本發(fā)明涉及智能配電網(wǎng)接入技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種柔性中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計方法及相應(yīng)的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著新能源發(fā)電和電網(wǎng)負荷類型的發(fā)展，基于柔性直流技術(shù)的智能配電網(wǎng)已成為城市新型配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的分析和設(shè)計是系統(tǒng)規(guī)劃、能源管理、控制保護策略、絕緣配合研究的基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)外針對直流配電網(wǎng)的研究主要集中在拓撲結(jié)構(gòu)、控制方式、電壓等級和保護等方面，對基于柔性直流技術(shù)的智能配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)一分析和設(shè)計方法研究較少。直流輸電的系統(tǒng)架構(gòu)相對簡單，傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)通過換流變壓器與交流電網(wǎng)之間實現(xiàn)連接，柔性直流輸電系統(tǒng)一般通過聯(lián)接變壓器與交流電網(wǎng)相連接，而沒有其他接入對象。

柔性直流中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，目前還沒有形成統(tǒng)一的標準，雖然可以參考高壓直流輸電系統(tǒng)和柔性直流輸電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)連接方式的設(shè)計思路和原則，但由于基于柔性直流技術(shù)的智能配電網(wǎng)在拓撲結(jié)構(gòu)上與高壓直流輸電和柔性直流輸電系統(tǒng)有較大的不同，其直流線路的負荷包括了交/直流敏感負荷、含分布式電源的交/直流微網(wǎng)以及儲能裝置等，因此柔性中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的分析和設(shè)計方法需要專門分析和驗證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種柔性中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)一分析和設(shè)計方法及相應(yīng)的系統(tǒng)，能夠為直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)劃、能源管理、控制保護策略、絕緣配合研究等提供參考。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供了一種柔性中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計方法，所述方法包括：

a、梳理柔性中壓直流配電網(wǎng)的應(yīng)用方向和需求，確定所述柔性中壓直流配電網(wǎng)的接入對象；根據(jù)接入對象的類型、電壓等級和容量，確定柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路結(jié)構(gòu)、電壓等級和容量；

b、根據(jù)系統(tǒng)運行要求，確定柔性中壓直流配電網(wǎng)的運行方式；根據(jù)所述柔性中壓直流配電網(wǎng)的運行方式，確定各類換流器的運行方式及技術(shù)要求；

c、根據(jù)各類換流器的運行方式及技術(shù)要求，對各類換流器進行選型，明確主換流器的拓撲結(jié)構(gòu)；

d、根據(jù)柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路結(jié)構(gòu)和主換流器拓撲結(jié)構(gòu)，對主接線方式進行選型，明確主接線方式；

e、根據(jù)柔性中壓直流配電網(wǎng)的主接線方式以及系統(tǒng)可靠性需求，對接線方式進行選型，明確接地方式。

優(yōu)選地，所述步驟a中的接入對象包括：無功率反送的交流敏感負荷、有功率反送的交流微網(wǎng)、無功率反送的直流微網(wǎng)、有功率反送的大容量儲能；所述柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路結(jié)構(gòu)為具有兩個獨立交流電源的“手拉手”直流配電網(wǎng)絡(luò)拓撲，中壓直流電壓等級±10kV，容量25MW。

優(yōu)選地，所述步驟b中的柔性中壓直流配電網(wǎng)的運行方式包括：雙端供電運行方式、單換流器運行方式、雙端隔離運行方式、功率支援運行方式、STATCOM運行方式。

優(yōu)選地，所述步驟c中主換流器主要包括：連接交流配電網(wǎng)與中壓直流配電網(wǎng)的VSC換流器，連接中壓直流配電網(wǎng)和低壓直流配電網(wǎng)的直流變壓器；所述的VSC換流器的拓撲結(jié)構(gòu)包括：兩電平換流器、三電平換流器和模塊化多電平換流器；所述的直流變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)包括：器件串聯(lián)直流變壓器、多重化直流變壓器和模塊化多電平直流變壓器。

