一种适用多合一站的交直流供电拓扑结构的制作方法

1.本发明涉及变电站技术领域，特别涉及一种适用多合一站的交直流供电拓扑结构。


背景技术：

2.大型城市电力负荷高，变电站分布多而广、供电半径小、尖峰负荷明显，深入用户侧；同时，城市土地资源紧张，政府碳排放指标严格，政府严控规模以上数据中心建设，对数据中心需求旺盛；电动汽车保有量高且快速增长，充电需求旺盛。目前，如何利用电网厂站设施，打造能源互联网的核心枢纽节点，实现能源流、数据流、业务流的“三流合一”与变电站，数据中心站，储能站和充电站等多站融合，在当前仍面临着的以下三个问题：“多站融合”规划、设计、运行的体系尚未成型；“多站融合”生产要素集成、功能复用、信息集成缺乏标准，融合程度仍有很大提升空间；“多站融合”支撑电网运行的策略尚不完善。
3.随着交直流供电技术的不断提升，通过梳理多合一站的电源特点，负荷容量，负荷特性，统筹考虑新建站与改造站的特点，对传统变电站站用电供电拓扑进行改造，形成一种适应多类型站，多输入多输出的交直流供电网络拓扑，实现站点资源充分利用，提升电网综合效率效益，满足城市建设对能源、环境的综合要求。
4.国外现状：以美国为代表的西方国家近年来对于大规模可再生能源、电池储能电站建设的投入巨大，建立了含不同组成形式的交直流混合电站，应用涵盖发电、辅助服务、输配电、用户端、分布式发电与微网、大规模可再生能源并网等领域，且对不同交直流混合电站的功能和作用进行了分类和界定，为大规模交直流混合电站的发展提供了导向。国外更多侧重于变电站、充放电站等单个电站的供电系统集成技术研究。
5.国内现状：目前国内外关于多站融合建设和联合运营方面的研究匮乏，交直流混合电站方面的研究与应用起步较晚，但随着能源结构调整与优化，相关关键技术得到快速发展和重视，目前国内已见变电站+储能等成功案例，但其供电系统的设计模式是变电站与其他系统只做供电连接，未见统一技术方案实现供电融合系统融合的案例。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种适用多合一站的交直流供电拓扑结构，能够满足变电站、数据中心、储能站的能源流融合供能需求，最大化利用相关资源，减少设备投入和土地资源的浪费，实现传统变电站正在向包含储能站、变电站、数据中心等多功能的综合能源站转型。
7.为了达到上述目的，本发明提供一种适用多合一变电站的交直流供电拓扑结构，用于新建变电站，包含：
8.两台站用变，连接站用交流母线；
9.若干个第一ac/dc模块，连接设置在站用交流母线和站用直流母线之间，站用交流母线、站用直流母线分别设有第一分段开关fd1和第二分段开关fd2；两台站用变分别连接
第一分段开关fd1两侧的站用交流母线；
10.静态转换开关sts、自动转换开关ats1～ats4、若干个dc/dc模块；
11.若干个v2g充电桩，分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；
12.若干个5g基站，分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；
13.若干个储能电池，通过对应的dc/dc模块分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线，不同的储能电池对应不同的dc/dc模块；
14.数据中心，数据中心的交流负荷通过ats4连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线；数据中心的直流负荷通过静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线。
15.优选的，所述适用多合一变电站的交直流供电拓扑结构还包含：
16.若干个照明负荷、若干个空调负荷、若干个监控负荷；所述照明负荷、空调负荷、监控负荷通过自动转换开关ats1连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线；
17.若干个控制保护负荷，所述控制保护负荷依序通过一个dc/dc模块、自动转换开关ats2连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线，若干个控制保护负荷对应同一个dc/dc模块；
18.若干个通信负荷，所述通信负荷依序通过一个dc/dc模块、自动转换开关ats3连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线，若干个通信负荷对应同一个dc/dc模块。
