换模块用于将高压直流电变换为低压直流电，并发送至低压直流系统。

在一实施例中，各所述开关部的低压直流系统之间相连。

在一实施例中，所述柔性多状态开关还包括：低压交流系统，所述低压交流系统与交流负荷及所述低压直流系统分别相连，用于为交流负荷供电。

在一实施例中，所述低压直流系统设置有整流模块，用于将低压直流电变换为低压交流电，并发送至所述低压交流系统。

本实用新型还提供一种电网系统，包括：新能源系统、储能系统及本实用新型提供的柔性多状态开关；各所述低压直流系统分别与所述储能系统、新能源系统相连；所述储能系统用于储存所述低压直流系统发送的电能，当所述开关部发生故障时，为所述低压直流系统供电；所述新能源系统用于将新能源转化为电能，当开关部发生故障时，为所述低压直流系统供电。

在一实施例中，所述电网系统还包括：直流负荷，所述低压直流系统与直流负荷相连，用于为直流负荷供电。

本实用新型技术方案，与现有技术相比，至少具有如下优点：

本实用新型提供一种柔性多状态开关，包括：至少两个开关部，各开关部包括：切换开关、高压交流系统、高压直流系统及低压交流系统；通过设置切换开关，实现了不同高压交流线路的快速切换；通过将各开关部的高压交流系统、高压直流系统和低压直流系统两两互联，实现了对配电的灵活控制；通过将各开关部的高压直流系统之间相连，将各个开关部建立了联系，实现了不同高压交流线路的潮流均衡。本实用新型实施例提供的柔性多状态开关实现了配电网功率连续可控以及对配电网运行的灵活控制，满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例中柔性多状态开关的一个具体示例的示意图；

图2为本实用新型实施例中柔性多状态开关的另一个具体示例的示意图；

图3为本实用新型实施例中切换开关的一个具体示例的结构示意图；

图4A为本实用新型实施例中柔性多状态开关在电网系统中应用的一个具体示例的示意图；

图4B为本实用新型实施例中柔性多状态开关在电网系统中应用的另一个具体示例的示意图；

图4C为本实用新型实施例中柔性多状态开关在电网系统中应用的另一个具体示例的示意图；

图4D为本实用新型实施例中柔性多状态开关在电网系统中应用的另一个具体示例的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定相连，也可以是可拆卸相连接，或一体地相连；可以是机械相连，也可以是电相连；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，可以是无线相连，也可以是有线相连。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实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型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。

本实用新型实施例提供一种柔性多状态开关，如图1所示，该柔性多状态开关包括：至少两个开关部1，各开关部1包括：切换开关11、高压交流系统12、高压直流系统13及低压直流系统14。该切换开关11包括：控制端110、第一切换端111及第二切换端112，其中，切换开关11的第一切换端111、第二切换端112分别与高压交流母线6连接，切换开关11的控制端110与高压交流系统12连接，通过控制端110控制与第一切换端111导通，使得高压交流系统12与第一高压交流母线连接；或者，通过控制端110控制与第二切换端112导通，使得高压交流系统12与第二高压交流母线连接；高压交流系统12与高压直流系统13之间、高压直流系统13及低压直流系统14之间、高压交流系统12与低压直流系统14之间分别相连；各开关部1的高压直流系统13之间相连。

本实用新型实施例通过设置切换开关11，实现了不同高压交流线路的快速切换；通过将各开关部1的高压交流系统12、高压直流系统13和低压直流系统14两两互联，构成了多条能量通路，形成了多种能量流动方向和路径，实现了对配电的灵活控制；通过将各开关部1的高压直流系统13之间相连，将各个开关部1建立了联系，实现了不同高压交流线路的潮流均衡。本实用新型实施例提供的柔性多状态开关解决了现有配电网采用常规开关仅具备通和断两种状态，无法实现对配电网运行的灵活控制，也无法满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求的问题。

如图3所示，在一较佳实施例中，上述切换开关11可为固态切换开关，包括第一开关PS和反向并联的晶闸管开关TS，上述控制端110、第一切换端111及第二切换端112构成第一开关PS，该第一开关PS和反向并联的晶闸管开关TS并联。当上述固态切换开关接收到触发命令，先触发导通反向并联的晶闸管开关TS中的晶闸管，再闭合第一开关PS，由于这时晶闸管还在导通，两端电压压降接近于零，因此，第一开关PS闭合不会产生电弧；电网正常运行时，第一开关PS为闭合状态，电流被第一开关PS旁路掉，反向并联的晶闸管开关TS的支路没有电流流过；当第一开关PS断开时，同时触发导通反向并联的晶闸管开关TS中的晶闸管，此时，电流立即转移到反向并联的晶闸管开关TS的支路，因此，在第一开关PS打开时，几乎不会有电弧；之后撤销触发命令，在随后的第一个电流过零点，反向并联的晶闸管开关TS自然关断。

