基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，包括第一交流源和直流源，所述第一交流源和直流源均與第一Z型變壓器相連，第一Z型變壓器與第二Z型變壓器通過線路相連，第二Z型變壓器與升壓斬波電路相連，第二Z型變壓器還與第二交流源相連，第一交流源和第一Z型變壓器之間還連接有第一負(fù)載，第二交流源和第二Z型變壓器之間還連接有第二負(fù)載。利用本發(fā)明避免了鐵芯飽和現(xiàn)象。通過采用Z型變壓器減輕了鐵芯飽和現(xiàn)象。采用Z型變壓器的交直流配電網(wǎng)能夠在無嚴(yán)重波形畸變的前提下，實現(xiàn)交流和直流的融合。
【專利說明】基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，分布式新能源配電網(wǎng)接入方式受到越來越多的關(guān)注。新能源種類眾多，包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池、潮汐發(fā)電等等，但其本質(zhì)仍然可以歸納為交流電源與直流電源兩類。交流源的并網(wǎng)相對簡單，采用變壓器及一定的控制策略即可實現(xiàn)，研究的難點在于分布式新能源直流源的并網(wǎng)。目前提出的解決方法主要有兩種，一種是通過采用傳統(tǒng)的整流逆變裝置將直流源轉(zhuǎn)化為交流源并入交流配電網(wǎng)，另一種是構(gòu)建微網(wǎng)。這兩種接入方式的投資成本較高，并且會對大電網(wǎng)形成一定程度的沖擊。因此，尋求一種低成本且弱沖擊的分布式新能源配電網(wǎng)接入方式成為當(dāng)前的智能電網(wǎng)研究的一個熱點問題。
[0003]為簡化分析，將種類數(shù)量眾多的分布式新能源直流源以單個直流源代替，僅關(guān)注直流源接入配電網(wǎng)的問題，此直流源既可以是電壓源，也可以是電流源。與傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)能滿足直流電器和電動汽車等直流負(fù)載的要求，并且可以不用考慮穩(wěn)定性限制而配送更多的功率。然而，單純的直流配電網(wǎng)因直流滅弧等技術(shù)限制而難以應(yīng)用。針對光伏發(fā)電等直流電源以及電動汽車等直流負(fù)載接入電網(wǎng)的需要，提出一種單導(dǎo)線交直流混合配電網(wǎng)的新型拓?fù)?，即三相輸電線路中的每一根相線都同時輸送交流與直流功率，以融合交流和直流配電網(wǎng)的優(yōu)點，并彌補(bǔ)其缺點。
[0004]交直流混合輸電的設(shè)想最初在輸電【技術(shù)領(lǐng)域】提出。與單純的交流或者直流輸電相t匕，單導(dǎo)線交直流混合輸電具有顯著的優(yōu)勢，例如傳輸容量大，便于形成落點等。然而，由于在輸電網(wǎng)電壓等級下的交流與直流的耦合難題，交直流混合輸電仍然無法應(yīng)用于工程實際。極高電壓下的交直流耦合會引起鐵芯飽和，導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓電流波形的畸變。但在低電壓電流水平的配電網(wǎng)中，交流和直流的耦合問題相對比較容易解決。將單導(dǎo)線交直流混合的思想應(yīng)用于配電網(wǎng)，將省去傳統(tǒng)的整流與逆變設(shè)備，便于實現(xiàn)新能源發(fā)電以及直流負(fù)載的接入。為了實現(xiàn)交直流配電網(wǎng)的工程應(yīng)用，有兩個關(guān)鍵的技術(shù)難題需要解決:一是交流和直流的耦合方法；二是交直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)化，即實現(xiàn)非網(wǎng)絡(luò)化的直流系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)化的交流系統(tǒng)之間的融合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)避免了鐵芯飽和現(xiàn)象，通過采用Z型變壓器減輕了鐵芯飽和現(xiàn)象，采用Z型變壓器的交直流配電網(wǎng)能夠在無嚴(yán)重波形畸變的前提下，實現(xiàn)交流和直流的融合。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下:
[0007]基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，包括第一交流源和直流源，所述第一交流源和直流源均與第一 Z型變壓器相連，第一 Z型變壓器與第二 Z型變壓器通過線路相連，第二 Z型變壓器與升壓斬波電路相連，第二 Z型變壓器還與第二交流源相連。
