本發(fā)明涉及配電網(wǎng)中變電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種混合型電力電子變電站。

背景技術(shù)：

隨著用戶側(cè)信息設(shè)備(如數(shù)據(jù)中心、計(jì)算機(jī)與微處理器、通信系統(tǒng)設(shè)備、智能終端、傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò))、電動汽車的動力電池、半導(dǎo)體照明等直流用電設(shè)備的增多、交流敏感負(fù)荷(主要指個(gè)人計(jì)算機(jī)、可編程邏輯器件、可調(diào)速驅(qū)動裝置、交流接觸器、高壓氣體放電燈、以及用于切割、鉆孔與金屬處理等的精加工自動裝置或復(fù)雜機(jī)械來等用電設(shè)備)對電能質(zhì)量要求的提高、以及各種分布式可再生能源發(fā)電(生物質(zhì)能、風(fēng)能、水能、太陽能等)和儲能等設(shè)備的廣泛應(yīng)用，配電網(wǎng)也由之前單純地由上層輸電網(wǎng)的交流電輸入，到用戶側(cè)的交流電輸出的電力供應(yīng)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰尤敕植际桨l(fā)電、電動汽車、儲能等設(shè)備，以及為交流敏感用戶提供定制電力的復(fù)雜電力調(diào)配模式，形成了交、直混合配電網(wǎng)。然而，由于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)不能為新型電力用戶提供直流輸入輸出接口和高質(zhì)量的電力，因此新型電力用戶不得不在與配電網(wǎng)連接處安裝換流或?yàn)V波設(shè)備。而這些以滿足用戶用電個(gè)性化需求且分散運(yùn)行的換流或?yàn)V波設(shè)備，存在著總體效率低以及配電網(wǎng)對其進(jìn)行調(diào)控困難的問題。

配電網(wǎng)中的變電站，作為連接上級電網(wǎng)與電力用戶的橋梁，當(dāng)站內(nèi)采用新型的變壓(含變流的功能)設(shè)備以及采用多樣化的接線方式時(shí)，可以為電力用戶提供交流電和直流電，最為重要的是可以接受配電網(wǎng)調(diào)控中心的控制。這將大大提高配電網(wǎng)層面上的整體運(yùn)行水平以及安全穩(wěn)定性，同時(shí)滿足電力用戶層面定制電力和接入方便友好的需求。為此，電力電子變電站由之前的概念設(shè)計(jì)，正在逐步向示范工程的方向推進(jìn)。而電力電子變電站中的核心設(shè)備——電力電子變壓器，采用的是ac/dc/ac/dc/ac五級變換拓?fù)洌湓靸r(jià)極為昂貴。這對于商業(yè)化運(yùn)營的電力公司來說，是不得不認(rèn)真考慮的問題。

需要指出的是，廣大的電力用戶，對電力供應(yīng)或接入要求，事實(shí)上存在著很大的差異性。主要表現(xiàn)在新型電力用戶希望配電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)電力，或者是方便的直流接口，但還有絕大部分傳統(tǒng)電力用戶仍然使用傳統(tǒng)的交流電。在這種情況下，如果配電網(wǎng)在變電站中普遍采用費(fèi)用昂貴的電力電子變壓器，盡管能夠?yàn)椴糠中滦碗娏τ脩籼峁└哔|(zhì)量的電能或方便的直流輸入輸出接口。但由于居高的設(shè)備成本，將會影響到電價(jià)水平，可能導(dǎo)致用電費(fèi)用的普遍增加。這對于無特殊用電需要的傳統(tǒng)電力用戶來說，是極為不合理的。而對于電力公司來說，電力電子變電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性也值得質(zhì)疑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種混合型電力電子變電站，它能為多樣化電力需求用戶提供不同的接口以及高質(zhì)量的電能，且保證配電網(wǎng)中變電站的投資建設(shè)符合商業(yè)化運(yùn)營的理念。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種混合型電力電子變電站，其特征在于：其包括一次系統(tǒng)；所述一次系統(tǒng)包括一混合型電力電子變壓器以及由若干斷路器和隔離開關(guān)構(gòu)成的變電站開關(guān)裝置；所述混合型電力電子變壓器的高壓側(cè)通過高壓交流母線與上層電網(wǎng)的進(jìn)線相連，低壓側(cè)通過低壓母線與各類交、直流負(fù)載出線以及直流輸入輸出接口相連；所述低壓母線包括傳統(tǒng)低壓交流母線、定制低壓交流母線和低壓直流母線，且所述傳統(tǒng)低壓交流母線的輸入側(cè)與所述混合型電力電子變壓器的傳統(tǒng)低壓交流出口相連，輸出側(cè)與各并聯(lián)的傳統(tǒng)低壓交流負(fù)載出線相連；所述定制低壓交流母線的輸入側(cè)與所述混合型電力電子變壓器的定制低壓交流出口相連，輸出側(cè)與各并聯(lián)的定制低壓交流負(fù)載出線相連；所述低壓直流母線的輸入側(cè)與所述混合型電力電子變壓器的低壓直流出口相連，輸出側(cè)與各并聯(lián)的低壓直流負(fù)載出線以及各直流輸入輸出接口相連。

