一種混合型電力電子變電站的製作方法

2024-03-05 21:44:15 2

本發明涉及配電網中變電站的規劃設計領域，特別是關於一種混合型電力電子變電站。

背景技術：

隨著用戶側信息設備(如數據中心、計算機與微處理器、通信系統設備、智能終端、傳感器與傳感網絡)、電動汽車的動力電池、半導體照明等直流用電設備的增多、交流敏感負荷(主要指個人計算機、可編程邏輯器件、可調速驅動裝置、交流接觸器、高壓氣體放電燈、以及用於切割、鑽孔與金屬處理等的精加工自動裝置或複雜機械來等用電設備)對電能質量要求的提高、以及各種分布式可再生能源發電(生物質能、風能、水能、太陽能等)和儲能等設備的廣泛應用，配電網也由之前單純地由上層輸電網的交流電輸入，到用戶側的交流電輸出的電力供應模式，轉變為需要接入分布式發電、電動汽車、儲能等設備，以及為交流敏感用戶提供定製電力的複雜電力調配模式，形成了交、直混合配電網。然而，由於傳統交流配電網不能為新型電力用戶提供直流輸入輸出接口和高質量的電力，因此新型電力用戶不得不在與配電網連接處安裝換流或濾波設備。而這些以滿足用戶用電個性化需求且分散運行的換流或濾波設備，存在著總體效率低以及配電網對其進行調控困難的問題。

配電網中的變電站，作為連接上級電網與電力用戶的橋梁，當站內採用新型的變壓(含變流的功能)設備以及採用多樣化的接線方式時，可以為電力用戶提供交流電和直流電，最為重要的是可以接受配電網調控中心的控制。這將大大提高配電網層面上的整體運行水平以及安全穩定性，同時滿足電力用戶層面定製電力和接入方便友好的需求。為此，電力電子變電站由之前的概念設計，正在逐步向示範工程的方向推進。而電力電子變電站中的核心設備——電力電子變壓器，採用的是ac/dc/ac/dc/ac五級變換拓撲，其造價極為昂貴。這對於商業化運營的電力公司來說，是不得不認真考慮的問題。

需要指出的是，廣大的電力用戶，對電力供應或接入要求，事實上存在著很大的差異性。主要表現在新型電力用戶希望配電網提供優質電力，或者是方便的直流接口，但還有絕大部分傳統電力用戶仍然使用傳統的交流電。在這種情況下，如果配電網在變電站中普遍採用費用昂貴的電力電子變壓器，儘管能夠為部分新型電力用戶提供高質量的電能或方便的直流輸入輸出接口。但由於居高的設備成本，將會影響到電價水平，可能導致用電費用的普遍增加。這對於無特殊用電需要的傳統電力用戶來說，是極為不合理的。而對於電力公司來說，電力電子變電站建設的經濟性也值得質疑。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種混合型電力電子變電站，它能為多樣化電力需求用戶提供不同的接口以及高質量的電能，且保證配電網中變電站的投資建設符合商業化運營的理念。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：一種混合型電力電子變電站，其特徵在於：其包括一次系統；所述一次系統包括一混合型電力電子變壓器以及由若干斷路器和隔離開關構成的變電站開關裝置；所述混合型電力電子變壓器的高壓側通過高壓交流母線與上層電網的進線相連，低壓側通過低壓母線與各類交、直流負載出線以及直流輸入輸出接口相連；所述低壓母線包括傳統低壓交流母線、定製低壓交流母線和低壓直流母線，且所述傳統低壓交流母線的輸入側與所述混合型電力電子變壓器的傳統低壓交流出口相連，輸出側與各並聯的傳統低壓交流負載出線相連；所述定製低壓交流母線的輸入側與所述混合型電力電子變壓器的定製低壓交流出口相連，輸出側與各並聯的定製低壓交流負載出線相連；所述低壓直流母線的輸入側與所述混合型電力電子變壓器的低壓直流出口相連，輸出側與各並聯的低壓直流負載出線以及各直流輸入輸出接口相連。

