一种混合型电力电子变电站的制作方法

本发明涉及配电网中变电站的规划设计领域，特别是关于一种混合型电力电子变电站。

背景技术：

随着用户侧信息设备(如数据中心、计算机与微处理器、通信系统设备、智能终端、传感器与传感网络)、电动汽车的动力电池、半导体照明等直流用电设备的增多、交流敏感负荷(主要指个人计算机、可编程逻辑器件、可调速驱动装置、交流接触器、高压气体放电灯、以及用于切割、钻孔与金属处理等的精加工自动装置或复杂机械来等用电设备)对电能质量要求的提高、以及各种分布式可再生能源发电(生物质能、风能、水能、太阳能等)和储能等设备的广泛应用，配电网也由之前单纯地由上层输电网的交流电输入，到用户侧的交流电输出的电力供应模式，转变为需要接入分布式发电、电动汽车、储能等设备，以及为交流敏感用户提供定制电力的复杂电力调配模式，形成了交、直混合配电网。然而，由于传统交流配电网不能为新型电力用户提供直流输入输出接口和高质量的电力，因此新型电力用户不得不在与配电网连接处安装换流或滤波设备。而这些以满足用户用电个性化需求且分散运行的换流或滤波设备，存在着总体效率低以及配电网对其进行调控困难的问题。

配电网中的变电站，作为连接上级电网与电力用户的桥梁，当站内采用新型的变压(含变流的功能)设备以及采用多样化的接线方式时，可以为电力用户提供交流电和直流电，最为重要的是可以接受配电网调控中心的控制。这将大大提高配电网层面上的整体运行水平以及安全稳定性，同时满足电力用户层面定制电力和接入方便友好的需求。为此，电力电子变电站由之前的概念设计，正在逐步向示范工程的方向推进。而电力电子变电站中的核心设备——电力电子变压器，采用的是ac/dc/ac/dc/ac五级变换拓扑，其造价极为昂贵。这对于商业化运营的电力公司来说，是不得不认真考虑的问题。

需要指出的是，广大的电力用户，对电力供应或接入要求，事实上存在着很大的差异性。主要表现在新型电力用户希望配电网提供优质电力，或者是方便的直流接口，但还有绝大部分传统电力用户仍然使用传统的交流电。在这种情况下，如果配电网在变电站中普遍采用费用昂贵的电力电子变压器，尽管能够为部分新型电力用户提供高质量的电能或方便的直流输入输出接口。但由于居高的设备成本，将会影响到电价水平，可能导致用电费用的普遍增加。这对于无特殊用电需要的传统电力用户来说，是极为不合理的。而对于电力公司来说，电力电子变电站建设的经济性也值得质疑。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种混合型电力电子变电站，它能为多样化电力需求用户提供不同的接口以及高质量的电能，且保证配电网中变电站的投资建设符合商业化运营的理念。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种混合型电力电子变电站，其特征在于：其包括一次系统；所述一次系统包括一混合型电力电子变压器以及由若干断路器和隔离开关构成的变电站开关装置；所述混合型电力电子变压器的高压侧通过高压交流母线与上层电网的进线相连，低压侧通过低压母线与各类交、直流负载出线以及直流输入输出接口相连；所述低压母线包括传统低压交流母线、定制低压交流母线和低压直流母线，且所述传统低压交流母线的输入侧与所述混合型电力电子变压器的传统低压交流出口相连，输出侧与各并联的传统低压交流负载出线相连；所述定制低压交流母线的输入侧与所述混合型电力电子变压器的定制低压交流出口相连，输出侧与各并联的定制低压交流负载出线相连；所述低压直流母线的输入侧与所述混合型电力电子变压器的低压直流出口相连，输出侧与各并联的低压直流负载出线以及各直流输入输出接口相连。

