一种柔性接入变电站及控制方法与流程

本发明涉及一种柔性接入变电站及控制方法，属于应用于大功率电力电子技术领域。

背景技术：

岸电接入技术，是指船舶靠港期间，停止使用船舶上的发电机，而改用陆地电源供电。岸电变换器/交直交变换器是变频接入系统的核心，负责将岸上50hz交流电源通过ac-dc-ac变频环节转换为船舶所需的60hz交流电源。现有技术中，岸电变换器与供电泊位之间是一对一的关系，现有技术主要存在的问题在于以下几点：(1)目前船舶需要的频率包含50hz和60hz两种规格，交直交变换器需要根据接入船舶的频率进行切换，无法实现即插即用，无法实现两种频率船舶同时接入。(2)由于船舶的容量范围很大，100kw-16mw，设计岸电时，由于是一对一供电，需要按照最大容量设计，船舶本身的用电负荷也是波动的，使岸电系统，长时间处于低载运行的状态，造成设备利用率低，是成本的浪费。(3)岸电的接入电源是取自原有码头配电系统，需要对现有配电系统增容，一对一的供电方式，对配电系统的容量需求过大，如有4套10mw的岸电泊位，总增容需求即为40mw，现有码头配电系统可能由于上级电网容量的限制，无法满足增容需求，需要进行扩建，增加了增容改造的难度和成本。(4)目前供电一对一供电模式下，船舶重要负荷均是由单路供电，供电可靠性低，一旦交直交变换器故障，负荷完全失电。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明将电力系统变电站的架构引入岸电系统。提出了一种柔性接入变电站及控制方法，提供一种一对多的供电方式，提高系统和设备的利用率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种柔性接入变电站，所述柔性接入变电站包括n套变频接入系统，n为大于等于1的整数，每套变频接入系统包括第一交直交变换器、第一输出断路器以及第一配电系统，所述第一配电系统包括一条交流进线、交流母线以及至少一条出线，所述第一交直交变换器输出侧经第一输出断路器与第一配电系统的交流进线一端连接；交流进线的另一端连接交流母线；每条出线一端连接交流母线，另一端连接出线断路器的一端，出线断路器的另一端引出定义为出线终端；所述第一交直交变换器输入侧连接上级电网；所述第一交直交变换器将输入交流电转换为直流电，再将直流电转换为输出交流电，输出交流电频率和电压可调。

进一步地，当n等于2时，所述柔性接入变电站包括两套变频接入系统，分别定义为第一变频接入系统、第二变频接入系统，所述第一、二变频接入系统均包括第二输出断路器，所述第一变频接入系统的第二输出断路器一端与第一变频接入系统的第一交直交变换器输出侧连接，另一端与第二变频接入系统的交流母线连接；所述第二变频接入系统的第二输出断路器一端与第二变频接入系统的第一交直交变换器输出侧连接，另一端与第一变频接入系统的交流母线连接；所述第一变频接入系统的出线终端与所述第二变频接入系统的出线终端一对一连接。

进一步地，当n为大于等于2的整数时，所述柔性接入变电站还包括n-1个连接模块，所述n个变频接入系统的交流母线之间通过n-1个连接模块形成手拉手形式的连接。

进一步地，所述连接模块为第二交直交变换器；所述第二交直交变换器将输入交流电转换为直流电，再将直流电转换为输出交流电，输入与输出交流电频率和电压均可调。

进一步地，所述连接模块为由功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。

进一步地，所述变电站还包括输出变压器、m个输出断路器以及m个第一配电系统，所述输出变压器的原边与第一交直交变换器输出侧连接，输出变压器包含m个副边，m为大于等于1的整数，第m副边与第m输出断路器的一端连接，第m输出断路器的另一端连接对应的第一配电系统的交流进线。