所述混合型電力電子變壓器包括一傳統變壓器和一變流器；且所述傳統變壓器和變流器之間採用同一個副邊繞組形式或各自採用獨立的副邊繞組形式。

所述採用同一個副邊繞組形式是指：所述傳統變壓器與所述換流器採用同一個副邊繞組；即所述傳統變壓器的原邊與交流電源相連形成一次側交變電流，所述一次側交變電流在所述傳統變壓器的副邊上形成二次側輸出交流電壓vout1，作為所述混合型電力電子變壓器的傳統低壓交流出口；所述換流器中ac/dc變換器所使用的交流電源直接從所述傳統變壓器的副邊處獲取，由所述ac/dc變換器將所述二次側輸出交流電壓vout1轉換為低壓直流電vout2，作為所述混合型電力電子變壓器的低壓直流出口；所述換流器中dc/ac變換器將由所述ac/dc變換器的輸出端獲取的低壓直流電vout2轉換為定製低壓交流電vout3，作為所述混合型電力電子變壓器的定製低壓交流出口。

所述採用獨立的副邊繞組形式是指：所述傳統變壓器與所述換流器分別採用不同的副邊繞組；所述傳統變壓器的原邊與交流電源相連形成一次側交變電流，所述一次側交變電流在所述傳統變壓器的副邊上形成二次側輸出交流電壓vout1，作為所述混合型電力電子變壓器的傳統低壓交流出口；所述一次側交變電流在所述換流器的副邊繞組上形成二次側輸出交流電壓v′out1，所述換流器中ac/dc變換器將二次側輸出交流電壓v′out1轉換為低壓直流電vout2，作為所述混合型電力電子變壓器的低壓直流出口；所述換流器中dc/ac變換器所使用的直流電從所述ac/dc變換器的輸出端獲取，將低壓直流電vout2轉換為低壓敏感交流電vout3，作為所述混合型電力電子變壓器的定製低壓交流出口。

所述變電站還包括一變電站自動化系統，所述變電站自動化系統用於對全站所有設備進行控制。

所述變電站開關裝置包括若干斷路器以及設置在各所述斷路器兩端的若干隔離開關，各所述斷路器和隔離開關均通過信號線與所述變電站自動化系統相連，由所述變電站自動化系統控制。

所述斷路器包括兩高壓交流斷路器、若干低壓交流斷路器以及若干低壓直流斷路器，其中，兩所述高壓交流斷路器分別設置在所述高壓交流母線與上層電網進線的連接處以及與所述混合電力電子變壓器的輸入側連接處；各所述低壓交流斷路器分別設置在所述傳統低壓交流母線與所述混合型電力電子變壓器的傳統低壓交流出口連接處和各所述傳統低壓交流負載出線連接處，以及所述定製低壓交流母線與所述混合型電力電子變壓器的定製低壓交流出口連接處和各所述定製低壓交流負載出線連接處；各所述低壓直流斷路器分別設置在所述低壓直流母線與所述混合型電力電子變壓器的低壓直流出口連接處和各所述低壓直流負載出線和各直流輸入輸出接口連接處。

所述傳統低壓交流母線上還連接有就地測量與控制設備，就地測量與控制設備包括相互串聯的用於限制故障電流並保證傳統低壓交流母線上電壓水平的電感式限流電抗器和無功補償器。

所述低壓直流母線輸出側連接的低壓直流輸入輸出接口包括風力發電和光伏發電進線接口以及電動汽車、儲能裝置或其他具有發電和用電雙向特性的相應設備進/出線接口。

所述定製低壓交流母線輸出側連接的各定製低壓交流負載出線的另一端分別與各交流敏感用戶提供定製電力。

本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：1)本發明由於採用傳統變壓器和變流器構成混合型電力電子變壓器，傳統變壓器用於將上層高壓交流電轉換為傳統低壓交流電，變流器用於將傳統低壓交流電轉換為低壓直流或定製低壓交流電，能夠同時滿足多樣化電力用戶的用電需求。2)本發明由於混合型電力電子變電站可直接為各類型電力用戶提供所需的傳統低壓交流電、定製低壓交流電或直流電，且為各類型電力用戶供電時無需採用其他換流或濾波設備，變電站內所有設備均可以由變電站自動化系統統一進行控制，大大增加了電力電子變電站運行的靈活性與可控性，解決了現有技術中由於換流或濾波設備的接入導致的總體效率低以及配電網對其進行調控困難的問題。3)本發明由於混合型電力電子變壓器由傳統變壓器和變流器構成，而傳統變壓器和變流器等設備均通過了長期的運行考驗，其可靠性高，價格低，性能好，有效降低了變電站系統的建設成本。因而，本發明可以廣泛應用於電力電子變電站的建設中。