優(yōu)選地，所述步驟d中主接線方式主要包括：單極不對稱接線方式、單極對稱接線方式和雙極接線方式。

優(yōu)選地，所述步驟e中接地方式主要包括：交流側(cè)接地和直流側(cè)接地，以及高阻接地和低阻接地；當(dāng)直流側(cè)存在接地點時，優(yōu)先選擇直流側(cè)接地；當(dāng)直流側(cè)不存在接地點時，優(yōu)先選擇交流側(cè)接地；當(dāng)可靠性要求較高時，選擇高阻接地，保證單極短路故障時系統(tǒng)持續(xù)運行，否則選擇低阻接地。

實施本發(fā)明實施例，具有如下有益效果：

在本發(fā)明實施例中，由于通過柔性中壓直流配電網(wǎng)的應(yīng)用方向和需求，確定所述柔性中壓直流配電網(wǎng)的接入對象，從而確定柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路結(jié)構(gòu)、電壓等級和容量。并根據(jù)系統(tǒng)運行要求，確定柔性中壓直流配電網(wǎng)的運行方式，以及確定各類換流器的運行方式及技術(shù)要求。根據(jù)各類換流器的運行方式及技術(shù)要求，對各類換流器進行選型，明確主換流器的拓撲結(jié)構(gòu)并對主接線方式進行選型，明確主接線方式。根據(jù)主接線方式以及系統(tǒng)可靠性需求，對接線方式進行選型，明確接地方式。本發(fā)明根據(jù)柔性中壓直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)運行要求，通過預(yù)設(shè)的分析軟件對主換流器電氣量參數(shù)進行計算，對主換流器區(qū)域接線進行設(shè)計，從而得到所需柔性中壓直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，為直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)劃、能源管理、控制保護策略、絕緣配合研究等提供了參考。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖仍屬于本發(fā)明的范疇。

圖1為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計方法的流程圖；

圖2（a）為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)接入輸電系統(tǒng)的應(yīng)用方向；

圖2（b）為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用方向；

圖3為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)的接入對象；

圖4為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路結(jié)構(gòu)；

圖5為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)的換流器運行方式及技術(shù)要求；

圖6為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)的換流器VSC1和VSC2拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)的換流器VSC3拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)的換流器UVSC拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)的換流器DCSST拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)的換流器UDCSST拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為本發(fā)明實施例提供的柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路接線和接地方式。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細描述。

如圖1所示，為本發(fā)明實施例中，提供的一種柔性中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計方法。

在步驟S10中，梳理柔性中壓直流配電網(wǎng)的應(yīng)用方向和需求，確定所述柔性中壓直流配電網(wǎng)的接入對象；根據(jù)接入對象的類型、電壓等級和容量，確定柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路結(jié)構(gòu)、電壓等級和容量。

首先梳理柔性中壓直流配電網(wǎng)的應(yīng)用方向和需求，如圖2（a）所示，從輸電網(wǎng)向配電網(wǎng)的發(fā)展來看，在柔性中壓直流配電網(wǎng)接入輸電系統(tǒng)存在如下的幾種應(yīng)用方向和需求：其一、為直流輸電向配電的發(fā)展提供配電接口，中壓直流配電母線可以通過直流變壓器直接與直流輸電網(wǎng)連接，而無需經(jīng)過交流電網(wǎng)的過渡，減少變換環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)可靠性，可參見左側(cè)的圖片所示；其二、通過AC/DC變換隔離交流輸配電系統(tǒng)電壓跌落、治理諧波、補償無功功率，可參見中間的圖片所示；其三、采用多端配電結(jié)構(gòu)，多電源相互支撐提高供電可靠性，可參見右側(cè)的圖片所示。

如圖2（b）所示，從微電網(wǎng)向配電網(wǎng)的發(fā)展來看，在柔性中壓直流配電網(wǎng)接入微電網(wǎng)系統(tǒng)存在如下的幾種應(yīng)用方向和需求：其一、面向有高可靠性和高電能質(zhì)量需求的大功率交流電力用戶、變頻負荷、直流負荷等，提供可定制性的高質(zhì)量供電解決方案，可參見左側(cè)兩個圖片所示；其二為大容量電動汽車充電站（包括V2G形式）、電池儲能站和光伏發(fā)電站等提供直流并網(wǎng)接口，減少電壓變換環(huán)節(jié)，減少設(shè)備投資和運行損耗，提高系統(tǒng)可靠性，可參見第三個圖片所示；其三為直流或交流的微電網(wǎng)提供并網(wǎng)接口，提高微網(wǎng)系統(tǒng)運行的可靠性，并且滿足交流微電網(wǎng)的諧波治理、無功補償和能量反送需求，可參見第四個圖片所示。