所述混合型電力電子變壓器包括一傳統(tǒng)變壓器和一變流器；且所述傳統(tǒng)變壓器和變流器之間采用同一個(gè)副邊繞組形式或各自采用獨(dú)立的副邊繞組形式。

所述采用同一個(gè)副邊繞組形式是指：所述傳統(tǒng)變壓器與所述換流器采用同一個(gè)副邊繞組；即所述傳統(tǒng)變壓器的原邊與交流電源相連形成一次側(cè)交變電流，所述一次側(cè)交變電流在所述傳統(tǒng)變壓器的副邊上形成二次側(cè)輸出交流電壓vout1，作為所述混合型電力電子變壓器的傳統(tǒng)低壓交流出口；所述換流器中ac/dc變換器所使用的交流電源直接從所述傳統(tǒng)變壓器的副邊處獲取，由所述ac/dc變換器將所述二次側(cè)輸出交流電壓vout1轉(zhuǎn)換為低壓直流電vout2，作為所述混合型電力電子變壓器的低壓直流出口；所述換流器中dc/ac變換器將由所述ac/dc變換器的輸出端獲取的低壓直流電vout2轉(zhuǎn)換為定制低壓交流電vout3，作為所述混合型電力電子變壓器的定制低壓交流出口。

所述采用獨(dú)立的副邊繞組形式是指：所述傳統(tǒng)變壓器與所述換流器分別采用不同的副邊繞組；所述傳統(tǒng)變壓器的原邊與交流電源相連形成一次側(cè)交變電流，所述一次側(cè)交變電流在所述傳統(tǒng)變壓器的副邊上形成二次側(cè)輸出交流電壓vout1，作為所述混合型電力電子變壓器的傳統(tǒng)低壓交流出口；所述一次側(cè)交變電流在所述換流器的副邊繞組上形成二次側(cè)輸出交流電壓v′out1，所述換流器中ac/dc變換器將二次側(cè)輸出交流電壓v′out1轉(zhuǎn)換為低壓直流電vout2，作為所述混合型電力電子變壓器的低壓直流出口；所述換流器中dc/ac變換器所使用的直流電從所述ac/dc變換器的輸出端獲取，將低壓直流電vout2轉(zhuǎn)換為低壓敏感交流電vout3，作為所述混合型電力電子變壓器的定制低壓交流出口。

所述變電站還包括一變電站自動化系統(tǒng)，所述變電站自動化系統(tǒng)用于對全站所有設(shè)備進(jìn)行控制。

所述變電站開關(guān)裝置包括若干斷路器以及設(shè)置在各所述斷路器兩端的若干隔離開關(guān)，各所述斷路器和隔離開關(guān)均通過信號線與所述變電站自動化系統(tǒng)相連，由所述變電站自動化系統(tǒng)控制。