所述混合型电力电子变压器包括一传统变压器和一变流器；且所述传统变压器和变流器之间采用同一个副边绕组形式或各自采用独立的副边绕组形式。

所述采用同一个副边绕组形式是指：所述传统变压器与所述换流器采用同一个副边绕组；即所述传统变压器的原边与交流电源相连形成一次侧交变电流，所述一次侧交变电流在所述传统变压器的副边上形成二次侧输出交流电压vout1，作为所述混合型电力电子变压器的传统低压交流出口；所述换流器中ac/dc变换器所使用的交流电源直接从所述传统变压器的副边处获取，由所述ac/dc变换器将所述二次侧输出交流电压vout1转换为低压直流电vout2，作为所述混合型电力电子变压器的低压直流出口；所述换流器中dc/ac变换器将由所述ac/dc变换器的输出端获取的低压直流电vout2转换为定制低压交流电vout3，作为所述混合型电力电子变压器的定制低压交流出口。

所述采用独立的副边绕组形式是指：所述传统变压器与所述换流器分别采用不同的副边绕组；所述传统变压器的原边与交流电源相连形成一次侧交变电流，所述一次侧交变电流在所述传统变压器的副边上形成二次侧输出交流电压vout1，作为所述混合型电力电子变压器的传统低压交流出口；所述一次侧交变电流在所述换流器的副边绕组上形成二次侧输出交流电压v′out1，所述换流器中ac/dc变换器将二次侧输出交流电压v′out1转换为低压直流电vout2，作为所述混合型电力电子变压器的低压直流出口；所述换流器中dc/ac变换器所使用的直流电从所述ac/dc变换器的输出端获取，将低压直流电vout2转换为低压敏感交流电vout3，作为所述混合型电力电子变压器的定制低压交流出口。

所述变电站还包括一变电站自动化系统，所述变电站自动化系统用于对全站所有设备进行控制。

所述变电站开关装置包括若干断路器以及设置在各所述断路器两端的若干隔离开关，各所述断路器和隔离开关均通过信号线与所述变电站自动化系统相连，由所述变电站自动化系统控制。

所述断路器包括两高压交流断路器、若干低压交流断路器以及若干低压直流断路器，其中，两所述高压交流断路器分别设置在所述高压交流母线与上层电网进线的连接处以及与所述混合电力电子变压器的输入侧连接处；各所述低压交流断路器分别设置在所述传统低压交流母线与所述混合型电力电子变压器的传统低压交流出口连接处和各所述传统低压交流负载出线连接处，以及所述定制低压交流母线与所述混合型电力电子变压器的定制低压交流出口连接处和各所述定制低压交流负载出线连接处；各所述低压直流断路器分别设置在所述低压直流母线与所述混合型电力电子变压器的低压直流出口连接处和各所述低压直流负载出线和各直流输入输出接口连接处。

所述传统低压交流母线上还连接有就地测量与控制设备，就地测量与控制设备包括相互串联的用于限制故障电流并保证传统低压交流母线上电压水平的电感式限流电抗器和无功补偿器。

所述低压直流母线输出侧连接的低压直流输入输出接口包括风力发电和光伏发电进线接口以及电动汽车、储能装置或其他具有发电和用电双向特性的相应设备进/出线接口。

所述定制低压交流母线输出侧连接的各定制低压交流负载出线的另一端分别与各交流敏感用户提供定制电力。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明由于采用传统变压器和变流器构成混合型电力电子变压器，传统变压器用于将上层高压交流电转换为传统低压交流电，变流器用于将传统低压交流电转换为低压直流或定制低压交流电，能够同时满足多样化电力用户的用电需求。2)本发明由于混合型电力电子变电站可直接为各类型电力用户提供所需的传统低压交流电、定制低压交流电或直流电，且为各类型电力用户供电时无需采用其他换流或滤波设备，变电站内所有设备均可以由变电站自动化系统统一进行控制，大大增加了电力电子变电站运行的灵活性与可控性，解决了现有技术中由于换流或滤波设备的接入导致的总体效率低以及配电网对其进行调控困难的问题。3)本发明由于混合型电力电子变压器由传统变压器和变流器构成，而传统变压器和变流器等设备均通过了长期的运行考验，其可靠性高，价格低，性能好，有效降低了变电站系统的建设成本。因而，本发明可以广泛应用于电力电子变电站的建设中。

