CN102545200A - 基于电压源换流器的多端直流配电网*** - Google Patents

基于电压源换流器的多端直流配电网*** Download PDF

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本发明涉及一种基于电压源换流器（VSC）的多端直流配电网***，属于直流配电技术领域。包括VSC整流AC/DC模块、VSC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、至少一个直流配电网控制模块、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VSC换流站采用背靠背结构，可以为两端或多端***，VSC换流器可以为两电平、三电平或模块化多电平拓扑，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，可缓解城市负荷增长加快、已有输电走廊紧张的压力，可提高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。

Description

基于电压源换流器的多端直流配电网***
技术领域
本发明涉及一种基于电压源换流器(VSC)的多端直流配电网***，属于直流配电技术领域。
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***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***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***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***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 sourceconverter，VSC)和脉宽调制技术的电压源换流器型高压直流输电(voltagesource 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。我国第一条VSC-HVDC示范工程——上海南汇风电站***于2011年5月并网成功，整体投入试运行，标志着我国具有自主知识产权的VSC-HVDC核心技术成功应用于实际工程。
VSC-HVDC技术基于全控型器件，与传统的HVDC相比有很大优势：(1)VSC换流站不会出现换相失败故障，提高了受端***的电能质量；(2)VSC-HVDC可同时对有功和无功分别进行独立控制，控制方式更加灵活方便；同时，由于VSC交流侧电流可控，不会增加***的短路容量，从而不会影响继电保护的整定；(3)VSC-HVDC可通过改变直流电流的方向来改变潮流流向，既有利于潮流控制，又有利于多端直流***构成；(4)VSC不需要交流侧无功的支持，反而在故障发生时可以动态补偿***所需的无功，起到STATCOM的作用；(5)VSC开关频率相对较高，换流器产生的谐波大为减弱，所需滤波装置容量大大减少，简化了换流器的结构，减少了工程的投资费用；(6)模块化设计使得VSC-HVDC工程的设计、生产、安装周期大大缩短；同时，换流器的占地面积约占同等容量的传统直流输电的50％。
综上所述，VSC-HVDC克服了传统HVDC的固有缺陷，高压直流电缆的研制成功也大大降低了直流输电线路的工程造价，使直流电缆的铺设更加经济。另外，VSC-HVDC可以独立调节有功功率和无功功率，使***的控制更加灵活、可靠，从而提高了电能质量。因此，采用VSC-HVDC是城市配电网增容的重要可行方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提供一种基于VSC的多端直流配电网***，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***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。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种基于VSC的多端直流配电网***，所述直流配电网***包括VSC整流AC/DC模块、VSC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、至少一个直流配电网控制模块、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。该***主要用于向城市电网负荷中心供电，其中：
VSC整流AC/DC模块：与交流配电单元、VSC逆变DC/AC模块、直流配电网控制模块连接，用于将交流电能转换为直流电能；
VSC逆变DC/AC模块：与VSC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VSC整流AC/DC模块、直流配电网控制模块、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、VSC整流AC/DC模块连接；
直流配电网控制模块：与VSC整流AC/DC模块、VSC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VSC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；
所述直流配电网***中VSC-HVDC的输电连接线构成方式为背靠背结构，可以为两端或多端直流输电***；
所述直流配电网***中VSC-HVDC的换流器结构可以为两电平拓扑、三电平拓扑，或模块化多电平拓扑；
所述直流配电网***可向相邻电网提供毫秒级动态无功支撑和有功支援。
本发明的有益效果如下：
1、VSC-HVDC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；
2、VSC-HVDC可以独立调节有功功率和无功功率，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；
3、降低了已有交流电网的容量，有助于解决短路电流超标的问题；
4、隔离了邻近交流配电网之间故障和干扰的传播，可为城市中部分精密制造企业提供高质量、高可靠性的电能；
5、VSC-HVDC换流站结构紧凑，自身占地面积小，换流站占地面积仅为常规直流背靠背***的一半左右，可为绿化节省出更多空间。
附图说明
图1为本发明的基于VSC的多端直流配电网***结构示意图；
图2为本发明的基于VSC的多端直流配电网***实施方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造的技术方案做进一步的详细说明：
本发明公开了一种基于VSC的多端直流配电网***，其结构示意图如图1所示，该直流配电网***包括VSC整流AC/DC模块、VSC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、至少一个直流配电网控制模块、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。该***主要用于向城市电网负荷中心供电，其中，VSC-HVDC的输电连接线构成方式为背靠背结构，可以为两端或多端直流输电***，VSC-HVDC的换流器结构可以为两电平拓扑、三电平拓扑，或模块化多电平拓扑，该***可向相邻电网提供毫秒级动态无功支撑和有功支援。
图2所示为本发明的基于VSC的多端直流配电网***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，VSC整流AC/DC表示VSC整流器，VSC逆变DC/AC表示VSC逆变器，F1、F2表示***故障。
如图2所示，在已有的交流10kV配电网***中，馈入新的VSC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VSC-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VSC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VSC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VSC-HVDC多端直流配电***。
图2所示为由VSC组成的多端直流配电***中，当交流***F1、F2处发生故障时，负荷侧的供电并不受影响；并且交流***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***的供电质量得到保障。此外，图2***的多端网络结构在交流***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VSC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。

Claims (4)

1.一种基于VSC的多端直流配电网***，其特征在于：所述直流配电网***包括VSC整流AC/DC模块、VSC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、至少一个直流配电网控制模块、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：
VSC整流AC/DC模块：与交流配电单元、VSC逆变DC/AC模块、直流配电网控制模块连接，用于将交流电能转换为直流电能；
VSC逆变DC/AC模块：与VSC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VSC整流AC/DC模块、直流配电网控制模块、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、VSC整流AC/DC模块连接；
直流配电网控制模块：与VSC整流AC/DC模块、VSC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VSC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所述的基于VSC的多端直流配电网***，其特征在于：所述直流配电网***中VSC-HVDC的输电连接线构成方式为背靠背结构，为两端或多端直流输电***。
3.根据权利要求1所述的基于VSC的多端直流配电网***，其特征在于：所述直流配电网***中VSC-HVDC的换流器结构为两电平拓扑或三电平拓扑或模块化多电平拓扑。
4.根据权利要求1所述的基于VSC的多端直流配电网***，其特征在于：所述直流配电网***向相邻电网提供毫秒级动态无功支撑和有功支援。
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