19.优选的，所述的适用多合一变电站的交直流供电拓扑结构还包含ups单元；所述ups单元包含第二ac/dc模块、dc/ac模块和旁路模块；
20.所述数据中心还包含第一电源分配单元pdu1、第二电源分配单元pdu2；
21.所述第二ac/dc模块的第一端通过自动转换开关ats4连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线；第二ac/dc模块的第二端连接dc/ac模块的第一端，dc/ac模块的第二端通过第一电源分配单元pdu1连接数据中心的交流负荷；第二ac/dc模块的第二端、dc/ac模块的第一端通过静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；数据中心的直流负荷依序通过第二电源分配单元pdu2、静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；
22.旁路模块的两端分别连接第二ac/dc模块的第一端、dc/ac模块的第二端。
23.优选的，所述适用多合一变电站的交直流供电拓扑结构还包含：
24.若干个用于为站外交流负荷供电的站外交流供电接口，所述站外交流供电接口连接第一分段开关fd1第一侧或第二侧的站用交流母线；
25.若干个用于为站外直流负荷供电的站外直流供电接口，所述站外交流供电接口连接第二分段开关fd2第一侧或第二侧的站用直流母线。
26.本发明还一种适用多合一变电站的交直流供电拓扑结构，用于改造传统变电站，包含：
27.传统变电站，所述传统变电站包含：第一站用变、第二站用变、若干个第一ac/dc模块；站用交流母线设有第一分段开关fd1，站用直流母线设有第二分段开关fd2；第一、第二站用变分别位于第一分段开关fd1两侧；所述第一ac/dc模块连接设置在站用交流母线和站用直流母线之间；
28.第一箱变和第二箱变，第一/第二箱变与第一/第二站用变并仓后接入站用交流母
线；
29.若干个v2g充电桩，分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；
30.若干个5g基站，分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；
31.若干个储能电池，通过对应的dc/dc模块分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线，不同的储能电池对应不同的dc/dc模块；
32.静态转换开关sts和若干个自动转换开关ats；
33.数据中心，数据中心的交流负荷通过对应的自动转换开关ats连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线；数据中心的直流负荷通过静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线。
34.优选的，所述传统变电站还包含：若干个第一交流负荷、若干个第二交流负荷、若干个直流负荷、蓄电池、第二ac/dc模块；
35.所述第二ac/dc模块的第一侧连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线，第二ac/dc模块的第二侧连接站用交流母线；
36.所述若干个直流负荷、蓄电池连接站用直流母线；
37.所述第一交流负荷连接第一分段开关fd1第一侧或第二侧的站用交流母线；
38.所述第二交流负荷通过对应的自动转换开关ats连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线，不同的第二交流负荷对应不同的自动转换开关ats。
39.优选的，所述适用多合一变电站的交直流供电拓扑结构还包含：
40.若干个用于为站外交流负荷供电的站外交流供电接口，所述站外交流供电接口连接第一分段开关fd1第一侧或第二侧的站用交流母线；
41.若干个用于为站外直流负荷供电的站外直流供电接口，所述站外交流供电接口连接第二分段开关fd2第一侧或第二侧的站用直流母线；
42.若干个新增第一交流负荷，所述新增第一交流负荷连接第一分段开关fd1第一侧或第二侧的站用交流母线；
43.若干个新增第二交流负荷，所述新增第二交流负荷通过对应的自动转换开关ats连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线，不同的新增第二交流负荷对应不同的自动转换开关ats；
44.若干个控制保护直流负荷，连接站用直流母线。
45.优选的，所述适用多合一变电站的交直流供电拓扑结构还包含ups模块；