根據(jù)上述應(yīng)用方向，本實施例中中壓直流配電網(wǎng)以提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量、接入新能源、儲能以及交直流敏感負荷為應(yīng)用方向。由此，確定柔性中壓直流配電網(wǎng)的接入對象有：1）無功率反送的交流敏感負荷；2）有功率反送的交流微網(wǎng)；3）無功率反送的直流微網(wǎng)；4）有功率反送的大容量儲能。接入對象的類型、電壓等級和容量如圖3所示。

根據(jù)接入對象的類型、電壓等級和容量，確定柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。為了提高配電網(wǎng)的供電可靠性，采用具有兩個獨立交流電源的“手拉手”直流配電網(wǎng)絡(luò)拓撲，中壓直流電壓等級±10kV，容量25MW。

本實施例中，柔性中壓直流配電網(wǎng)通過2個換流器與交流系統(tǒng)交換能量，既可由兩端VSC為配網(wǎng)供電，又可在其中一端VSC退出運行時，由剩余一端VSC維持系統(tǒng)的正常運行。同時，直流配電網(wǎng)內(nèi)的線路斷開、部分可控設(shè)備退出運行都可能導(dǎo)致運行方式的改變。因此，為保證配電網(wǎng)內(nèi)負荷的供電可靠性，系統(tǒng)應(yīng)滿足在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或運行條件發(fā)生變化時，對各可控端的控制模式進行快速的平滑切換以滿足當(dāng)前的運行狀態(tài)。

在步驟S12中，根據(jù)系統(tǒng)運行要求，確定柔性中壓直流配電網(wǎng)的運行方式；根據(jù)所述柔性中壓直流配電網(wǎng)的運行方式，確定各類換流器的運行方式及技術(shù)要求；具體地，包括：

首先，根據(jù)上述系統(tǒng)運行要求，確定柔性中壓直流配電網(wǎng)的運行方式如下：

（1）雙端供電運行方式

中壓直流配電網(wǎng)內(nèi)所有設(shè)備均正常時，2端交流系統(tǒng)經(jīng)過VSC共同為直流配電網(wǎng)供電。在該運行方式下，一端采用定直流電壓控制，另一端則采用定功率控制或下垂控制，具體可根據(jù)能量優(yōu)化系統(tǒng)或事先確定的優(yōu)先級來確定。

對于有功率反送能力的交流負荷可以根據(jù)需要采用定交流電壓或定有功功率控制模式；對于有功率反送能力的直流負荷可以根據(jù)需要采用定低壓直流電壓或定有功功率控制模式。對于無功率反送能力的交流負荷同樣可以采用定交流電壓或定有功功率控制模式；對于無功率反送能力的直流負荷同樣可以采用定低壓直流電壓或定有功功率控制模式，需要注意的是此時有功功率的傳送只能是由中壓直流母線到負荷。

（2）單換流器運行方式

一端換流器故障時，交流系統(tǒng)僅通過單個VSC向直流配網(wǎng)供電。在這種情況下，中壓直流母線電壓由正常的VSC控制，中壓直流母線下的其它各設(shè)備維持控制模式不變。

（3）雙端隔離運行方式

中壓直流母線斷開時，兩端交流系統(tǒng)可以通過各自的VSC形成兩個獨立的輻射狀直流配網(wǎng)。兩端VSC均采取定直流電壓控制模式，對兩個直流配電網(wǎng)分別供電。

（4）功率支援運行方式

與VSC聯(lián)結(jié)的交流電網(wǎng)出現(xiàn)故障，為了保證交流電網(wǎng)中的重要負荷不斷電，直流配電網(wǎng)在功率富余的前提下，可以給交流電網(wǎng)提供短時支援。此時，若只有一端交流電網(wǎng)需要支撐，則此端VSC工作在定交流電壓控制模式，另一端工作在定直流電壓控制模式；若兩端交流電網(wǎng)均需要支撐，則兩端VSC均工作在定交流電壓控制模式，中壓直流母線由VSC3或者DCSST控制，具體可根據(jù)所接系統(tǒng)類型和可調(diào)度功率來確定中壓直流母線電壓控制的優(yōu)先級。

