基于直流多端口电能交换器的全可控灵活配电系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于直流多端口电能交换器的全可控灵活配电系统及方法，该系统由多个不同电压等级的配电节点层次组网模型相互连接组成，所述单个配电节点层次组网模型包括直流多端口电能交换器及其负载，所述负载包括各类用电单元及分布式电源；同时通过交直流端口集中的方式可以减少配电网中交直流变换器的数量，实现一个配电端口内的交直流无缝控制以及多种能源高效融合利用的目的。通过将交流端口与对应电压等级的直流端口集中于直流多端口电能交换器的方式，实现中高低压交直流配电网之间、交直流配电网与分布式电源、储能装置以及用电单元之间，能量与信息数据的双向流动。

Fully controllable flexible distribution system and method based on DC multi port power exchanger

The invention relates to a fully controllable flexible distribution system and method based on a DC multi port power switch. The system is composed of a number of distribution nodes with different voltage levels. The hierarchical network model of the single distribution node consists of a DC multi port power switch and its load, and the load packet described. At the same time, the number of AC and DC converters in the distribution network can be reduced by means of AC and DC port centralization, and the purpose of realizing a seamless AC / DC control in a distribution port and the efficient and efficient use of various energy sources can be achieved. By concentrating the AC port and the DC port of the corresponding voltage level on the DC multi port power switch, the bidirectional flow between the medium and low voltage AC / DC power distribution network, the AC DC distribution network and the distributed power supply, the energy storage device and the power consumption unit, and the energy and information data are realized.

【技术实现步骤摘要】
基于直流多端口电能交换器的全可控灵活配电系统及方法
本专利技术涉及一种层次组网灵活配电系统，具体涉及一种基于直流多端口电能交换器的全可控灵活配电系统及方法。
技术介绍
大量的分布式电源、微电网和柔性负荷的接入，使得传统配电网演化为交流配电网与直流微电网共存。交流配电网仍沿用传统配电网结构与控制特点，无法满足用户对配电网电能质量和多种电能形式定制用电的要求；同时当前依靠用户自己保证电能质量和大量分散性整流装置对直流负荷供电的方式，不仅增加了成本、容易产生电能质量问题，还严重的降低了能效。另一方面，直流微电网的能效问题和经济性饱受质疑，而且为了适应分布式电源和柔性负荷的大量接入，如图1所示，构成未来直流配电网所需要的交直流变换器数量急剧增加，使系统结构复杂、控制难度提高。此外，电力用户深度参与配电网运行与管理的需求越来越强烈，迫切希望改变当前集中控制和被动管理的模式，并从配电网自身架构上建立集中与分布相结合的分层递进主动控制框架。
技术实现思路