46.所述数据中心还包含第一电源分配单元pdu1、第二电源分配单元pdu2；
47.所述ups模块包含：第三ac/dc模块、dc/ac模块、旁路模块；
48.所述第三ac/dc模块的第一端通过与数据中心对应的自动转换开关ats连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线；第三ac/dc模块的第二端连接dc/ac模块的第一端，接dc/ac模块的第二端通过第一电源分配单元pdu1连接数据中心的交流负荷；第三ac/dc模块的第二端、dc/ac模块的第一端通过静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；数据中心的直流负荷依序通过第二电源分配单元pdu2、静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；
49.旁路模块的两端分别连接第三ac/dc模块的第一端、dc/ac模块的第二端。
50.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
51.1)本发明的交直流供电拓扑结构能够满足变电站、数据中心、储能站的能源流融合供能需求，实现最大化利用相关资源，减少设备投入和土地资源的浪费，实现传统变电站正在向包含储能站、变电站、数据中心等多功能的综合能源站转型；
52.2)本发明综合考虑了数据中心站、储能电站、充电站现有不同供电系统架构及电能质量和高可靠性要求、面向电网侧/发电侧储能电站功能需求，以及交直流充电桩工作电压类型，本发明的交直流供电拓扑结构，实现了数据中心站、储能电站、充电站等一体化供电系统运行深度融合。
53.2)本发明研究了ups对电池的要求、ups与储能电池直流母线的适配性方案、储能电池作为ups直流电源的可靠性与可行性，本发明的交直流供电拓扑结构满足了电池融合需求。新建站储能电站使用了大容量储能锂电池，并划分部分电池容量供ups使用，不再单独设立铅酸电池，减少了项目投资，节省了ups占用面积，使得能源利用更加充分。同时，储能锂电池能够对储能电站的电能起到平峰填谷的作用，保障供电平稳、安全。
附图说明
54.为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
55.图1为本发明的用于新建变电站的交直流供电拓扑结构示意图；
56.图2为本发明的用于改造传统变电站的交直流供电拓扑结构示意图；
57.图3为本发明的用于新建变电站的拓扑结构中，数据中心、ups模块连接站用交流母线、站用直流母线示意图；
58.图4为本发明的用于新建变电站的拓扑结构中，储能电池与站用交流、直流母线、ups模块融合示意图；
59.图5为本发明的用于改造传统电站的拓扑结构中，数据中心、ups模块连接站用交流母线、站用直流母线示意图；
具体实施方式
60.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
61.如图1、图3、图4所示，本发明提供一种适用多合一变电站的交直流供电拓扑结构，用于新建变电站，包括：两台站用变，若干个第一ac/dc模块，静态转换开关sts、自动转换开关ats1～ats4、若干个dc/dc模块，若干个v2g充电桩，若干个5g基站，若干个储能电池，数据中心，若干个照明负荷、若干个空调负荷、若干个监控负荷，ups单元，若干个站外交流供电接口，若干个站外直流供电接口。
62.所述两台站用变，连接站用交流母线；两台站用变的电压为400v,站用交流母线的电压为380v，为了兼顾站用交流母线末端的电压不会过低，因此站用变的电压略高于站用交流母线电压。站用直流母线电压为
±
375v。
63.所述若干个第一ac/dc模块连接设置在站用交流母线和站用直流母线之间，转换站用交流母线的交流电能为站用直流母线的直流电能。站用交流母线、站用直流母线分别设有第一分段开关fd1和第二分段开关fd2；两台站用变分别连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线。
64.所述若干个v2g(vehicle
‑
to
‑
grid车辆到电网)充电桩分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；电动汽车通过所述v2g充电桩获取第一直流电能。
65.若干个5g基站，分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；通过站用直流母线为所述5g基站提供工作电能。