附图说明

图1为本发明混合型电力电子变电站的主接线图；

图2(a)为本发明采用共用副边绕组形式的混合型电力电子变压器结构示意图；

图2(b)为本发明采用独立副边绕组形式的混合型电力电子变压器结构示意图；

图3为本发明混合型电力电子变电站的控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明混合型电力电子变电站包括一次系统；一次系统包括一混合型电力电子变压器1以及由若干断路器和隔离开关构成的变电站开关装置2。其中，混合型电力电子变压器1的高压侧通过高压交流母线3与上层电网的进线4相连，低压侧通过低压母线5与各类交、直流负载出线以及各直流输入输出接口相连。低压母线5包括传统低压交流母线51、定制低压交流母线52和低压直流母线53，且传统低压交流母线51的输入侧与混合型电力电子变压器1的传统低压交流出口相连，输出侧与各并联的传统低压交流负载出线6相连；定制低压交流母线52的输入侧与混合型电力电子变压器1的定制低压交流出口相连，输出侧与各并联的定制低压交流负载出线7相连；低压直流母线53的输入侧与混合型电力电子变压器1的低压直流出口相连，输出侧与各并联的低压直流负载出线8以及各直流输入输出接口9相连。

如图2(a)、图2(b)所示，一次系统中混合型电力电子变压器1包括一传统变压器和一变流器。其中，传统变压器和换流器之间采用同一个副边绕组形式(图2(a)所示)或各自采用独立的副边绕组形式(图2(b)所示)。具体的，同一个副边绕组形式为：传统变压器与换流器采用同一个副边绕组，传统变压器的原边(图2(a)中a1，a2)与交流电源ui相连形成一次侧交变电流，一次侧交变电流在传统变压器的副边(图2(a)中b1，b2)上形成二次侧输出交流电压vout1，作为混合型电力电子变压器1的传统低压交流出口。换流器与传统变压器共用同一个副边，也即换流器中ac/dc变换器所使用的交流电源直接从传统变压器的副边处获取，由ac/dc变换器将二次侧输出交流电压vout1转换为低压直流电vout2，作为混合型电力电子变压器1的低压直流出口。换流器中dc/ac变换器所使用的直流电从ac/dc变换器的输出端获取，将低压直流电vout2转换为定制低压交流电vout3，作为混合型电力电子变压器1的定制低压交流出口。

独立的副边绕组形式为：传统变压器与换流器各自采用不同的副边绕组，传统变压器的原边与交流电源ui相连形成一次侧交变电流，一次侧交变电流在传统变压器的副边绕组上形成二次侧输出交流电压vout1，作为混合型电力电子变压器1的传统低压交流出口。一次侧交变电流在换流器的副边绕组(图2(b)中c1，c2)上形成二次侧输出交流电压v′out1，换流器中ac/dc变换器将二次侧输出交流电压v′out1转换为低压直流电vout2，作为混合型电力电子变压器1的低压直流出口。换流器中dc/ac变换器所使用的直流电从ac/dc变换器的输出端获取，将低压直流电vout2转换为定制低压交流电vout3，作为混合型电力电子变压器1的定制低压交流出口。