所述斷路器包括兩高壓交流斷路器、若干低壓交流斷路器以及若干低壓直流斷路器，其中，兩所述高壓交流斷路器分別設(shè)置在所述高壓交流母線與上層電網(wǎng)進(jìn)線的連接處以及與所述混合電力電子變壓器的輸入側(cè)連接處；各所述低壓交流斷路器分別設(shè)置在所述傳統(tǒng)低壓交流母線與所述混合型電力電子變壓器的傳統(tǒng)低壓交流出口連接處和各所述傳統(tǒng)低壓交流負(fù)載出線連接處，以及所述定制低壓交流母線與所述混合型電力電子變壓器的定制低壓交流出口連接處和各所述定制低壓交流負(fù)載出線連接處；各所述低壓直流斷路器分別設(shè)置在所述低壓直流母線與所述混合型電力電子變壓器的低壓直流出口連接處和各所述低壓直流負(fù)載出線和各直流輸入輸出接口連接處。

所述傳統(tǒng)低壓交流母線上還連接有就地測量與控制設(shè)備，就地測量與控制設(shè)備包括相互串聯(lián)的用于限制故障電流并保證傳統(tǒng)低壓交流母線上電壓水平的電感式限流電抗器和無功補(bǔ)償器。

所述低壓直流母線輸出側(cè)連接的低壓直流輸入輸出接口包括風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電進(jìn)線接口以及電動汽車、儲能裝置或其他具有發(fā)電和用電雙向特性的相應(yīng)設(shè)備進(jìn)/出線接口。

所述定制低壓交流母線輸出側(cè)連接的各定制低壓交流負(fù)載出線的另一端分別與各交流敏感用戶提供定制電力。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)本發(fā)明由于采用傳統(tǒng)變壓器和變流器構(gòu)成混合型電力電子變壓器，傳統(tǒng)變壓器用于將上層高壓交流電轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)低壓交流電，變流器用于將傳統(tǒng)低壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流或定制低壓交流電，能夠同時(shí)滿足多樣化電力用戶的用電需求。2)本發(fā)明由于混合型電力電子變電站可直接為各類型電力用戶提供所需的傳統(tǒng)低壓交流電、定制低壓交流電或直流電，且為各類型電力用戶供電時(shí)無需采用其他換流或?yàn)V波設(shè)備，變電站內(nèi)所有設(shè)備均可以由變電站自動化系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行控制，大大增加了電力電子變電站運(yùn)行的靈活性與可控性，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于換流或?yàn)V波設(shè)備的接入導(dǎo)致的總體效率低以及配電網(wǎng)對其進(jìn)行調(diào)控困難的問題。3)本發(fā)明由于混合型電力電子變壓器由傳統(tǒng)變壓器和變流器構(gòu)成，而傳統(tǒng)變壓器和變流器等設(shè)備均通過了長期的運(yùn)行考驗(yàn)，其可靠性高，價(jià)格低，性能好，有效降低了變電站系統(tǒng)的建設(shè)成本。因而，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于電力電子變電站的建設(shè)中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明混合型電力電子變電站的主接線圖；

圖2(a)為本發(fā)明采用共用副邊繞組形式的混合型電力電子變壓器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(b)為本發(fā)明采用獨(dú)立副邊繞組形式的混合型電力電子變壓器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明混合型電力電子變電站的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明混合型電力電子變電站包括一次系統(tǒng)；一次系統(tǒng)包括一混合型電力電子變壓器1以及由若干斷路器和隔離開關(guān)構(gòu)成的變電站開關(guān)裝置2。其中，混合型電力電子變壓器1的高壓側(cè)通過高壓交流母線3與上層電網(wǎng)的進(jìn)線4相連，低壓側(cè)通過低壓母線5與各類交、直流負(fù)載出線以及各直流輸入輸出接口相連。低壓母線5包括傳統(tǒng)低壓交流母線51、定制低壓交流母線52和低壓直流母線53，且傳統(tǒng)低壓交流母線51的輸入側(cè)與混合型電力電子變壓器1的傳統(tǒng)低壓交流出口相連，輸出側(cè)與各并聯(lián)的傳統(tǒng)低壓交流負(fù)載出線6相連；定制低壓交流母線52的輸入側(cè)與混合型電力電子變壓器1的定制低壓交流出口相連，輸出側(cè)與各并聯(lián)的定制低壓交流負(fù)載出線7相連；低壓直流母線53的輸入側(cè)與混合型電力電子變壓器1的低壓直流出口相連，輸出側(cè)與各并聯(lián)的低壓直流負(fù)載出線8以及各直流輸入輸出接口9相連。