[0008]所述升壓斬波電路的相角差實現(xiàn)了交流功率的流動，電壓差實現(xiàn)了直流功率的流動。
[0009]所述Z型變壓器是用于實現(xiàn)交流與直流的耦合與解耦，在線路的一端，直流功率由Z型變壓器的中性點注入，實現(xiàn)交流直流功率的同導(dǎo)線傳輸。在線路的另一端，直流功率由Z型變壓器的中性點引出，用于供應(yīng)直流負(fù)載。
[0010]所述第一交流源和第一 Z型變壓器之間還連接有第一負(fù)載，第二交流源和第二 Z型變壓器之間還連接有第二負(fù)載。
[0011]所述Z型變壓器為具有六個相同的二次繞組的三相九繞組變壓器，每一個繞組鐵芯的首端線圈與下一個鐵芯的末端線圈反向連接，所有的線圈末端連在一起形成中性點，各相都與原邊線圈相連。
[0012]所述升壓斬波電路為一個輸出電壓高于輸入電壓的直流-直流變換電路。
[0013]所述升壓斬波電路包括電阻R和電容C，電阻R和電容C相并聯(lián)，電容C的一端通過二極管D及電感L與第二 Z型變壓器相連，三極管的集電極設(shè)置在二極管D的正極端及電感L之間，三極管的發(fā)射極與電容的另一端相連且與地相連。
[0014]所述三極管為IGBT。
[0015]所述IGBT的柵極端上施加有控制脈沖。
[0016]所述第一 Z型變壓器與直流源之間的線路、第二 Z型變壓器與升壓斬波電路之間的線路和第一 Z型變壓器與第二 Z型變壓器之間的線路上均設(shè)有數(shù)據(jù)采集點。
[0017]升壓斬波電路是一個輸出電壓高于輸入電壓的直流-直流變換電路。相角差實現(xiàn)了交流功率的流動，電壓差實現(xiàn)了直流功率的流動，為維持穩(wěn)定的電壓差就需要升壓斬波電路。作為新型交直流配電網(wǎng)的必要設(shè)備，升壓斬波電路用于維持拓?fù)涔?jié)點間的電壓差而實現(xiàn)功率流動。對于直流來說，每個拓?fù)涔?jié)點若需輸入直流功率，則輸入端鉗制為低電位，然后經(jīng)升壓斬波得到直流額定電壓；若需輸出直流功率，則不經(jīng)升壓斬波電路直接鉗制為高電位，對外輸出直流功率。另外，升壓斬波電路也用于統(tǒng)一拓?fù)涓鞴?jié)點的額定電壓，以便于直流電源和直流負(fù)載接入配電網(wǎng)絡(luò)。
[0018]另一方面，升壓斬波電路實現(xiàn)了交直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)化。節(jié)點可以分為兩類:功率發(fā)送節(jié)點和功率吸收節(jié)點。直流功率由功率發(fā)送節(jié)點流向功率吸收節(jié)點。由于沒有電壓差，相同類型的節(jié)點間沒有直流功率的流動。
[0019]此新型拓?fù)涫强梢赃M(jìn)行多端直流輸電的，但有一個限制條件，即每一個節(jié)點要么是直流功率輸出節(jié)點，要么是直流功率輸入節(jié)點。首先每個節(jié)點配電區(qū)域所接入的直流電源會優(yōu)先供應(yīng)這一區(qū)域所接入的直流負(fù)荷，若直流功率有剩余，則此節(jié)點作為直流功率輸出節(jié)點，向外輸出直流功率；若直流功率不足，則此節(jié)點作為直流功率輸入節(jié)點，需要從其它節(jié)點輸入直流功率。
[0020]交流和直流的耦合與解耦以及交直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)化的問題分別由Z型變壓器和升壓斬波電路解決。
[0021]Z型變壓器是繞組曲折型連接的特殊變壓器。Z型變壓器多應(yīng)用于三相不接地系統(tǒng)的中性點引出和相對于大地參考點的中性點接地。Z型變壓器也可用于抑制三次諧波電流，作為自耦變壓器提供三相功率。[0022]具有六個相同的二次繞組的三相九繞組變壓器可用于曲折型的繞組連接，如圖2所示。每一個繞組鐵芯的首端線圈與下一個鐵芯的末端線圈反向連接。所有的線圈末端連在一起形成中性點，各相都與原邊線圈相連。每一相都與另一相耦合而抵消電壓，中性點會有微弱的電流流入大地。在交直流混合配網(wǎng)拓?fù)渲?，直流功率可以通過繞組的中性點注入。一方面，注入的直流電流對于Z型變壓器相當(dāng)于附加的零序電流。當(dāng)在線端A、B、C與中性點N之間加入零序電壓時，在每個鐵芯柱上的兩個繞組產(chǎn)生的磁勢大小相等，方向相反，合成磁勢為零，三相鐵芯柱上沒有零序磁通。零序磁通只能通過外殼和周圍介質(zhì)形成閉合回路，磁阻很大，零序磁通很小，所以零序電抗也很小，因此對直流沒有扼流作用，直流電流可以順利通過。