專利名稱：一種電力電子變電站的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型變電站，特別是關(guān)于一種電力電子變電站。
背景技術(shù)：
變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的電力設(shè)施，它通過變壓器將各級電壓的電網(wǎng)聯(lián)系起來。除變壓器外，變電站的設(shè)備還有開閉電路的開關(guān)設(shè)備，匯集電流的母線，計量和控制用互感器、儀表、繼電保護(hù)裝置，防雷保護(hù)裝置和調(diào)度通信裝置等，通常變電站還配有無功補(bǔ)償設(shè)備和高阻抗設(shè)備等。常規(guī)變電站一般包括一次設(shè)備和二次設(shè)備。一次設(shè)備方面，一般米用單相或三相電磁式變壓器進(jìn)行電壓變換；采用電氣-機(jī)械式斷路器在電力系統(tǒng)正常運行情況下用來合上或斷開電路，故障時在繼電保護(hù)裝置控制下自動把故障設(shè)備和線路斷開，還可以具有自動重合閘功能；電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，利用傳統(tǒng)限流電抗器的電感特性抑制系統(tǒng)的短路電流，以減輕斷路器的開斷負(fù)擔(dān)。二次設(shè)備方面，傳統(tǒng)繼電保護(hù)典型應(yīng)用之一的差動保護(hù)利用基爾霍夫電流定律，取被保護(hù)元件兩端CT (電流互感器)的電流矢量差作為動作依據(jù)，在系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，自動將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。目前，常規(guī)變電站所面臨的主要問題是:隨著輸電電壓等級和系統(tǒng)短路容量的不斷提升，功能和絕緣性能要求使得變電站一次設(shè)備體積愈發(fā)龐大，制造難度加大，變電站面積及征地投資日益巨大。同時，不僅各工礦企業(yè)，包括居民用戶對供電質(zhì)量的要求也越來越高，傳統(tǒng)變電站調(diào)控能力有限，一、二次設(shè)備動作可靠性和運行穩(wěn)定性不高、精確實時控制能力差、環(huán)保效果不理想等弊端日漸明顯，用傳統(tǒng)的技術(shù)來解決電網(wǎng)短路電流問題難度也越來越大。電力電子技術(shù)是電子技術(shù)、控制技術(shù)、現(xiàn)代計算技術(shù)、電力技術(shù)的融合，能夠利用電力電子器件對電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換。近幾年來，隨著大功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展而有了長足的進(jìn)步。通過采用各種不同的電力電子技術(shù)可以提高電能質(zhì)量，減少瞬時停電、電壓突降/突升和諧波等。通過提高運行上的靈活性，電子控制能力可提高物理上或控制上的安全性，緩解電網(wǎng)的擁堵，良好的可控性會減少輸電級、變電站級和配電級的電能損耗。為解決長期困擾城市電網(wǎng)的短路電流問題，提高電網(wǎng)控制的靈活性提供了廣闊的應(yīng)用前景。綜上所述，亟待解決的問題是:改進(jìn)常規(guī)變電站的設(shè)計方案，以電力電子技術(shù)為核心，用固態(tài)電力電子設(shè)備取代傳統(tǒng)變電站主要設(shè)備，完成電壓變換、電能傳輸及設(shè)備保護(hù)控制等變電站主要功能，使其能夠更好地適用于智能化變電站的組建過程。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種一次設(shè)備體積小、投資小而且一、二次設(shè)備動作調(diào)控能力好、穩(wěn)定性高的電力電子變電站。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種電力電子變電站，其特征在于:它包括若干路電源的進(jìn)線，所述每一路進(jìn)線分別經(jīng)一第一固態(tài)斷路器連接一進(jìn)線側(cè)母線；對應(yīng)于所述每一路進(jìn)線，所述進(jìn)線側(cè)母線上分別并聯(lián)一電壓互感器；兩兩所述進(jìn)線之間的所述進(jìn)線側(cè)母線上設(shè)置有一第二固態(tài)斷路器，所述每一路進(jìn)線再依次經(jīng)過一第三固態(tài)斷路器、一電力電子變壓器和一第四固態(tài)斷路器連接出線側(cè)母線，兩兩所述進(jìn)線之間的所述出線側(cè)母線上設(shè)置有一第五固態(tài)斷路器；對應(yīng)于所述每一路進(jìn)線，所述出線側(cè)母線引出三路電源出線且在出線側(cè)母線的外側(cè)分別并聯(lián)一電壓互感器，所述每一路出線上都設(shè)置有一第六固態(tài)斷路器。