变电站开关装置2包括若干断路器21以及设置在各断路器21两端的若干隔离开关22，各断路器21和隔离开关22均通过信号线与变电站自动化系统相连，由变电站自动化系统控制。断路器21包括两高压交流断路器211、若干低压交流断路器212以及若干低压直流断路器213，其中，两高压交流断路器211分别设置在高压交流母线3与上层电网进线4的连接处以及与混合电力电子变压器1的输入侧连接处；各低压交流断路器212分别设置在传统低压交流母线51与混合型电力电子变压器1的传统低压交流出口连接处和各传统低压交流负载出线6连接处，以及定制低压交流母线52与混合型电力电子变压器1的定制低压交流出口连接处和各定制低压交流负载出线7连接处；各低压直流断路器213分别设置在低压直流母线53与混合型电力电子变压器1的低压直流出口连接处和各低压直流负载出线8和各直流输入输出接口9连接处。

如图3所示，本发明混合型电力电子变电站还包括一变电站自动化系统，用于对全站所有设备进行控制。该变电站自动化系统的设计参照传统变电站自动化系统的设计方法，包括变电站调度层(站控层)、设备间协调保护层(间隔层/单元层)和单设备控制保护层(过程层)，且各层之间双向通信，相互协调。变电站调度层用于对站内所有被控设备进行监视和控制，以及与调度中心的通信。设备间协调保护层用于对本间隔内所有被控设备进行就地监测和控制，以及与变电站调度层的协调与控制。单设备控制保护层用于对过程层被控设备进行数据采集、自动监测与控制，以及与设备间协调保护层的协调与控制。其中，被控设备包括混合型电力电子变压器、各类交/直流断路器、各隔离开关、电感型限流电抗器、无功补偿电容器、电动汽车、储能设备、风力发电、光伏发电接口等。

上述实施例中，传统低压交流母线51上还连接有就地测量与控制设备，就地测量与控制设备包括相互串联的用于限制故障电流并保证传统低压交流母线上电压水平的电感式限流电抗器和无功补偿器。

上述各实施例中，低压直流母线53输出侧连接的低压直流输入输出接口9包括风力发电和光伏发电进线接口以及电动汽车、储能装置或其他具有发电和用电双向特性的相应设备进/出线接口。

本发明在使用时，从上层电网送来的高压交流电，由进线经高压交流母线进入一次系统中混合型电力电子变压器的高压侧。

混合型电力电子变压器1的功能包括两部分，一是传统的交流变压，用于实现交流电从高压到低压的转换，二是在变压的基础上，增加换流器，用于实现交流到直流的变换，以及进一步的直流对交流的变换。其中，换流器是采用电力电子器件igbt组成的变换电路，其控制采用脉冲宽度调制(pwm，pulse-width-modulation)来实现，从而可以保证输出的直流，以及交流，可以满足规定的要求，如纹波电压、谐波含量等，具有潮流控制、电能质量调节能力。

本发明以同一个副边绕组形式为例进行介绍，混合型电力电子变压器中传统变压器首先对高压交流电进行降压，将高压交流电降为低压交流电vout1，然后分为两路，一路作为传统低压交流出口，并通过传统低压交流母线为各类传统低压负载提供传统低压交流电。另一路低压交流电通过换流器完成ac/dc/ac的换流，从换流器的交流侧输出高质量的定制低压交流也即vout3，作为定制低压交流出口，并通过定制低压交流母线为各类定制低压交流负载提供定制交流电。从换流器的直流侧输出低压直流电也即vout2，作为低压直流出口，通过低压直流母线与各类直流负载或直流接口设备相连。

变电站自动化系统对站内所有被控设备进行监控，并通过分层控制，将监测信息，通过站内的通信方式(如光纤或局域网)进行传递，最后按照拟定的控制保护策略实施控制，保证全站运行的可靠性与灵活性。当变电站故障或检修时，由变电站自动化系统控制切换变电站开关装置2中的断路器21和隔离开关22，进而切断变电站与上级电网，或混合型电力电子变压器1与高压交流母线3、各低压母线5，或低压侧所有连接对象与变电站的电气联系，以保证变电站内的运行安全。考虑到电气安全的因素，在断路器断开时，两侧的隔离开关必须动作，形成物理上有明显断开点，以保证运行维护人员的人身安全。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。