66.若干个储能电池，通过对应的dc/dc模块分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线，不同的储能电池对应不同的dc/dc模块。在本发明的实施例中，所述储能电池为锂电池，通过锂电池存储站用直流母线的直流电能，或向站用直流母线提供锂电池存储的电能。
67.如图1所示，所述照明负荷、空调负荷、监控负荷通过自动转换开关ats1连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线；
68.若干个控制保护负荷，所述控制保护负荷依序通过一个dc/dc模块、自动转换开关ats2连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线，若干个控制保护负荷对应同一个dc/dc模块；
69.若干个通信负荷，所述通信负荷依序通过一个dc/dc模块、自动转换开关ats3连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线，若干个通信负荷对应同一个dc/dc模块。
70.如图1所示，所述站外交流供电接口用于为站外交流负荷供电，连接第一分段开关fd1第一侧或第二侧的站用交流母线；
71.所述站外交流供电接口用于为站外直流负荷供电，连接第二分段开关fd2第一侧或第二侧的站用直流母线。
72.如图3、图4所示，所述数据中心包含第一电源分配单元pdu1(power distribution unit)、第二电源分配单元pdu2、数据中心的交流负荷、数据中心的直流负荷。所述ups单元包含第二ac/dc模块、dc/ac模块和旁路模块、维修旁路。
73.所述第二ac/dc模块的第一端通过自动转换开关ats4连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线；第二ac/dc模块的第二端连接dc/ac模块的第一端，dc/ac模块的第二端通过第一电源分配单元pdu1连接数据中心的交流负荷；第二ac/dc模块的第二端、dc/ac模块的第一端通过静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；数据中心的直流负荷依序通过第二电源分配单元pdu2、静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；旁路模块、维修旁路的两端分别连接第二ac/dc模块的第一端、dc/ac模块的第二端。
74.数据中心作为多合一站的重要而特殊的负荷之一,其供电保障方式的配置必须既符合gb50052
‑
2009的要求,又必须满足gb50174
‑
2008的定义及条款要求。按规范要求，数据中心的供电分为市电动力配电供电和ups供电两部分。市电动力配电主要用于供给机房精密空调设备、普通照明和给排风、维修插座、一般动力、ups设备等。市电动力配电采用50hz交电，380/220v三相电源。
75.数据中心采用分属不同站用变下的交流380/220v(常供)和直流
±
375v(后备)双
路供电，在两台站变同时故障，或一台站变及下属储能单元同时故障，可实现无缝切换不停电。每一路市电电源的供电容量应能满足全部一、二级负荷的需求，包括ups电源系统、机房精密空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备中的一、二级负荷。两路市电电源的供电容量应为全冗余，正常时应同时供电运行，两路电源在负荷设备输入端自动切换。
76.ups配电主要用于计算机设备、服务器、小型机、存储、网络设备、保安监控设备等。本发明利用储能电池搭建站级ups电源，显著提高供电可靠性。数据中心采用双冗余方式供电，站用直流双母线(分段开关fs2两侧的母线)作为备用电源通过静态转换开关sts接入数据中心，sts转换时间小于5ms。
77.如图4所示，本发明中将储能电池融合到变电站中，目的在于利用储能电站大容量储能锂电池，划分部分电池容量供ups使用，不再单独设立铅酸电池，减少了项目投资，节省了ups占用面积，使得能源利用更加充分。按“经济优先”的原则，储能电站的功能应定位于为数据中心和变电站移峰填谷，同时兼顾替代ups电池。
78.储能电池与电站融合如图4所示。正常运行时，站用交流母线的交流电能分为两部分，一路经过第一ac/dc模块向连接站用直流母线的各个负荷(5g基站等)供电；另一路通过站用直流母线进入储能电池，用于补充储能电站的自发电产生的损失。市电故障时，储能电池的直流电能经过逆变器dc/ac后向数据中心的交流负荷供电、或直接向数据中心的直流负荷供电。通过储能电池，可以发挥移峰填谷功能。在用电低谷时段，站用直流母线经第一ac/dc模块向储能电站的储能电池充电；在用电高峰时段，储能电站的储能电池经第一ac/dc向站用交流母线放电。储能电站任何时候均保证数据中心30min备电容量，剩余容量用于向变电站和数据中心移峰填谷。