所述進(jìn)線側(cè)母線和所述出線側(cè)母線的接線方式均為單母線分段。它還包括固態(tài)電流限制器，對應(yīng)于每相鄰六路的所述電源出線上，其中一所述電源出線上串聯(lián)一所述固態(tài)電流限制器以限制短路電流。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明由于采用固態(tài)斷路器、電力電子變壓器、固態(tài)電流限制器等電力電子設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的快速隔離，提高電網(wǎng)精確控制能力，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平；同時改變變電站現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式，減小主設(shè)備體積，簡化主設(shè)備配置，大幅降低占地面積，而且具有良好的可擴(kuò)展性。2、本發(fā)明由于采用固態(tài)斷路器來實現(xiàn)線路的開斷功能，其開通/關(guān)斷時間僅為微秒量級，因此具有動作控制靈活，速度快的特點；而且開通/關(guān)斷過程不產(chǎn)生過電壓和過電流，大幅度降低設(shè)備的絕緣水平和動熱穩(wěn)定性的要求；同時開斷過程沒有電弧，斷路器壽命長，特別適合智能變電站發(fā)展要求，另外固態(tài)斷路器的應(yīng)用也取消了隔離開關(guān)的使用，所以開關(guān)設(shè)備數(shù)量大大減少，節(jié)省了設(shè)備占地。3、本發(fā)明由于采用固態(tài)電力電子變壓器來實現(xiàn)電能變換功能，其可以實現(xiàn)輸出電壓的閉環(huán)控制，保持較高的輸出電壓調(diào)整率；同時將電網(wǎng)與用戶隔離開來，既能消除網(wǎng)側(cè)電壓的波動、波形失真和頻率波動，又能抑制由用戶端產(chǎn)生的無功、諧波、瞬時短路對供電電網(wǎng)的影響。另外，其利用空氣自然冷卻，省去充油，從而減少污染，維護(hù)簡單，安全性好，符合新一代變電站的發(fā)展要求。
圖1是常規(guī)變電站的主接線2是本發(fā)明電力電子變電站的主接線3是全控型固態(tài)斷路器的結(jié)構(gòu)示意4是PWM控制型固態(tài)電力電子變壓器結(jié)構(gòu)5是固態(tài)電流限制器原理接線6是本發(fā)明電力電子變電站物聯(lián)網(wǎng)控制圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。一般來說，電能在變電站內(nèi)由進(jìn)線端送入，經(jīng)母線分配、開關(guān)設(shè)備(包括斷路器和隔離開關(guān))接通分?jǐn)嗫刂?、變壓器變換電壓等級，最后經(jīng)出線端將電能送出。如圖1所示，常規(guī)變電站的設(shè)計是圍繞傳統(tǒng)一次設(shè)備，如機(jī)械-電氣式斷路器21、電磁式變壓器23、電感式限流電抗器24、電壓互感器22和無功補(bǔ)償電容器25等。而本發(fā)明主要采用固態(tài)斷路器、電力電子變壓器、固態(tài)電流限制器等電力電子設(shè)備。
如圖2所示，本發(fā)明包括若干路電源進(jìn)線(以兩路為例)，每一路進(jìn)線I分別經(jīng)一固態(tài)斷路器2連接一進(jìn)線側(cè)母線3 ;母線3接線方式為單母線分段以保證供電可靠，中間由分段固態(tài)斷路器4連接；對應(yīng)于每一路進(jìn)線1，母線3的一側(cè)并聯(lián)一電壓互感器5，以測量電源進(jìn)線電壓值。每一路進(jìn)線I再依次經(jīng)過一固態(tài)斷路器6、一電力電子變壓器7和一固態(tài)斷路器8連接出線側(cè)母線9。母線9接線方式同樣為單母線分段，中間由分段固態(tài)斷路器10連接。對應(yīng)于每一路進(jìn)線1，出線側(cè)母線9引出三路電源出線11，且在其中一路電源出線11一側(cè)的母線9上并聯(lián)一電壓互感器12，每一路出線11上都設(shè)置有一固態(tài)斷路器13。對于每一路進(jìn)線1，當(dāng)雙PWM變換型電力電子變壓器7兩側(cè)固態(tài)斷路器6、8合閘情況下，進(jìn)線電源在電力電子變壓器7處進(jìn)行電壓變換，由高電壓變?yōu)榈碗妷汉蟮竭_(dá)出線側(cè)母線9，再由出線側(cè)母線9統(tǒng)一分配，形成三路低壓電源出線11。針對短路故障情況產(chǎn)生，對應(yīng)于每相鄰六路的電源出線11，在其中一路出線11上除連接固態(tài)斷路器13外，還串聯(lián)一固態(tài)電流限制器(又稱為固態(tài)故障電流限制器或固態(tài)短路限流器)14用以限制短路電流。