进一步地，所述第一交直交变换器的直流侧正负极引出，连接直流配电网，所述直流配电网包括直流断路器、直流变压器以及直流负荷、电源或船舶。

进一步地，所述变电站还包括储能单元，所述第一交直交变换器的直流侧与储能单元连接。

进一步地，所述第一交直交变换器与上级电网之间还连接一个输入变压器。

进一步地，所述第一交直交变换器与上级电网之间还连接一个输入断路器。

进一步地，当所述变电站应用于船舶岸电接入时，所述出线终端连接船舶，所述出线断路器还配置一个同期装置，可检测出线断路器两端电压，实现检同期合闸。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法，所述方法包括：当有大于一套的变频接入系统时，其中一套变频接入系统的第一交直交变换器输出过载时，第二交直交变换器控制功率方向由相邻的变频接入系统的交流母线流向过载母线；当其中一套变频接入系统的第一交直交变换器故障时，停止第一交直交变换器输出，第二交直交变换器由功率控制切换为电压控制，控制交直交变换器发生故障的变频接入系统的交流母线电压。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法，所述方法包括：当检测到逆功率发生，即船侧向岸侧传输功率时，通过变频接入系统中的第一交直交变换器将逆功率回馈给上级电网。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法，所述方法包括：当检测到逆功率发生，即船侧向岸侧传输功率时，可通过变频接入系统中的第一交直交变换器将逆功率回馈给上级电网，或回馈给与第一交直交变换器直流侧连接的直流配电网。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法，当本发明所述变电站应用于船舶岸电接入时，所述出线终端连接船舶，为包含电源的负荷，即包含船上电源与船舶负荷，当只包含一套变频接入系统时，所述控制方法如下：

步骤1：当第一只船舶靠港接入岸电时，第一交直交变换器启动，使交流母线带电，控制交流母线电压稳定，第一交直交变换器输出频率设置为f1；

步骤2：完成船舶电缆与岸侧出线终端的连接；

步骤3：确认连接完成后，跟踪第一只船舶的电源频率，并自动调整第一交直交变换器输出频率为f1+δf；对应出线的同期装置检测出线断路器的两侧电压；δf为频率偏差；

步骤4：当满足合闸条件后，闭合出线断路器，或由船侧进行检同期合闸；

步骤5：第一交直交变换器切换控制策略，使船舶负载逐渐转移到由第一交直交变换器供电；

步骤6：第一只船舶完成岸电接入，由接入前的电源带负荷状态，变为纯负荷状态；

步骤7：当有其他船舶靠港接入岸电时，可按步骤2到步骤6接入变频接入系统的交流母线。

进一步地，所述步骤5的详细操作流程为：使船舶负载逐渐转移到由第一交直交变频器供电，船舶发电系统出力逐渐降低为0，船舶发电系统停机，第一交直交变频器切换回原有控制策略，控制交流母线电压稳定。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法，当变电站包含两套变频接入系统时，所述控制方法如下：

步骤1：第一变频接入系统的交直交变换器启动，输出频率设置为f1；第二变频接入系统的交直交变换器启动，输出频率设置为f2；

步骤2：闭合第一变频接入系统的第一输出断路器，使第一变频接入系统的交流母线带电；闭合第二变频接入系统的第一输出断路器，使第二变频接入系统的交流母线带电；第一变频接入系统交流母线频率为f1，第二变频接入系统交流母线频率为f2；

步骤3：当有船舶接入时，识别船舶系统频率f，当f更接近于f1时，闭合与第一变频接入系统交流母线连接的出线断路器；当f更接近于f2时，闭合与第二变频接入系统交流母线连接的出线断路器。

进一步地，所述控制方法还包括

步骤41：如果f1与f2不相同，当有一套变频接入系统的交直交变换器发生过载时，通过另一套变频接入系统的交直交变换器和连接模块向过载的母线转移部分能量。

进一步地，所述控制方法还包括步骤42：如果f1与f2相同，当有一套变频接入系统的交直交变换器发生故障时，故障系统所连接母线失电；闭合另一套变频接入系统的第二输出断路器，使失电母线重新得电；

步骤5：分开与故障母线连接的出线断路器，闭合与另一交流母线连接的出线断路器，使失电船舶重新得电。

本发明的有益效果：

1、本发明将电力系统变电站的架构引入岸电系统，提出在交直交变换器输出侧设置交流母线，交流母线连接多条出线，每条出线配置独立的出线断路器，且出线断路器配置同期装置，解决船舶并入岸电系统时的冲击问题，且在控制方法中，提出通过控制策略的切换使船舶接入实现带载转移：当船舶接入之前，船舶电力系统为电源+负荷的供电模式，在接入岸电系统后，船舶电力系统变为纯负荷，变为负荷后，不会对后面船舶接入造成影响，以此方法即可实现后面船舶的依次接入，真正意义实现了岸电交直交变换器的一对多供电以及船舶接入岸电系统的即插即用，在船舶逐个接入的过程中实现了不停电的无缝切换。由于船舶负荷的波动性，一条交流母线对应多个出线的供电方式，有利于提高供电容量的利用率，各个泊位船舶负荷可共享电能，共享变换器，降低了整个系统的设备投资成本。

2、本发明方案在多套变频接入系统之间设置了连接模块，连接模块可以是交直交变换器或开关，连接模块可以实现不同交流母线之间的互联，当连接模块为交直交变换器时，可通过调节交直交变换器功率的流向以及大小，均衡交直流母线之间的用电出力，当一套变换器过载时，可从其他交流母线获取支援，进一步提高了变换器设备的利用率，且在其中一套变换器发生故障时，连接模块的变换器改变控制目标，可实现不间断的电源转供，失电的故障母线重新得电，实现了故障穿越，极大的提高了系统的供电可靠性。连接模块也可以为开关，可以是由功率半导体器件构成的固态开关或快速机械开关，利用备自投的原理，当一段交流母线失电后，利用快速的开关迅速闭合，实现故障穿越；