上述高压交流系统12、高压直流系统13及低压直流系统14分别设置有高压交流接口、高压直流接口和低压直流接口。高压交流系统12设置有整流模块和功率变换模块，用于将高压交流电变换为高压直流电，并发送至高压直流系统；上述高压直流系统13设置有电压变换模块，用于将高压直流电变换为低压直流电，并发送至低压直流系统；上述高压交流系统12还设置有电压变换模块，该电压变换模块将整流模块变换出的高压直流电变换为低压直流电，并发送至低压直流系统。并且，高压交流系统12与高压直流系统13之间、高压直流系统13与低压直流系统14之间、高压交流系统12与低压直流系统14之间均设置有换流器阀，当电网发生故障时，通过快速闭锁换流器阀切断故障电流，实现故障的隔离，提高了重要负荷供电可靠性。

如图2所示，各上述开关部1的低压直流系统14之间通过低压直流母线相连，进一步将各个开关部1建立联系，实现了不同开关部1之间的潮流均衡。

如图2所示，本实用新型实施例提供的柔性多状态开关还包括：低压交流系统15，低压交流系统15与交流负荷2及上述低压直流系统14分别相连，低压直流系统14设置有整流模块，用于将低压直流电变换为低压交流电，并发送至低压交流系统，从而为交流负荷供电，低压直流系统14与低压交流系统15之间的柔性互联，提高了电力资源的区域优化配置。

本实用新型实施例还提供一种电网系统，如图2所示，该电网系统包括：新能源系统4、储能系统5及本实用新型实施例提供的柔性多状态开关；各低压直流系统14分别与新能源系统4、储能系统5相连；储能系统5用于储存低压直流系统14发送的电能，当开关部1发生故障时，为低压直流系统14供电；新能源系统4用于将新能源转化为电能，当开关部1发生故障时，为低压直流系统14供电。

当柔性多状态开关中的开关部1发生故障，上述新能源系统4和储能系统5可通过低压直流母线以及低压直流系统14为开关部1和与开关部1相连的负荷供电；同时，储能系统5还能够实现削峰填谷，从而实现电网的经济运行。

作为一种可选的实施方式，上述电网系统还可以包括：直流负荷3，低压直流系统14与直流负荷3相连，用于为直流负荷供电。

作为一种可选的实施方式，上述电网系统工作时，由变电站所出的10kV交流线路通过切换开关接入高压交流系统12，通过整流模块和功率变换模块变换到高压直流系统13，高压直流系统13中的高压直流电一方面汇集到10kV直流母线，另一方面通过电压变换模块变换到低压直流系统14；低压直流系统14中的低压直流电一方面可以通过750V低压直流母线流入储能系统5进行储能，另一方面可接入直流负荷3，为直流负荷3供电，还有一方面可通过整流模块将低压直流电变换到低压交流系统15，然后通过低压交流侧引出的0.4kV低压交流母线接入交流负荷2。

上述电网系统中的柔性多状态开关采用电力电子新技术，与常规开关相比，不仅具备通和断两种状态，而且增加了功率连续可控状态，例如，当用于供电的第一交流母线发生故障，可变为选用第二交流母线继续进行供电，将配网供电能力进出线线路由以断路器方式直接连接的刚性连接模式转变为通过潮流控制装置进行连接的柔性连接模式，任意两系统间可实现功率双向流动，使得配电网区域间不同电压等级、交直流间各方向潮流灵活可控，可避免常规开关倒闸操作引起的供电中断、合环冲击等问题，还能缓解电压骤降、三相不平衡现象，促进馈线负载分配的均衡化和电能质量改善，为未来智能配电网的实施提供关键技术与设备支撑。

本实用新型实施例提出的电网系统涵盖高低压交直流多电压层级，实现分布式电源、多元负荷的柔性接入，柔性多状态开关具备高/低压交/直流多种电气接口，可实现交直流源、交直流负荷的直接接入，及多变电站间交直流互联，从而实现交直流混合方式，提高供用电系统的效率；同时，由于新能源系统4和储能系统5的存在，当电网出现故障，可换由新能源系统4和储能系统5进行供电，从而实现电网与负荷间电能质量的有效隔离，并满足交直流多电压等级负荷的分级供电需求；由于受自然条件制约，新能源具有波动性和间歇性，即在不同时间可获取到的新能源能量不同，有时甚至获取不到能量，而利用本实用新型实施例中电网系统的灵活性与适应性，可缓解新能源的波动性和间歇性，实现新能源由“接入电网”到“融入电网”。

下面分四种工况对上述柔性多状态开关在电网系统中的应用进行说明，为了便于说明，此处假设柔性多状态开关包括两个开关部1，实际应用中柔性多状态开关包括两个或多个开关部1，本实用新型不以此为限。