如圖3所示，本發(fā)明中的固態(tài)斷路器主要結(jié)構(gòu)由兩個IGBT31先反向并聯(lián)二極管32后再串聯(lián)組成，形成一個交流開關(guān)模塊，再按額定電壓將其串聯(lián)起來構(gòu)成IGBT全控型固態(tài)斷路器。正常運行時，若控制電路中某一個正向IGBT31導(dǎo)通，與另一個IGBT31并聯(lián)的二極管32自然導(dǎo)通，承載電路電流。如圖2所示，電能經(jīng)由固態(tài)斷路器傳輸至下一設(shè)備或出線端；當(dāng)開斷電流或發(fā)生故障時，需要控制固態(tài)斷路器關(guān)斷，只需同時控制兩個IGBT31器件關(guān)斷，即將兩個IGBT31的柵極電壓驅(qū)動信號置零，則固態(tài)開關(guān)在2微秒內(nèi)斷開。如圖4所示，本發(fā)明中的電力電子變壓器是采用雙PWM變換型，它是在AC/DC/AC變換方案上建立起來的。它包括電壓型三相PWM整流電路41、單相橋式逆變電路42、高頻電力變壓器43、單相橋式整流電路44、三相橋式逆變電路45和PWM控制電路46。如圖2所示，電能由進(jìn)線端進(jìn)入，兩電力電子變壓器7兩側(cè)分別連接著兩種電壓等級母線3、9，在兩電力電子變壓器7處將高電壓變換為低電壓，最后在出線端送出下一級負(fù)荷適用的電能，完成電能在變電站內(nèi)的變換傳輸。具體來說，工頻高壓交流電輸入電力電子變壓器原邊，通過三相電壓型PWM整流電路41變?yōu)橹绷麟姡瑥亩鴮崿F(xiàn)電網(wǎng)電流的相位控制，然后通過單相橋式逆變電路42將其逆變?yōu)楦哳l單相交流電，然后經(jīng)高頻電力變壓器43耦合至副邊，再經(jīng)單相高頻整流電路44，將變壓器副邊的高頻交流電變?yōu)橹绷麟?，最后?jīng)三相橋式逆變電路45和PWM控制電路46，得到工頻交流電輸出。如圖5所示，本發(fā)明中的固態(tài)電流限制器主要包括三對串聯(lián)的兩兩反并聯(lián)的GT051(門極可關(guān)斷晶閘管)，并聯(lián)在每一對反并聯(lián)的GT051兩端的吸收電路52，限流阻抗53和一個MOA (金屬氧化物避雷器)54。在正常負(fù)荷條件下，GT051開關(guān)閉合處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。GT051開關(guān)由電流大小或電流上升率驅(qū)動，在幾十微秒內(nèi)可以轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，并可斷開很大的電流，使故障電流在達(dá)到所有破壞性的數(shù)值前很快受到限制。在GT051關(guān)斷瞬間，電流流向吸收電路52中的電容，吸收電路52在GT051電壓達(dá)到M0A54動作電壓之前，限制了電壓的上升速度。該電壓也加在限流阻抗53上，由于限流阻抗53的作用，故障電流受到了限制。當(dāng)故障被清除，線路電流恢復(fù)正常，GT051開關(guān)則在電壓為零或接近零時導(dǎo)通，這樣可以避免吸收電路52中的電容放電電流太大，限制阻抗53上的電流將在幾十毫秒內(nèi)衰減掉。本發(fā)明中的電力電子變壓器以兩側(cè)的光學(xué)電流互感器測得光差作為故障判斷依據(jù)，這種磁-光的保護(hù)動作信號相比于傳統(tǒng)的磁-電的傳統(tǒng)保護(hù)動作信號更加靈敏。這是由于差動保護(hù)的光子計算技術(shù)不需要轉(zhuǎn)換為電信號，而是在光路層面直接進(jìn)行Faraday旋光角的加減運算、比例運算和相移運算。光子差動保護(hù)利用光學(xué)電流互感器技術(shù)，為了確保光子差動保護(hù)裝置的可靠性，電力電子變電站內(nèi)要求一套光子差動保護(hù)裝置所采用的全部光學(xué)電流互感器具有一致的暫態(tài)測量品質(zhì)。在本發(fā)明中，光子差動保護(hù)不僅將顯著提升保護(hù)裝置的品質(zhì)，而且與電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聯(lián)手，將成為電力二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備大幅度簡化的支撐技術(shù)，將助力“電的一次系統(tǒng)，光的二次系統(tǒng)”之電網(wǎng)愿景實現(xiàn)。如圖6所示，本發(fā)明還可以采用物聯(lián)網(wǎng)通信方式來實現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制。本發(fā)明電力電子變電站內(nèi)的一次設(shè)備以及外圍配備的站內(nèi)輔助控制設(shè)備均內(nèi)嵌具有無線收發(fā)功能的IED (智能電子裝置)，其中:站內(nèi)輔助控制設(shè)備包括但不限于溫度傳感器、防雷接地監(jiān)測裝置、門禁設(shè)備、形變傳感器、電子圍欄、SF6探煙氣、水浸傳感器、SF6泄漏報警器、RFID識別設(shè)備和攝像頭。