附圖說明

圖1為本發明混合型電力電子變電站的主接線圖；

圖2(a)為本發明採用共用副邊繞組形式的混合型電力電子變壓器結構示意圖；

圖2(b)為本發明採用獨立副邊繞組形式的混合型電力電子變壓器結構示意圖；

圖3為本發明混合型電力電子變電站的控制系統結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的進行詳細的描述。

如圖1所示，本發明混合型電力電子變電站包括一次系統；一次系統包括一混合型電力電子變壓器1以及由若干斷路器和隔離開關構成的變電站開關裝置2。其中，混合型電力電子變壓器1的高壓側通過高壓交流母線3與上層電網的進線4相連，低壓側通過低壓母線5與各類交、直流負載出線以及各直流輸入輸出接口相連。低壓母線5包括傳統低壓交流母線51、定製低壓交流母線52和低壓直流母線53，且傳統低壓交流母線51的輸入側與混合型電力電子變壓器1的傳統低壓交流出口相連，輸出側與各並聯的傳統低壓交流負載出線6相連；定製低壓交流母線52的輸入側與混合型電力電子變壓器1的定製低壓交流出口相連，輸出側與各並聯的定製低壓交流負載出線7相連；低壓直流母線53的輸入側與混合型電力電子變壓器1的低壓直流出口相連，輸出側與各並聯的低壓直流負載出線8以及各直流輸入輸出接口9相連。

如圖2(a)、圖2(b)所示，一次系統中混合型電力電子變壓器1包括一傳統變壓器和一變流器。其中，傳統變壓器和換流器之間採用同一個副邊繞組形式(圖2(a)所示)或各自採用獨立的副邊繞組形式(圖2(b)所示)。具體的，同一個副邊繞組形式為：傳統變壓器與換流器採用同一個副邊繞組，傳統變壓器的原邊(圖2(a)中a1，a2)與交流電源ui相連形成一次側交變電流，一次側交變電流在傳統變壓器的副邊(圖2(a)中b1，b2)上形成二次側輸出交流電壓vout1，作為混合型電力電子變壓器1的傳統低壓交流出口。換流器與傳統變壓器共用同一個副邊，也即換流器中ac/dc變換器所使用的交流電源直接從傳統變壓器的副邊處獲取，由ac/dc變換器將二次側輸出交流電壓vout1轉換為低壓直流電vout2，作為混合型電力電子變壓器1的低壓直流出口。換流器中dc/ac變換器所使用的直流電從ac/dc變換器的輸出端獲取，將低壓直流電vout2轉換為定製低壓交流電vout3，作為混合型電力電子變壓器1的定製低壓交流出口。

獨立的副邊繞組形式為：傳統變壓器與換流器各自採用不同的副邊繞組，傳統變壓器的原邊與交流電源ui相連形成一次側交變電流，一次側交變電流在傳統變壓器的副邊繞組上形成二次側輸出交流電壓vout1，作為混合型電力電子變壓器1的傳統低壓交流出口。一次側交變電流在換流器的副邊繞組(圖2(b)中c1，c2)上形成二次側輸出交流電壓v′out1，換流器中ac/dc變換器將二次側輸出交流電壓v′out1轉換為低壓直流電vout2，作為混合型電力電子變壓器1的低壓直流出口。換流器中dc/ac變換器所使用的直流電從ac/dc變換器的輸出端獲取，將低壓直流電vout2轉換為定製低壓交流電vout3，作為混合型電力電子變壓器1的定製低壓交流出口。