3、本发明方案还提供了包含两套变频接入系统的方案，两套变频接入系统的第一交直交变换器均通过出线断路器连接两段母线，形成双电源供电，出线终端得电均来源于两段母线，极大的提供了供电可靠性，当一段母线失电时，可以通过切换开关，实现不间断供电；而且由于岸电负荷存在50hz/60hz两种不同的频率，两套变换器的交流母线可以设置成不同的频率，当识别出船舶所需要的频率后，可以方便的通过切换开关，提供给船舶给定频率。

附图说明

图1为本发明一种柔性接入变电站的第一实施例；

图2为本发明一种柔性接入变电站的第二实施例；

图3为本发明一种柔性接入变电站的第三实施例；

图4为本发明一种柔性接入变电站的第四实施例；

图5为本发明一种柔性接入变电站的第五实施例；

图6为交直交变换器的第一实施例

图7为交直交变换器的第二实施例

图8为连接模块为固态开关的实施例

图9为连接模块为机械开关的实施例

图中标号名称：1、变频接入系统；2、第一交直交变换器；3、输入变压器；4、输出变压器；5、第一输出断路器；6、交流母线；7、出线断路器；8、同期装置；9、船岸连接设备；10、连接模块；11、输入断路器；12、第一配电系统；13、第二配电系统；14、直流断路器；15、直流变压器；16、第二输出断路器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的一种柔性接入变电站的第一实施例，所述柔性接入变电站包括n套变频接入系统1，n为大于等于1的整数，每套变频接入系统包括第一交直交变换器2、第一输出断路器5以及第一配电系统12，所述第一配电系统包括一条交流进线、交流母线6以及至少一条出线，所述第一交直交变换器输出侧经第一输出断路器与第一配电系统的交流进线一端连接；交流进线的另一端连接交流母线；每条出线一端连接交流母线，另一端连接出线断路器的一端，出线断路器的另一端引出定义为出线终端；所述第一交直交变换器输入侧连接上级电网；所述第一交直交变换器将输入交流电转换为直流电，再将直流电转换为输出交流电，输出交流电频率和电压可调。如图6为低压二电平交直交变换器拓扑结构实施例，图7为高压多电平交直交变换器拓扑结构实施例。

如图1所示，为n＝1时，所述变电站仅包含一套变频接入系统。

一个优选的实施例如图3所示，当n等于2时，所述柔性接入变电站包括两套变频接入系统，分别定义为第一变频接入系统、第二变频接入系统，所述第一、二变频接入系统均包括第二输出断路器16，所述第一变频接入系统的第二输出断路器一端与第一变频接入系统的第一交直交变换器输出侧连接，另一端与第二变频接入系统的交流母线连接；所述第二变频接入系统的第二输出断路器一端与第二变频接入系统的第一交直交变换器输出侧连接，另一端与第一变频接入系统的交流母线连接；所述第一变频接入系统的出线终端与所述第二变频接入系统的出线终端一对一连接。

一个优选的实施例中，当n为大于等于2的整数时，所述柔性接入变电站还包括n-1个连接模块10，所述n个变频接入系统的交流母线之间通过n-1个连接模块形成手拉手形式的连接。如图2所示，当n＝2时，两个变频接入系统的交流母线，通过一个连接模块连接。

一个优选的实施例中，所述连接模块为第二交直交变换器；所述第二交直交变换器将输入交流电转换为直流电，再将直流电转换为输出交流电，输入与输出交流电频率和电压均可调。

一个优选的实施例中，所述连接模块为由功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。图8为由反向并联晶闸管构成的固体开关实施例，图9为机械开关实施例。

一个优选的实施例中，所述变电站还包括输出变压器、m个输出断路器以及m个第一配电系统，所述输出变压器的原边与第一交直交变换器输出侧连接，输出变压器包含m个副边，m为大于等于1的整数，第m副边与第m输出断路器的一端连接，第m输出断路器的另一端连接对应的第一配电系统的交流进线。如图4所示，当所述变电站用于岸电系统时，存在高压上船和低压上船两种方式，m＝2，两套副边绕组可以分别通过两个输出断路器连接高压、低压配电系统。

一个优选的实施例中，所述第一交直交变换器的直流侧正负极引出，连接直流配电网，所述直流配电网包括直流断路器、直流变压器以及直流负荷、电源或船舶。如图5所示，该实施例中的两套变频接入系统中第一交直交变换器的直流母线引出，与直流配电网的两端直流母线连接，该直流配电网包含直流断路器、直流变压器、储能单元和光伏发电单元。