79.ups单元工作正常时，由380/220站用交流母线供电，经第二ac/dc、dc/ac向数据中心的交流负荷供电，经第二ac/dc向数据中心的直流负荷供电。当ups逆变部件dc/ac故障时，自动切换至ups旁路模块供电，保证负荷不失电。当需要检修ups单元的第二ac/dc模块、dc/ac模块、旁路模块时，通过维修旁路向数据中心供电。
80.本发明还提供一种适用多合一变电站的交直流供电拓扑结构，用于改造传统变电站，如图2所示，包含：传统变电站，第一箱变和第二箱变，若干个v2g充电桩，若干个5g基站，若干个储能电池，静态转换开关sts和若干个自动转换开关ats，数据中心若干个站外交流供电接口，若干个站外直流供电接口，若干个新增第一交流负荷，若干个新增第二交流负荷，若干个控制保护直流负荷，ups模块。
81.如图2所示，所述传统变电站包含：第一站用变、第二站用变、若干个第一ac/dc模块，第二ac/dc模块，若干个第一交流负荷、若干个第二交流负荷、若干个直流负荷、蓄电池。站用交流母线设有第一分段开关fd1，站用直流母线设有第二分段开关fd2，第一、第二站用变分别位于第一分段开关fd1两侧，所述第一ac/dc模块连接设置在站用交流母线和站用直流母线之间。本发明的实施例中，所述蓄电池为铅酸电池。
82.所述第二ac/dc模块的第一侧连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线，第二ac/dc模块的第二侧连接站用交流母线。
83.所述若干个直流负荷、蓄电池连接站用直流母线。
84.所述第一交流负荷连接第一分段开关fd1第一侧或第二侧的站用交流母线。
85.所述第二交流负荷通过对应的自动转换开关ats连接第一分段开关fd1两侧的站
用交流母线，不同的第二交流负荷对应不同的自动转换开关ats。
86.第一/第二箱变与第一/第二站用变并仓后接入站用交流母线；第一/第二箱变作为第一/第二站用变的备用设备。
87.所述若干个v2g充电桩，分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；电动汽车通过所述v2g充电桩获取第一直流电能；
88.所述若干个5g基站，分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；通过站用直流母线为所述5g基站提供工作电能；
89.所述若干个储能电池，通过对应的dc/dc模块分别连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线，在本发明的实施例中，储能电池为锂电池。
90.所述站外交流供电接口用于为站外交流负荷供电，连接第一分段开关fd1第一侧或第二侧的站用交流母线；
91.所述站外交流供电接口用于为站外直流负荷供电，连接第二分段开关fd2第一侧或第二侧的站用直流母线；
92.所述新增第一交流负荷连接第一分段开关fd1第一侧或第二侧的站用交流母线；
93.所述新增第二交流负荷通过对应的自动转换开关ats连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线，不同的新增第二交流负荷对应不同的自动转换开关ats；
94.所述控制保护直流负荷，连接站用直流母线。
95.如图5所示，所述数据中心包含第一电源分配单元pdu1(power distribution unit)、第二电源分配单元pdu2、数据中心的交流负荷、数据中心的直流负荷。所述ups单元包含第三ac/dc模块、dc/ac模块和旁路模块、维修旁路。
96.所述第三ac/dc模块的第一端通过自动转换开关ats4连接第一分段开关fd1两侧的站用交流母线；第三ac/dc模块的第二端连接dc/ac模块的第一端，dc/ac模块的第二端通过第一电源分配单元pdu1连接数据中心的交流负荷；第三ac/dc模块的第二端、dc/ac模块的第一端通过静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；数据中心的直流负荷依序通过第二电源分配单元pdu2、静态转换开关sts连接第二分段开关fd2两侧的站用直流母线；旁路模块、维修旁路的两端分别连接第三ac/dc模块的第一端、dc/ac模块的第二端。
97.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。