如圖2(a)、圖2(b)所示，一次系統(tǒng)中混合型電力電子變壓器1包括一傳統(tǒng)變壓器和一變流器。其中，傳統(tǒng)變壓器和換流器之間采用同一個(gè)副邊繞組形式(圖2(a)所示)或各自采用獨(dú)立的副邊繞組形式(圖2(b)所示)。具體的，同一個(gè)副邊繞組形式為：傳統(tǒng)變壓器與換流器采用同一個(gè)副邊繞組，傳統(tǒng)變壓器的原邊(圖2(a)中a1，a2)與交流電源ui相連形成一次側(cè)交變電流，一次側(cè)交變電流在傳統(tǒng)變壓器的副邊(圖2(a)中b1，b2)上形成二次側(cè)輸出交流電壓vout1，作為混合型電力電子變壓器1的傳統(tǒng)低壓交流出口。換流器與傳統(tǒng)變壓器共用同一個(gè)副邊，也即換流器中ac/dc變換器所使用的交流電源直接從傳統(tǒng)變壓器的副邊處獲取，由ac/dc變換器將二次側(cè)輸出交流電壓vout1轉(zhuǎn)換為低壓直流電vout2，作為混合型電力電子變壓器1的低壓直流出口。換流器中dc/ac變換器所使用的直流電從ac/dc變換器的輸出端獲取，將低壓直流電vout2轉(zhuǎn)換為定制低壓交流電vout3，作為混合型電力電子變壓器1的定制低壓交流出口。

獨(dú)立的副邊繞組形式為：傳統(tǒng)變壓器與換流器各自采用不同的副邊繞組，傳統(tǒng)變壓器的原邊與交流電源ui相連形成一次側(cè)交變電流，一次側(cè)交變電流在傳統(tǒng)變壓器的副邊繞組上形成二次側(cè)輸出交流電壓vout1，作為混合型電力電子變壓器1的傳統(tǒng)低壓交流出口。一次側(cè)交變電流在換流器的副邊繞組(圖2(b)中c1，c2)上形成二次側(cè)輸出交流電壓v′out1，換流器中ac/dc變換器將二次側(cè)輸出交流電壓v′out1轉(zhuǎn)換為低壓直流電vout2，作為混合型電力電子變壓器1的低壓直流出口。換流器中dc/ac變換器所使用的直流電從ac/dc變換器的輸出端獲取，將低壓直流電vout2轉(zhuǎn)換為定制低壓交流電vout3，作為混合型電力電子變壓器1的定制低壓交流出口。

變電站開關(guān)裝置2包括若干斷路器21以及設(shè)置在各斷路器21兩端的若干隔離開關(guān)22，各斷路器21和隔離開關(guān)22均通過信號線與變電站自動化系統(tǒng)相連，由變電站自動化系統(tǒng)控制。斷路器21包括兩高壓交流斷路器211、若干低壓交流斷路器212以及若干低壓直流斷路器213，其中，兩高壓交流斷路器211分別設(shè)置在高壓交流母線3與上層電網(wǎng)進(jìn)線4的連接處以及與混合電力電子變壓器1的輸入側(cè)連接處；各低壓交流斷路器212分別設(shè)置在傳統(tǒng)低壓交流母線51與混合型電力電子變壓器1的傳統(tǒng)低壓交流出口連接處和各傳統(tǒng)低壓交流負(fù)載出線6連接處，以及定制低壓交流母線52與混合型電力電子變壓器1的定制低壓交流出口連接處和各定制低壓交流負(fù)載出線7連接處；各低壓直流斷路器213分別設(shè)置在低壓直流母線53與混合型電力電子變壓器1的低壓直流出口連接處和各低壓直流負(fù)載出線8和各直流輸入輸出接口9連接處。