另一方面，因Z型變壓器直流電流注入時，產(chǎn)生的磁通互相抵消，三相鐵芯柱上的磁通沒有改變，鐵芯在磁化曲線上的工作點也沒有改變，所以基本不會產(chǎn)生鐵芯飽和現(xiàn)象。微弱的鐵芯飽和僅由每個鐵芯柱上的兩個繞組流過的直流電流的不平衡所引起。因此，Z型變壓器中性點直流電流的注入不會對變壓器的正常運行產(chǎn)生影響。此外，在Z型變壓器中性點處引入直流后，必然會對變壓器繞組間的絕緣提出更高的要求，這限制了 Z型變壓器目前只能應(yīng)用于較低電壓等級的配電網(wǎng)中。實際上，隨著交聯(lián)聚乙烯電纜變壓器技術(shù)的出現(xiàn)，繞組間的絕緣水平可以得到極大的提升。與注入過程相似，在線路的另一端，直流功率也可以由Z型變壓器的中性點取出。由此，Z型變壓器實現(xiàn)了交直流的耦合與解耦過程。
[0023]第一交流源、第二交流源、第一 Z型變壓器、第二 Z型變壓器與線路代表交流配電網(wǎng)，直流源代表分布式新能源發(fā)電直流電源(如光伏發(fā)電)。
[0024]Z型變壓器是用于實現(xiàn)交流與直流的耦合與解耦的特殊變壓器；升壓斬波電路為電壓變換電路。直流功率由Z型變壓器的中性點注入，實現(xiàn)交流直流功率的同導(dǎo)線傳輸。在線路的另一端，直流功率由Z型變壓器的中性點引出，用于供應(yīng)直流負(fù)載。對于交直流混合配電網(wǎng)拓?fù)洌琙型變壓器和升壓斬波電路是起決定性作用的設(shè)備。
[0025]本發(fā)明的有益效果:
[0026]1.避免了鐵芯飽和現(xiàn)象。通過采用Z型變壓器減輕了鐵芯飽和現(xiàn)象。采用Z型變壓器的交直流配電網(wǎng)能夠在無嚴(yán)重波形畸變的前提下，實現(xiàn)交流和直流的融合。
[0027]2.更低的建設(shè)成本和更高的配送功率。這種新型拓?fù)湟驔]有使用整流和逆變設(shè)備，其建設(shè)成本較低，且在相同的相電壓峰值下，線電壓低于交流配電網(wǎng)，可以減少線間絕緣的成本。另一方面，由于沒有嚴(yán)格的靜態(tài)穩(wěn)定限制，新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)可配送更多的功率。
[0028]3.便于新能源直流發(fā)電和直流負(fù)載接入電網(wǎng)。在新拓?fù)渲?，直流新能源發(fā)電可以不經(jīng)轉(zhuǎn)換，直接接入交直流配電網(wǎng)。另外，升壓斬波電路僅有一個IGBT，控制簡單。很多直流電器可以直接接入使用。
[0029]雖然新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)點，但是由于新型拓?fù)湓谕粚?dǎo)線上同時疊加了交流與直流，一些關(guān)鍵理論與工程技術(shù)問題仍然需要深入研究，比如新型拓?fù)鋵^電保護(hù)的影
響等等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1交直流混合配電網(wǎng)拓?fù)湓韴D；[0031]圖2Z型繞組示意圖；
[0032]圖3傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)電路圖；
[0033]圖4采用普通變壓器的交直流配電網(wǎng)電路圖；
[0034]圖5采用Z型變壓器的交直流配電網(wǎng)電路圖；
[0035]圖6有功功率仿真結(jié)果對比圖；
[0036]圖7電壓仿真結(jié)果對比圖；
[0037]圖8電流仿真結(jié)果對比圖；
[0038]圖9直流電壓仿真結(jié)果對比圖；
[0039]圖中，1、第一負(fù)載，2、第二負(fù)載，3、導(dǎo)線，4、第一普通變壓器，5、第一普通變壓器，
6、第一交流源，7、第二交流源，8、數(shù)據(jù)采集點，9、控制脈沖，10、直流源，11、第一 Z型變壓器，12、第二 Z型變壓器，13、升壓斬波電路。
【具體實施方式】:
[0040]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0041]如圖1、2、5所示，基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，包括第一交流源6和直流源10，所述第一交流源6和直流源10均與第一 Z型變壓器12相連，第一 Z型變壓器11與第二 Z型變壓器12通過導(dǎo)線3相連，第二 Z型變壓器12與升壓斬波電路13相連，第`二Z型變壓器12還與第二交流源7相連。
[0042]所述第一交流源6和第一 Z型變壓器11之間還連接有第一負(fù)載1，第二交流源7和第二 Z型變壓器12之間還連接有第二負(fù)載2。