为解决上述现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种基于直流多端口电能交换器的全可控灵活配电系统及方法，本专利技术适用于未来中高压直流配电网的多端口直流电能交换器、以及以该类直流电能交换器为核心的交直流无缝全可控灵活配电系统，从而有效地解决上述问题。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：本专利技术提供一种基于直流多端口电能交换器的交直流全可控灵活配电系统，其改进之处在于，所述配电系统由多个单个配电节点层次组网模型相互连接组成，所述单个配电节点层次组网模型包括不同电压等级的直流多端口电能交换器及其负载，所述负载包括各类用电单元、分布式电源以及储能等，所述不同电压等级的直流多端口电能交换器相互连接；通过将交流端口与对应电压等级的直流端口集中于直流多端口电能交换器的方式，实现中高低压交直流配电网之间、交直流配电网与分布式电源、储能装置以及用电单元之间，能量与信息数据的双向流动；同时交直流端口集中的方式减少配电网中交直流变换器的数量，实现一个配电端口内的交直流无缝控制。进一步地，所述不同电压等级的直流多端口电能交换器包括高压直流多端口电能交换器和中、低压直流多端口电能交换器；所述高压直流多端口电能交换器的输入侧通过高压直流母线实现互联，进而实现电能交换器基础上的高压直流组网层；高压直流多端口电能交换器输出侧通过中压直流母线实现互联，形成基于电能交换器的中压直流组网层；中低压直流多端口电能交换器输入侧通过中低压直流母线实现互联，实现电能交换器基础上的中低压直流组网层；通过高压直流组网层、中高压交流组网层和中低压直流组网层中电压母线互联，形成基于直流多端口电能交换器的配电节点构成的交直流全可控灵活配电系统。进一步地，所述高压直流组网层中高压直流母线的电压等级为90kV～180kV，所述中高压交流组网层中高压直流母线的电压等级为1.5kV～90kV，所述中低压直流组网层的中低压直流母线的电压等级为5V～1.5kV。进一步地，所述不同电压等级的直流多端口电能交换器包括相互连接的电气信息层和电气物理层；所述电气信息层包括监测模块、智能控制模块、通信模块和信息处理模块；所述电气物理层包括电力电子固态模块和电能接口模块；所述智能控制模块与所述电力电子固态模块连接。进一步地，所述电力电子固态模块包括依次连接的固态模块控制器、电力电子开关管、保护与驱动模块和测感模块；所述电能接口模块包括高压交流接口、高压直流接口、工频交流接口和中压直流接口；所述不同电压等级的直流多端口电能交换器通过通讯协议的转换和电能接口模块，实现交直流配电区域内、不同层级间电能交换器的通信和信息的即插即用，构成物理信息模型。进一步地，所述不同电压等级的直流多端口电能交换器的输出侧端口类型包括：交直流端口和直流端口；所述交直流端口包括不同电压等级与不同功能的分接口；通过交直流端口集中于不同电压等级的直流多端口电能交换器的方式，实现配电网中交直流线路的无缝连接；所述交直流端口中的高压交流接口电压等级为120kV～500kV；中压交流接口的电压等级为2kV～120kV；低压交流接口的电压等级为400V以下。所述不同功能的接口包括负载接口、储能接口、分布式发电并网接口、充电桩接口和电源接口。进一步地，所述电力电子固态模块拓扑中AC/DC或DC/AC变换器根据电压等级选用多电平拓扑结构中的一种，多电平拓扑结构中模块的数量取决于直流电压或交流电压等级，多电平拓扑结构包括二极管嵌位(NPC)的单桥臂拓扑、H桥级联拓扑以及模块化多电平MMC拓扑，根据应用中电压等级确定所采用多电平结构的电平数；所述二极管嵌位NPC的单桥臂拓扑实际情况下根据功率等级选择NPC单桥臂或三相三桥臂拓扑，相应的中间中高频隔离变压器采用单相或三相结构；所述H桥级联拓扑与模块化多电平MMC拓扑中的H桥根据功率等级采用单相或三相拓扑，变压器采取相应的改变。本专利技术还提供一种交直流全可控灵活配电系统的配电方法，其改进之处在于，所述方法包括：步骤1：确定全可控灵活配电系统单个配电节点层次组网模型；步骤2：将多个全可控灵活配电系统单个配电节点层次组网模型组成交直流全可控灵活配电系统。进一步地，所述步骤1包括：将不同电压等级的直流多端口电能交换器相互连接组成单个节点层次组网模型；所述不同电压等级的直流多端口电能交换器包括高压直流多端口电能交换器和中低压直流多端口电能交换器；所述高压直流多端口电能交换器的输入侧通过高压直流母线实现互联，进而实现电能交换器基础上的高压直流组网层；高压直流多端口电能交换器输出侧通过中高压交流母线实现互联，形成基于电能交换器的中高压交流组网层；中低压直流多端口电能交换器输入侧通过中低压直流母线实现互联，实现电能交换器基础上的中低压直流组网层；通过高压直流组网层、中高压交流组网层和中低压直流组网层中电压母线互联，形成基于直流多端口电能交换器的交直流全可控灵活配电系统。进一步地，所述步骤2中，将多个单个节点层次组网模型相互连接组成交直流全可控灵活配电系统，通过将交流端口与不同电压等级直流端口集中于直流多端口直流电能交换器的负载侧的方式，实现中高压直流配电网降压向交直流负载供电、中高压直流配电网与分布式电源、储能装置的能量双向流动；同时交直流端口集中的方式减少配电网中交直流变换器的数量，实现一个配电端口内的交直流无缝控制。