如圖3所示，本發(fā)明混合型電力電子變電站還包括一變電站自動化系統(tǒng)，用于對全站所有設(shè)備進(jìn)行控制。該變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參照傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括變電站調(diào)度層(站控層)、設(shè)備間協(xié)調(diào)保護(hù)層(間隔層/單元層)和單設(shè)備控制保護(hù)層(過程層)，且各層之間雙向通信，相互協(xié)調(diào)。變電站調(diào)度層用于對站內(nèi)所有被控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以及與調(diào)度中心的通信。設(shè)備間協(xié)調(diào)保護(hù)層用于對本間隔內(nèi)所有被控設(shè)備進(jìn)行就地監(jiān)測和控制，以及與變電站調(diào)度層的協(xié)調(diào)與控制。單設(shè)備控制保護(hù)層用于對過程層被控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動監(jiān)測與控制，以及與設(shè)備間協(xié)調(diào)保護(hù)層的協(xié)調(diào)與控制。其中，被控設(shè)備包括混合型電力電子變壓器、各類交/直流斷路器、各隔離開關(guān)、電感型限流電抗器、無功補(bǔ)償電容器、電動汽車、儲能設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電接口等。

上述實(shí)施例中，傳統(tǒng)低壓交流母線51上還連接有就地測量與控制設(shè)備，就地測量與控制設(shè)備包括相互串聯(lián)的用于限制故障電流并保證傳統(tǒng)低壓交流母線上電壓水平的電感式限流電抗器和無功補(bǔ)償器。

上述各實(shí)施例中，低壓直流母線53輸出側(cè)連接的低壓直流輸入輸出接口9包括風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電進(jìn)線接口以及電動汽車、儲能裝置或其他具有發(fā)電和用電雙向特性的相應(yīng)設(shè)備進(jìn)/出線接口。

本發(fā)明在使用時(shí)，從上層電網(wǎng)送來的高壓交流電，由進(jìn)線經(jīng)高壓交流母線進(jìn)入一次系統(tǒng)中混合型電力電子變壓器的高壓側(cè)。

混合型電力電子變壓器1的功能包括兩部分，一是傳統(tǒng)的交流變壓，用于實(shí)現(xiàn)交流電從高壓到低壓的轉(zhuǎn)換，二是在變壓的基礎(chǔ)上，增加換流器，用于實(shí)現(xiàn)交流到直流的變換，以及進(jìn)一步的直流對交流的變換。其中，換流器是采用電力電子器件igbt組成的變換電路，其控制采用脈沖寬度調(diào)制(pwm，pulse-width-modulation)來實(shí)現(xiàn)，從而可以保證輸出的直流，以及交流，可以滿足規(guī)定的要求，如紋波電壓、諧波含量等，具有潮流控制、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力。

本發(fā)明以同一個(gè)副邊繞組形式為例進(jìn)行介紹，混合型電力電子變壓器中傳統(tǒng)變壓器首先對高壓交流電進(jìn)行降壓，將高壓交流電降為低壓交流電vout1，然后分為兩路，一路作為傳統(tǒng)低壓交流出口，并通過傳統(tǒng)低壓交流母線為各類傳統(tǒng)低壓負(fù)載提供傳統(tǒng)低壓交流電。另一路低壓交流電通過換流器完成ac/dc/ac的換流，從換流器的交流側(cè)輸出高質(zhì)量的定制低壓交流也即vout3，作為定制低壓交流出口，并通過定制低壓交流母線為各類定制低壓交流負(fù)載提供定制交流電。從換流器的直流側(cè)輸出低壓直流電也即vout2，作為低壓直流出口，通過低壓直流母線與各類直流負(fù)載或直流接口設(shè)備相連。

變電站自動化系統(tǒng)對站內(nèi)所有被控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并通過分層控制，將監(jiān)測信息，通過站內(nèi)的通信方式(如光纖或局域網(wǎng))進(jìn)行傳遞，最后按照擬定的控制保護(hù)策略實(shí)施控制，保證全站運(yùn)行的可靠性與靈活性。當(dāng)變電站故障或檢修時(shí)，由變電站自動化系統(tǒng)控制切換變電站開關(guān)裝置2中的斷路器21和隔離開關(guān)22，進(jìn)而切斷變電站與上級電網(wǎng)，或混合型電力電子變壓器1與高壓交流母線3、各低壓母線5，或低壓側(cè)所有連接對象與變電站的電氣聯(lián)系，以保證變電站內(nèi)的運(yùn)行安全?？紤]到電氣安全的因素，在斷路器斷開時(shí)，兩側(cè)的隔離開關(guān)必須動作，形成物理上有明顯斷開點(diǎn)，以保證運(yùn)行維護(hù)人員的人身安全。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。