中压直流配电网黑启动二次设备供电装置的制作方法

本发明属于电源领域，尤其涉及一种中压直流配电网黑启动二次设备供电装置。

背景技术：

随着新能源的大规模接入电力系统，分布式发电和柔性负荷的在成本和灵活性方面的优势逐渐显现，而直流配电系统可以以更友好的方式接入分布式电源和负荷。因此，建设和发展直流配电系统适应节能减排和能源综合利用的需求，在促进再生能源接入和传统电网智能化方面具有重要意义。

当中压直流配电网因故障而脱网后，系统可以依赖分布式电源和储能系统提供电源并通过切除部分负荷的方式降低系统负荷使系统处于孤岛运行状态。但由于中压直流配电系统的本质仍然是配电系统，系统中配置的储能容量通常是不足以平衡分布式电源而使系统长期运行的。当系统中因储能中电量耗尽后，中压直流配电网不得不切除所有负荷处于关停状态，而多直流端口电力电子变压器则依靠备用电源处于休眠状态，当备用电源无法供电时，多直流端口电力电子变压器则不得不处于关闭状态。

现有的±10kv直流配电网中，多直流端口电力电子变压器的二次供电设备采用交流供电，这使得直流配网系统中仍需要而外的dc/ac及交流配电网络来提供可靠的工频交流电源。二次设备均为直流负荷或非工频交流负荷，使用工频交流供电不但增加大量的工频交流供电设施，增加成本的同时也降低了系统的可靠性。当直流配电网断电且电力电子变压器关闭后，dc/ac也需要额外的电源启动。

所以，目前的中压直流配电网中迫切地需要一种可以使中压直流配电系统黑启动的可靠的直流电源为多直流端口电力电子变压器的二次供电设备供电。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种中压直流配电网黑启动二次设备供电装置，解决中压直流配电系统中多直流端口电力电子变压器二次设备在黑启动中低成本可靠供电问题，提高多直流端口电力电子变压器对不同工作场景的适用性，使中压直流配电系统稳定运行。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种中压直流配电网黑启动二次设备供电装置，包括黑启动供电电源装置和二次设备供电稳压装置；黑启动供电电源装置连接中压直流母线和二次设备供电稳压装置，在黑启动初期从中压直流母线取电为二次设备供电稳压装置供电；二次设备供电稳压装置与黑启动供电电源装置、多直流端口电力电子变压器二次设备和低压直流母线相连，在黑启动运行全阶段为多直流端口电力电子变压器二次设备供电；

所述黑启动供电电源装置包括充电电阻、储能装置、电压限制装置及磁保持继电器；充电电阻连接中压直流母线，磁保持继电器的触点分别连接充电电阻和储能装置，磁保持继电器的释放线圈与储能装置和电压限制装置相连，磁保持继电器的吸合线圈由二次设备供电稳压装置中的二次设备供电控制装置控制，储能装置的供电端口与二次设备供电稳压装置连接；

所述二次设备供电稳压装置包括集成稳压模块和二次设备供电控制装置，所述集成稳压模块分别连接储能装置和低压直流母线，输出端连接二极管，为多直流端口电力电子变压器二次设备和二次设备供电控制装置供电；二次设备供电控制装置依据测得的集成电压模块端口电压及电力电子变压器二次设备的状态信息判断是否需要向黑启动供电电源装置中磁保持继电器的吸合线圈输出激励信号。

进一步地，所述储能装置为电容、超级电容和/或电池。

进一步地，所述电压限制装置为稳压二极管或避雷器，用于限制储能装置完成充电后的电压。

进一步地，在黑启动初期，多直流端口电力电子变压器未启动，低压直流母线供电线路无电压，储能装置供电线路有电压，此时集成电压模块的输入端电压为储能装置供电线路电压；当多直流端口电力电子变压器完成启动后，低压直流母线供电线路建立电压，当储能装置供电线路上的电压逐渐降低，到低于低压直流母线供电线路上的电压时，集成电压模块的输入端电压为低压直流母线供电线路电压。

进一步地，二次设备供电控制装置在(1)电力电子变压器未启动成功前、储能电容电压下降到下限后(2)中压直流母线掉电后两种场景中为磁保持继电器的吸合线圈提供脉冲激励信号，使黑启动供电电源装置处于待充电状态。

有益效果：本发明中压直流配电网黑启动二次设备供电装置可以在中压直流配电网完全失去电源且储能装置及备用电源中电能耗尽的情况下，为多直流端口电力电子变压器二次设备可靠供电使中压直流配电网完成黑启动；黑启动供电电源装置以无源模拟器件构成，无需控制电路，可以在黑启动初期自中压直流母线取电短时间内为多直流端口电力电子变压器供电；黑启动供电电源装置中的储能装置的电压达到限制值时，可自动驱动磁保持继电器断开充电电路完成充电，在没有建立供电电压的条件下，保护储能装置，完成充电过程；采用磁保持继电器可以在没有供电的情况下保持黑启动供电电源装置电路状态。