一次設(shè)備和站內(nèi)輔助控制設(shè)備由于內(nèi)嵌無線收發(fā)功能的IED(智能電子裝置)，其具有一定的智能性與自主能力，所以它們各自相當(dāng)于一臺服務(wù)器，分布式地實現(xiàn)各自功能，所以可以將一次設(shè)備和輔助控制設(shè)備通過若干無線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)61分別接入電力通信專網(wǎng)62和互聯(lián)網(wǎng)63，而電力通信專網(wǎng)62與互聯(lián)網(wǎng)63之間由防火墻64進(jìn)行橫向隔離以保證信息安全。此時，一次設(shè)備和輔助控制設(shè)備通過將各自的工作和狀態(tài)信號經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)61分別送入電力通信專網(wǎng)62和互聯(lián)網(wǎng)63，再上傳至電力電子變電站的站控系統(tǒng)和調(diào)度控制中心，其中，站控系統(tǒng)配置有高性能超級計算機(jī)，以負(fù)責(zé)站級系統(tǒng)控制，以及與電網(wǎng)互動，實現(xiàn)廣域協(xié)調(diào)與控制。因此本發(fā)明可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制，從而完成對智能變電站內(nèi)設(shè)備的遙信、遙測、遙控、遙調(diào)。上述各實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。
權(quán)利要求
1.一種電力電子變電站，其特征在于:它包括若干路電源的進(jìn)線，所述每一路進(jìn)線分別經(jīng)一第一固態(tài)斷路器連接一進(jìn)線側(cè)母線；對應(yīng)于所述每一路進(jìn)線，所述進(jìn)線側(cè)母線上分別并聯(lián)一電壓互感器；兩兩所述進(jìn)線之間的所述進(jìn)線側(cè)母線上設(shè)置有一第二固態(tài)斷路器，所述每一路進(jìn)線再依次經(jīng)過一第三固態(tài)斷路器、一電力電子變壓器和一第四固態(tài)斷路器連接出線側(cè)母線，兩兩所述進(jìn)線之間的所述出線側(cè)母線上設(shè)置有一第五固態(tài)斷路器；對應(yīng)于所述每一路進(jìn)線，所述出線側(cè)母線引出三路電源出線且在出線側(cè)母線的外側(cè)分別并聯(lián)一電壓互感器，所述每一路出線上都設(shè)置有一第六固態(tài)斷路器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種電力電子變電站，其特征在于:所述進(jìn)線側(cè)母線和所述出線側(cè)母線的接線方式均為單母線分段。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種電力電子變電站，其特征在于:它還包括固態(tài)電流限制器，對應(yīng)于每相鄰六路的所述電源出線上，其中一所述電源出線上串聯(lián)一所述固態(tài)電流限制器以限制短路電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力電子變電站，它包括若干路電源的進(jìn)線，每一路進(jìn)線分別經(jīng)一第一固態(tài)斷路器連接一進(jìn)線側(cè)母線；對應(yīng)于每一路進(jìn)線，進(jìn)線側(cè)母線上分別并聯(lián)一電壓互感器；兩進(jìn)線之間的進(jìn)線側(cè)母線上設(shè)置有一第二固態(tài)斷路器，每一路進(jìn)線再依次經(jīng)過一第三固態(tài)斷路器、一電力電子變壓器和一第四固態(tài)斷路器連接出線側(cè)母線，兩進(jìn)線之間的出線側(cè)母線上設(shè)置有一第五固態(tài)斷路器；對應(yīng)于每一路進(jìn)線，出線側(cè)母線引出三路電源出線且在外側(cè)分別并聯(lián)一電壓互感器，每一路出線上都設(shè)置有一第六固態(tài)斷路器。本發(fā)明除具有常規(guī)功能外，還能實現(xiàn)故障的快速隔離，提高電網(wǎng)精確控制能力，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平；同時改變變電站現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式，減小主設(shè)備體積，簡化主設(shè)備配置，大幅降低占地面積。
文檔編號H02B1/24GK103138171SQ20131005060
公開日2013年6月5日 申請日期2013年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月8日
發(fā)明者宋璇坤, 肖智宏, 李敬如, 張祥龍 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院