變電站開關裝置2包括若干斷路器21以及設置在各斷路器21兩端的若干隔離開關22，各斷路器21和隔離開關22均通過信號線與變電站自動化系統相連，由變電站自動化系統控制。斷路器21包括兩高壓交流斷路器211、若干低壓交流斷路器212以及若干低壓直流斷路器213，其中，兩高壓交流斷路器211分別設置在高壓交流母線3與上層電網進線4的連接處以及與混合電力電子變壓器1的輸入側連接處；各低壓交流斷路器212分別設置在傳統低壓交流母線51與混合型電力電子變壓器1的傳統低壓交流出口連接處和各傳統低壓交流負載出線6連接處，以及定製低壓交流母線52與混合型電力電子變壓器1的定製低壓交流出口連接處和各定製低壓交流負載出線7連接處；各低壓直流斷路器213分別設置在低壓直流母線53與混合型電力電子變壓器1的低壓直流出口連接處和各低壓直流負載出線8和各直流輸入輸出接口9連接處。

如圖3所示，本發明混合型電力電子變電站還包括一變電站自動化系統，用於對全站所有設備進行控制。該變電站自動化系統的設計參照傳統變電站自動化系統的設計方法，包括變電站調度層(站控層)、設備間協調保護層(間隔層/單元層)和單設備控制保護層(過程層)，且各層之間雙向通信，相互協調。變電站調度層用於對站內所有被控設備進行監視和控制，以及與調度中心的通信。設備間協調保護層用於對本間隔內所有被控設備進行就地監測和控制，以及與變電站調度層的協調與控制。單設備控制保護層用於對過程層被控設備進行數據採集、自動監測與控制，以及與設備間協調保護層的協調與控制。其中，被控設備包括混合型電力電子變壓器、各類交/直流斷路器、各隔離開關、電感型限流電抗器、無功補償電容器、電動汽車、儲能設備、風力發電、光伏發電接口等。

上述實施例中，傳統低壓交流母線51上還連接有就地測量與控制設備，就地測量與控制設備包括相互串聯的用於限制故障電流並保證傳統低壓交流母線上電壓水平的電感式限流電抗器和無功補償器。

上述各實施例中，低壓直流母線53輸出側連接的低壓直流輸入輸出接口9包括風力發電和光伏發電進線接口以及電動汽車、儲能裝置或其他具有發電和用電雙向特性的相應設備進/出線接口。

本發明在使用時，從上層電網送來的高壓交流電，由進線經高壓交流母線進入一次系統中混合型電力電子變壓器的高壓側。

混合型電力電子變壓器1的功能包括兩部分，一是傳統的交流變壓，用於實現交流電從高壓到低壓的轉換，二是在變壓的基礎上，增加換流器，用於實現交流到直流的變換，以及進一步的直流對交流的變換。其中，換流器是採用電力電子器件igbt組成的變換電路，其控制採用脈衝寬度調製(pwm，pulse-width-modulation)來實現，從而可以保證輸出的直流，以及交流，可以滿足規定的要求，如紋波電壓、諧波含量等，具有潮流控制、電能質量調節能力。

本發明以同一個副邊繞組形式為例進行介紹，混合型電力電子變壓器中傳統變壓器首先對高壓交流電進行降壓，將高壓交流電降為低壓交流電vout1，然後分為兩路，一路作為傳統低壓交流出口，並通過傳統低壓交流母線為各類傳統低壓負載提供傳統低壓交流電。另一路低壓交流電通過換流器完成ac/dc/ac的換流，從換流器的交流側輸出高質量的定製低壓交流也即vout3，作為定製低壓交流出口，並通過定製低壓交流母線為各類定製低壓交流負載提供定製交流電。從換流器的直流側輸出低壓直流電也即vout2，作為低壓直流出口，通過低壓直流母線與各類直流負載或直流接口設備相連。

變電站自動化系統對站內所有被控設備進行監控，並通過分層控制，將監測信息，通過站內的通信方式(如光纖或區域網)進行傳遞，最後按照擬定的控制保護策略實施控制，保證全站運行的可靠性與靈活性。當變電站故障或檢修時，由變電站自動化系統控制切換變電站開關裝置2中的斷路器21和隔離開關22，進而切斷變電站與上級電網，或混合型電力電子變壓器1與高壓交流母線3、各低壓母線5，或低壓側所有連接對象與變電站的電氣聯繫，以保證變電站內的運行安全。考慮到電氣安全的因素，在斷路器斷開時，兩側的隔離開關必須動作，形成物理上有明顯斷開點，以保證運行維護人員的人身安全。

上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和製作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。