附图说明

图1是本发明中压直流配电网黑启动二次设备供电装置整体框架图；

图2是黑启动供电电源装置结构图；

图3是二次设备供电稳压装置结构图；

图4是黑启动供电电源装置结构简图及器件参数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的中压直流配电网黑启动二次设备供电装置，整个供电装置由黑启动供电电源装置和二次设备供电稳压装置构成。其中，黑启动供电电源装置的供电电路与中压直流母线和二次设备供电稳压装置连接，在黑启动初期由中压直流母线取电并为二次设备供电稳压装置供电。二次设备供电稳压装置的供电电路分别与黑启动供电电源装置、多直流端口电力电子变压器二次设备和低压直流母线相连，在从黑启动到运行的全阶段为二次设备供电，并在1)电力电子变压器未启动成功前、储能电容电压下降到下限后，以及2)中压直流母线掉电后，两种场景中通过检测及逻辑判定向黑启动供电电源装置的吸合线圈提供脉冲激励信号，以使黑启动供电电源装置处于待充电状态。

黑启动供电电源装置电气结构如图2所示，主要由充电电阻、储能装置、电压限制装置及磁保持继电器四个主要部件构成，在黑启动初期相互配合，可由中压直流母线取电，在短时间内为二次设备可靠供电。

充电电阻的作用是限制中压直流母线向充电装置的充电电流，其阻值为r^充电，由于二次设备供电电压远低于中压直流母线电压，所以整个充电过程可以近似看作恒流充电，u^中压为中压直流母线的电压，充电电流i^充电如下式所示：

储能装置由电容、超级电容、电池或是它们的组合构成，由中压直流母线经充电电阻充电后可短时间内为二次设备可靠供电，其供电端口电压为u^储能，供电端口与二次设备供电稳压装置连接的线路为#1二次设备供电线路。

电压限制装置为稳压二极管或避雷器，与磁保持继电器配合用于限制储能装置完成充电后的电压，其限制电压u^稳压为稳压二极管的稳定电压或者避雷器的起始动作电压。

磁保持继电器的触点分别连接充电电阻和储能装置，控制充电电路的开通和关断。磁保持继电器的释放线圈与储能装置和电压限制装置相连。储能装置充电过程中，其端电压u^储能逐步上升，当u^储能超过电压限制装置的限制电压u^稳压后，这个电压差会在磁保持继电器的释放线圈电路中产生一个电流激励，使磁保持继电器变为断开状态并保持该状态，由自中压直流母线经充电电阻向充电装置充电的电路断开，同时磁保持继电器释放线圈中激励逐步降低，充电电路充电过程完成。磁保持器的吸合线圈由二次设备供电稳压装置中的二次设备供电控制装置控制，在1)电力电子变压器未启动成功前、储能电容电压下降到下限后，以及2)中压直流母线掉电后，两种场景中提供脉冲激励信号，以使黑启动供电电源装置处于待充电状态。

二次设备供电稳压装置如图3所示，由集成稳压模块和二次设备供电控制装置两部分构成。

集成电压模块负责由#1二次设备供电线路和#2二次设备供电线路取电，为二次设备稳定供电。集成电压模块的输入端连接#1二次设备供电线路和#2二次设备供电线路，输出端连接二次设备供电线路。由于二极管单向导通，所以集成电压模块的输入端电压为#1二次设备供电线路电压和#2二次设备供电线路电压中的较高者。在黑启动初期，由于多直流端口电力电子变压器未启动，#2二次设备供电线路无电压，而黑启动供电电源中断储能装置完成充电后，#1二次设备供电线路有电压，此时集成电压模块的输入端电压为#1二次设备供电线路电压。当多直流端口电力电子变压器完成启动后，低压直流母线电压建立，#2二次设备供电线路建立电压。由于#1二次设备供电线路上的电压来自储能装置，会因消耗而逐渐降低，当#1二次设备供电线路上的电压低于#2二次设备供电线路上的电压时，集成电压模块的输入端电压为#2二次设备供电线路电压。

二次设备供电控制装置由二次设备供电线路供电，依据测量得到的集成电压模块端口电压及电力电子变压器二次设备的状态信息判断是否需要向黑启动供电电源装置中磁保持继电器的吸合线圈输出激励信号，使黑启动供电电源装置中的磁保持继电器状态变为闭合并保持改状态。

如图4所示，某±10kv直流配电网中，某台多直流端口电力电子变压器包含±10kv中压直流端口和±375低压直流端口，中压直流配电网黑启动中二次设备低成本可靠供电装置中的黑启动供电电源装置连接在+10kv直流母线上，而#2二次设备供电线路连接在+375母线上，黑启动供电电源装置结构简图及器件参数如图4所示。当直流配电网因故离网且分布式电源被切除，10kv母线失压，二次设备供电控制装置向吸合线圈发出激励信号，使得黑启动供电电源装置中磁保持继电器处于吸合状态并保持。在储能及备用电源电量耗尽后，配电系统中所有一、二次设备完全停电，后远端10kv恢复供电，配电网进入黑启动过程。

首先，在黑启动供电电源装置中，10kv母线以近似100a的电流向电容充电，在10s左右后电容电压超过400v，避雷器热击穿，磁保持继电器的释放线圈电路导通，磁保持继电器断开并保持该状态，充电电路断开，充电过程完毕。而后，黑启动供电电源装置中的电容通过#1二次设备供电线路向二次设备供电稳压装置中的集成稳压模块供电，集成稳压模块通过二次设备供电线路向多直流端口电力电子变压器二次设备供电，电力电子变压器启动，375v直流母线电压建立。而后，电容电压因电量下降而下降，375v直流母线通过#2二次设备供电线路向集成稳压模块供电，完成整个黑启动过程。