[0043]所述Z型變壓器為具有六個相同的二次繞組的三相九繞組變壓器，每一個繞組鐵芯的首端線圈與下一個鐵芯的末端線圈反向連接，所有的線圈末端連在一起形成中性點，各相都與原邊線圈相連。
[0044]所述升壓斬波電路13為一個輸出電壓高于輸入電壓的直流-直流變換電路。
[0045]所述升壓斬波電路13包括電阻R和電容C，電阻R和電容C相并聯(lián)，電容C的一端通過二極管D及電感L與第二 Z型變壓器相連，三極管的集電極設(shè)置在二極管D的正極端及電感L之間，三極管的發(fā)射極與電容的另一端相連且與地相連。
[0046]所述三極管為IGBT。
[0047]所述IGBT的柵極端上施加有控制脈沖9。
[0048]所述第一 Z型變壓器11與直流源10之間的線路、第二 Z型變壓器12與升壓斬波電路13之間的線路和第一 Z型變壓器11與第二 Z型變壓器12之間的導(dǎo)線3上均設(shè)有數(shù)據(jù)采集點8。
[0049]交直流混合配電網(wǎng)的功率和電壓特性的計算方法
[0050]在交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)中，對地瞬時電壓是交流電壓和直流電壓的疊加。絕緣水平由導(dǎo)體的電壓最大值Umax決定。若保持絕緣水平不變，即電壓峰值保持不變，則有:
[0051]υ^^φ.υρλ^υ?+φ.υΛ(I)
[0052]式中，Uph是原交流線路相電壓的有效值，Ud是交直流混合配電網(wǎng)直流電壓分量，Ua是交流分量相電壓的有效值。[0053]相同的直流分量同時疊加在三相線路上，所以線電壓有效值是
【權(quán)利要求】
1.基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，包括第一交流源和直流源，所述第一交流源和直流源均與第一 Z型變壓器相連，第一 Z型變壓器與第二 Z型變壓器通過線路相連，第二 Z型變壓器與升壓斬波電路相連，第二 Z型變壓器還與第二交流源相連； 所述升壓斬波電路的相角差實現(xiàn)了交流功率的流動，電壓差實現(xiàn)了直流功率的流動； 所述Z型變壓器是用于實現(xiàn)交流與直流的耦合與解耦，在線路的一端，直流功率由Z型變壓器的中性點注入，實現(xiàn)交流直流功率的同導(dǎo)線傳輸，在線路的另一端，直流功率由Z型變壓器的中性點引出，用于供應(yīng)直流負(fù)載。
2.如權(quán)利要求1所述的基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述第一交流源和第一 Z型變壓器之間還連接有第一負(fù)載，第二交流源和第二 Z型變壓器之間還連接有第二負(fù)載。
3.如權(quán)利要求1所述的基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述Z型變壓器為具有六個相同的二次繞組的三相九繞組變壓器，每一個繞組鐵芯的首端線圈與下一個鐵芯的末端線圈反向連接，所有的線圈末端連在一起形成中性點，各相都與原邊線圈相連。
4.如權(quán)利要求1所述的基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述升壓斬波電路為一個輸出電壓高于輸入電壓的直流-直流變換電路。
5.如權(quán)利要求1所述的基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述升壓斬波電路包括電阻R和電容C，電阻R和電容C相并聯(lián)，電容C的一端通過二極管D及電感L與第二 Z型變壓器相連，三極管的集電極設(shè)置在二極管D的正極端及電感L之間，三極管的發(fā)射極與電容的另一端相連且與地相連。
6.如權(quán)利要求5所述的基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述三極管為IGBT。
7.如權(quán)利要求1所述的基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述IGBT的柵極端上施加有控制脈沖。
8.如權(quán)利要求1所述的基于單導(dǎo)線交直流混合技術(shù)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，其特征是，所述第一Z型變壓器與直流源之間的線路、第二 Z型變壓器與升壓斬波電路之間的線路和第一 Z型變壓器與第二 Z型變壓器之間的線路上均設(shè)有數(shù)據(jù)采集點。
【文檔編號】H02J5/00GK103812139SQ201410010983
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】段玉兵, 胡曉黎, 雍軍, 劉嶸, 孟海磊 申請人:國家電網(wǎng)公司, 山東電力研究院