1.如图4A所示，上级电网和配网均正常运行且左侧10kV母线轻载，右侧10kV母线重载或故障时，两个切换开关11的状态皆为-1，配网中实际能量流动如图4A所示，此时柔性多状态开关两输入端口1、2均与左侧10kV母线连接，流出的两路能量分别为交流负荷2和直流负荷3供电，且低压直流系统14为储能系统5储能。

2.如图4B所示，上级电网和配网均正常运行且两侧10kV母线带负载情况相似时，左侧固态切换开关状态为-1，右侧开关状态为1，配网中实际能量流动如图4B所示，此时柔性多状态开关两输入端口1、2分别接于10kV母线，左侧母线流出的能量用于交流负荷2和直流负荷3的供电，右侧母线流出的能量用于交流负荷2的供电，且低压直流系统14为储能系统储能。

3.如图4C所示，上级电网和配网非正常运行，左侧固态切换开关状态为0，右侧为-1，配网中实际能量流动如图4C所示，此时柔性多状态开关端口1悬空，端口2接于左侧10kV母线，左侧10kV母线流出的能量直接流入柔性多状态开关端口2，通过柔性多状态开关内部两高压直流系统13间的直接互联，可同时为交流负荷2和直流负荷3供电，并通过低压直流系统14进行为储能系统储能。

4.如图4D所示，上级电网和配网非正常运行，左右侧固态切换开关状态皆为0，配网中实际能量流动如图4D所示，此时柔性多状态开关两端口皆悬空无能量流入，此时交流负荷2和直流负荷3由新能源系统4和储能系统5进行供电。

上述四种工况仅为对柔性多状态开关在电网系统中的应用的举例说明，本实用新型不以此为限。其他工况下柔性多状态开关在电网系统中的应用与上述四种工况下类似，在此不再赘述。

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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种柔性多状态开关，其特征在于，包括：至少两个开关部，各所述开关部包括：切换开关、高压交流系统、高压直流系统及低压直流系统；

所述切换开关包括：控制端、第一切换端及第二切换端，其中，

所述切换开关的所述第一切换端、第二切换端分别与高压交流母线连接，所述切换开关的所述控制端与所述高压交流系统连接；通过所述控制端控制与所述第一切换端导通，或与所述第二切换端导通；

所述高压交流系统与高压直流系统之间、所述高压直流系统及低压直流系统之间、所述高压交流系统与低压直流系统之间分别相连；

各所述开关部的高压直流系统之间相连。

2.根据权利要求1所述的柔性多状态开关，其特征在于，所述切换开关包括第一开关和反向并联的晶闸管开关，所述控制端、第一切换端及第二切换端构成所述第一开关，所述第一开关和所述反向并联的晶闸管开关并联。

3.根据权利要求1或2所述的柔性多状态开关，其特征在于，所述高压交流系统与高压直流系统之间、高压直流系统与低压直流系统之间、高压交流系统与低压直流系统之间均设置有换流器阀，用于当电网发生故障时，通过闭锁换流器阀切断故障电流。

4.根据权利要求1所述的柔性多状态开关，其特征在于，所述高压直流系统设置有电压变换模块，用于将高压直流电变换为低压直流电，并发送至低压直流系统。

5.根据权利要求1所述的柔性多状态开关，其特征在于，所述高压交流系统设置有整流模块和功率变换模块，用于将高压交流电变换为高压直流电，并发送至高压直流系统。

6.根据权利要求5所述的柔性多状态开关，其特征在于，所述高压交流系统还设置有电压变换模块，所述电压变换模块用于将高压直流电变换为低压直流电，并发送至低压直流系统。

7.根据权利要求1所述的柔性多状态开关，其特征在于，各所述开关部的低压直流系统之间相连。

8.根据权利要求1所述的柔性多状态开关，其特征在于，还包括：低压交流系统，所述低压交流系统与交流负荷及所述低压直流系统分别相连，用于为交流负荷供电。

9.根据权利要求8所述的柔性多状态开关，其特征在于，所述低压直流系统设置有整流模块，用于将低压直流电变换为低压交流电，并发送至所述低压交流系统。

10.一种电网系统，其特征在于，包括：新能源系统、储能系统及如权利要求1-9中任一项所述的柔性多状态开关；

各所述低压直流系统分别与所述储能系统、新能源系统相连；

所述储能系统用于储存所述低压直流系统发送的电能，当所述开关部发生故障时，为所述低压直流系统供电；

所述新能源系统用于将新能源转化为电能，当开关部发生故障时，为所述低压直流系统供电。

11.根据权利要求10所述的电网系统，其特征在于，还包括：直流负荷，所述低压直流系统与直流负荷相连，用于为直流负荷供电。