（5）STATCOM運行方式

STATCOM方式運行時，系統(tǒng)不設(shè)置有功功率傳輸，直流配電網(wǎng)中2個與交流系統(tǒng)聯(lián)接的VSC獨立運行在STATCOM模式，實現(xiàn)交流側(cè)無功補償。需要注意的是，雖然其它模式中，VSC也可以調(diào)節(jié)無功，但是以有功控制為主，無功容量不大。

其次，根據(jù)上述柔性中壓直流配電網(wǎng)的運行方式，可以得到各類換流器的運行方式及技術(shù)要求，如圖5所示：

第1類設(shè)備：用于接入無功率反送需求的交流負荷和就地消納的新能源交流微網(wǎng)。此時，直流配網(wǎng)需提供網(wǎng)側(cè)直流支撐電壓，設(shè)備完成DC/AC變換，且只需具有單向功率傳輸能力。在接入交流負荷時，設(shè)備只需進行交流側(cè)定電壓控制；在接入交流微網(wǎng)時，根據(jù)微網(wǎng)的運行方式，設(shè)備可實現(xiàn)交流側(cè)定電壓和定功率控制。

第2類設(shè)備：用于接入發(fā)電機等獨立交流發(fā)電設(shè)備。由于發(fā)電機等設(shè)備輸出電壓固定，設(shè)備完成AC/DC變換，且只需具有單向功率傳輸能力。根據(jù)直流配網(wǎng)側(cè)的運行方式，設(shè)備可實現(xiàn)直流側(cè)定電壓和定功率控制。

第3類設(shè)備：用于接入有功率交換需求的交流配電網(wǎng)和新能源交流微網(wǎng)。此時設(shè)備具有雙向功率能力，可完成AC/DC或DC/AC變換。根據(jù)直流配網(wǎng)、交流電網(wǎng)以及新能源微網(wǎng)系統(tǒng)的運行方式，設(shè)備可實現(xiàn)直流側(cè)定電壓、交流側(cè)定電壓，以及定功率控制（雙向）。

第4類設(shè)備：用于接入無功率交換需求的直流負荷和就地消納的新能源直流微網(wǎng)。此時，直流配網(wǎng)需提供網(wǎng)側(cè)直流支撐電壓，設(shè)備完成DC/DC變換，且只需具有單向功率傳輸能力。在接入直流負荷時，設(shè)備只需實現(xiàn)直流負荷側(cè)定電壓控制；在接入直流微網(wǎng)時，根據(jù)微網(wǎng)的運行方式，設(shè)備可實現(xiàn)直流微網(wǎng)側(cè)定電壓和定功率控制。

第5類設(shè)備：用于接入有功率交換需求的直流儲能系統(tǒng)和新能源直流微網(wǎng)。此時，設(shè)備具有雙向功率傳輸能力，可完成雙向的DC/DC變換。根據(jù)直流配網(wǎng)、直流儲能系統(tǒng)以及新能源微網(wǎng)系統(tǒng)的運行方式，設(shè)備可運行于直流配電網(wǎng)側(cè)定電壓、定功率控制，直流負荷側(cè)定電壓、定功率控制。

在步驟S14中，根據(jù)各類換流器的運行方式及技術(shù)要求，對各類換流器進行選型，明確主換流器的拓撲結(jié)構(gòu)。

在本實施中，對于圖4中的VSC1~VSC3均為雙向換流設(shè)備，UVSC為單向DC/AC換流設(shè)備且為無源設(shè)備提供電能。為了保證高供電質(zhì)量，都必須基于全控型VSC換流器技術(shù)。采用兩電平換流器、三電平換流器和MMC換流器方案均能夠?qū)崿F(xiàn)VSC1~VSC3以及UVSC功能，而MMC換流器不需要器件直接串聯(lián)，在交流諧波、直流諧波、損耗、可靠性等方面均具有優(yōu)勢，本實施例采用MMC進行設(shè)計。