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。与最接近的现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有的优异效果是：本专利技术提出了一种适用于未来中高压直流配电网的多端口直流电能交换器、以及以该类直流电能交换器为核心的交直流无缝全可控灵活配电系统，该系统将接纳大规模分布式电源、储能、柔性负荷等即插即用接入并实现统一协调管理，实现能量的多向流动，有效提高能源利用率，节约分布式接入及未来配网改造成本。同时，该系统可实现区域分布自治的、电能灵活变换的、网格状的全对等交直流无缝混合配电网络，具备自愈、网络重构和免疫能力，具有极高的供电可靠性，基本排除大面积停电的风险。系统将高度融合电网物理系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于直流多端口电能交换器的交直流全可控灵活配电系统，其特征在于，所述配电系统由多个单个配电节点层次组网模型相互连接组成，所述单个配电节点层次组网模型包括不同电压等级的直流多端口电能交换器及其负载，所述负载包括各类用电单元、分布式电源以及储能等，所述不同电压等级的直流多端口电能交换器相互连接；通过将交流端口与对应电压等级的直流端口集中于直流多端口电能交换器的方式，实现中高低压交直流配电网之间、交直流配电网与分布式电源、储能装置以及用电单元之间，能量与信息数据的双向流动；同时通过交直流端口集中的方式减少配电网中交直流变换器的数量，实现一个配电端口内的交直流无缝控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于直流多端口电能交换器的交直流全可控灵活配电系统，其特征在于，所述配电系统由多个单个配电节点层次组网模型相互连接组成，所述单个配电节点层次组网模型包括不同电压等级的直流多端口电能交换器及其负载，所述负载包括各类用电单元、分布式电源以及储能等，所述不同电压等级的直流多端口电能交换器相互连接；通过将交流端口与对应电压等级的直流端口集中于直流多端口电能交换器的方式，实现中高低压交直流配电网之间、交直流配电网与分布式电源、储能装置以及用电单元之间，能量与信息数据的双向流动；同时通过交直流端口集中的方式减少配电网中交直流变换器的数量，实现一个配电端口内的交直流无缝控制。2.如权利要求1所述的交直流全可控灵活配电系统，其特征在于，所述不同电压等级的直流多端口电能交换器包括高压直流多端口电能交换器和中、低压直流多端口电能交换器；所述高压直流多端口电能交换器的输入侧通过高压直流母线实现互联，进而实现电能交换器基础上的高压直流组网层；高压直流多端口电能交换器输出侧通过中压直流母线实现互联，形成基于电能交换器的中压直流组网层；中、低压直流多端口电能交换器输入侧通过中低压直流母线实现互联，实现电能交换器基础上的中低压直流组网层；通过高压直流组网层、中高压交流组网层和中低压直流组网层中电压母线互联，形成基于直流多端口电能交换器的配电节点构成的交直流全可控灵活配电系统。3.如权利要求2所述的交直流全可控灵活配电系统，其特征在于，所述高压直流组网层的高压直流母线的电压等级为90kV～180kV，所述中压直流组网层的中压直流母线的电压等级为1.5kV～90kV，所述低压直流组网层的低压直流母线的电压等级为5V～1.5kV。4.如权利要求3所述的交直流全可控灵活配电系统，其特征在于，所述不同电压等级的直流多端口电能交换器包括相互连接的电气信息层和电气物理层；所述电气信息层包括监测模块、智能控制模块、通信模块和信息处理模块、以及管理控制系统；所述电气物理层包括电力电子固态模块和电能接口模块；所述智能控制模块与所述电力电子固态模块连接。5.如权利要求4所述的交直流全可控灵活配电系统，其特征在于，所述电力电子固态模块包括依次连接的固态模块控制器、电力电子开关管、保护与驱动模块和测感模块；所述电能接口模块包括高压交流接口、高压直流接口、工频交流接口和中压直流接口；所述不同电压等级的直流多端口电能交换器通过通讯协议的转换和电能接口模块，实现交直流配电区域内、不同层级间电能交换器的通信和信息的即插即用，构成物理信息模型。6.如权利要求5所述的交直流全可控灵活配电系统，其特征在于，所述不同电压等级的直流多端口电能交换器的输出侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：段青，盛万兴，沙广林，史常凯，李振，马春艳，赵彩虹，李玉凌，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32