一个优选的实施例中，所述变电站还包括储能单元，所述第一交直交变换器的直流侧与储能单元连接。在本实施例中，当第一交直交变换器为图7所示的高压多电平交直交变换器拓扑结构时，高压多电平交直交变换器包含多个功率模块，每个功率模块的直流侧与储能单元连接。

一个优选的实施例中，所述第一交直交变换器与上级电网之间还连接一个输入变压器3。

一个优选的实施例中，所述第一交直交变换器与上级电网之间还连接一个输入断路器11。

一个优选的实施例中，当所述变电站应用于船舶岸电接入时，所述出线终端连接船舶，出线终端可以通过岸船连接设备9连接船舶，所述出线断路器还配置一个同期装置8，可检测出线断路器两端电压，实现检同期合闸。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法的具体实施例一，包括：当有大于一套的变频接入系统时，其中一套变频接入系统的第一交直交变换器输出过载时，第二交直交变换器控制功率方向由相邻的变频接入系统的交流母线流向过载母线；当其中一套变频接入系统的第一交直交变换器故障时，停止第一交直交变换器输出，第二交直交变换器由功率控制切换为电压控制，控制交直交变换器发生故障的变频接入系统的交流母线电压。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法的具体实施例二，包括：当检测到逆功率发生，即船侧向岸侧传输功率时，通过变频接入系统中的第一交直交变换器将逆功率回馈给上级电网。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法的具体实施例三，包括：当检测到逆功率发生，即船侧向岸侧传输功率时，可通过变频接入系统中的第一交直交变换器将逆功率回馈给上级电网，或回馈给与第一交直交变换器直流侧连接的直流配电网。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法的具体实施例四，当本发明所述变电站应用于船舶岸电接入时，所述出线终端连接船舶，为包含电源的负荷，即包含船上电源与船舶负荷，当只包含一套变频接入系统时，所述控制方法如下：

步骤1：当第一只船舶靠港接入岸电时，第一交直交变换器启动，使交流母线带电，控制交流母线电压稳定，第一交直交变换器输出频率设置为f1；

步骤2：完成船舶电缆与岸侧出线终端或岸船连接设备的连接；

步骤3：确认连接完成后，跟踪第一只船舶的电源频率，并自动调整第一交直交变换器输出频率为f1+δf；对应出线的同期装置检测出线断路器的两侧电压；δf为频率偏差；本实施例中频率偏差小于0.1hz，在允许的频率偏差内并网可有效减少冲击。

步骤4：当满足合闸条件后，闭合出线断路器，或由船侧进行检同期合闸；

步骤5：第一交直交变换器切换控制策略，使船舶负载逐渐转移到由第一交直交变换器供电；

步骤6：第一只船舶完成岸电接入，由接入前的电源带负荷状态，变为纯负荷状态；

步骤7：当有其他船舶靠港接入岸电时，按步骤2到步骤6接入变频接入系统的交流母线。

所述步骤5的详细操作流程为：使船舶负载逐渐转移到由第一交直交变频器供电，船舶发电系统出力逐渐降低为0，船舶发电系统停机，第一交直交变频器切换回原有控制策略，控制交流母线电压稳定。

本发明还相应提出了上述柔性接入变电站的控制方法的具体实施例五，当变电站包含两套变频接入系统时，所述控制方法如下：

步骤1：第一变频接入系统的交直交变换器启动，输出频率设置为f1；第二变频接入系统的交直交变换器启动，输出频率设置为f2；

步骤2：闭合第一变频接入系统的第一输出断路器，使第一变频接入系统的交流母线带电；闭合第二变频接入系统的第一输出断路器，使第二变频接入系统的交流母线带电；第一变频接入系统交流母线频率为f1，第二变频接入系统交流母线频率为f2；

步骤3：当有船舶接入时，识别船舶系统频率f，当f更接近于f1时，闭合与第一变频接入系统交流母线连接的出线断路器；当f更接近于f2时，闭合与第二变频接入系统交流母线连接的出线断路器；

在本实施例中f1与f2分别为50hz和60hz，当船舶靠港时，可通过判断船舶需求用电频率，选择出线断路器的分合。

步骤4：如果f1与f2不相同，当有一套变频接入系统的交直交变换器发生过载时，通过另一套变频接入系统的交直交变换器和连接模块向过载的母线转移部分能量；

步骤5：如果f1与f2相同，当有一套变频接入系统的交直交变换器发生故障时，故障系统所连接母线失电；闭合另一套变频接入系统的第二输出断路器，使失电母线重新得电；

步骤6：分开与故障母线连接的出线断路器，闭合与另一交流母线连接的出线断路器，使失电船舶重新得电。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。