對于VSC1和VSC2，主要與交流配網(wǎng)和直流配網(wǎng)連接，交流電網(wǎng)變壓范圍較大，為了保證電壓匹配，交流配網(wǎng)與直流配網(wǎng)之間通過變壓器連接，如圖6所示。

對于VSC3，主要與交流微網(wǎng)和直流配網(wǎng)連接，交流微網(wǎng)電壓等級380V，同樣加入變壓器以保證電壓匹配。對于接入中低壓配網(wǎng)的VSC1~VSC3，采用MMC結(jié)構(gòu)均滿足了交流諧波標準要求，因此無需接入交流濾波器，如圖7所示。

對于UVSC，主要與直流配網(wǎng)和高壓大容量高質(zhì)量的交流負荷連接，為了保證較高的電能質(zhì)量，在交流側(cè)接入濾波器，如圖8所示。

對于DCSST，需要具有雙向功率流動能力，可以采用DAB高壓側(cè)串聯(lián)低壓側(cè)并聯(lián)的技術(shù)方案，如圖9所示。

對于UDCSST，只需具有單向功率流動能力，出于成本考慮，優(yōu)先采用基于單向DC/DC串并聯(lián)的技術(shù)方案，典型拓撲結(jié)構(gòu)如圖10所示。

在步驟S16中，根據(jù)柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路結(jié)構(gòu)和主換流器拓撲結(jié)構(gòu)，對主接線方式進行選型，明確主接線方式。

根據(jù)上述柔性中壓直流配電網(wǎng)的主回路結(jié)構(gòu)和主換流器拓撲結(jié)構(gòu)，主接線方式主要包括：單極不對稱接線方式、單極對稱接線方式和雙極接線方式。由于中壓柔性直流配電系統(tǒng)的電壓等級較低、容量較??；并且由于采用雙端手拉手配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在一端換流站出現(xiàn)故障時，另一端換流站仍能夠保持供電，可靠性相對較高，無需為了提高可靠性而采用成本更高的雙極系統(tǒng)。因此，在中壓柔性直流配電系統(tǒng)的研究中，可以優(yōu)先采用對稱單極接線方式，如圖11所示。

在步驟S18中，根據(jù)柔性中壓直流配電網(wǎng)的主接線方式以及系統(tǒng)可靠性需求，對接線方式進行選型，明確接地方式。

根據(jù)柔性中壓直流配電網(wǎng)的主接線方式以及系統(tǒng)可靠性需求，明確接地方式，此處的接地方式主要包括：交流側(cè)接地和直流側(cè)接地，以及高阻接地和低阻接地；當(dāng)直流側(cè)存在接地點時，優(yōu)先選擇直流側(cè)接地；當(dāng)直流側(cè)不存在接地點時，優(yōu)先選擇交流側(cè)接地；當(dāng)可靠性要求較高時，選擇高阻接地，保證單極短路故障時系統(tǒng)持續(xù)運行，否則選擇低阻接地。

具體地，由于中壓直流配電系統(tǒng)中交流電壓為10kV，低于35kV，聯(lián)接變壓器繞組設(shè)計為Dyn聯(lián)結(jié)。由于MMC直流側(cè)不存在接地點，所以直流配電網(wǎng)采用聯(lián)接變壓器的中性點接地；為了提高系統(tǒng)可靠性，選擇高阻接地方式，保證單極短路故障時系統(tǒng)持續(xù)運行，如圖11所示。

相應(yīng)地，本發(fā)明的實施例中，還提供一種柔性中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)，其通過前述描述的一種柔性中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計方法設(shè)計而成。更多的細節(jié)，可參考前述對圖1至圖11的描述，在此不進行贅述。實施本發(fā)明，具有如下的有益效果：

在本發(fā)明中，根據(jù)柔性中壓直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)運行要求，通過預(yù)設(shè)的分析軟件對主換流器電氣量參數(shù)進行計算，對主換流器區(qū)域接線進行設(shè)計，從而得到所需柔性中壓直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，為直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)規(guī)劃、能源管理、控制保護策略、絕緣配合研究等提供了參考。

以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。