层次组网的交直流无缝混合全可控灵活配电系统及方法与流程

本发明涉及一种全可控灵活配电系统，具体涉及一种层次组网的交直流无缝混合全可控灵活配电系统及方法。

背景技术：

大量间歇性分布式电源的高渗透率接入配电网，传统配电网变得“有源”，其原有结构模式(辐射状方式、馈线弱联络)如图1(a)、(b)和(c)所示，该结构模式下的配电网难以接纳大量的分布式电源、微电网和柔性负荷的接入，并且这些新元素的接入导致配电网的复杂性激增，在本已复杂的配电系统上加装各种变流器、调节器、稳定器、控制器、补偿器，虽然暂时性解决了新元素的接入问题，却导致配电网结构更加复杂，且这种方式成本昂贵，也大大增加了系统运行控制与维护的难度。

随着非线性负荷、精密制造业负荷和直流负荷增加，用户对配电网电能质量和多种电能形式定制用电的要求也越来越强烈，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已不是最佳和最经济的选择，这不仅增加了成本、容易产生电能质量问题，还严重的降低了能效，同时当前配电网无法满足多种形式的定制用电需求问题。若在中低压配电网侧再单独构建多种电压等级的直流配电网，其能效问题和经济性也饱受质疑，且分布式电源、微电网和柔性负荷的大量接入，配电网电源供给和用户负荷的界面已越来越模糊，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进行创新，建立集中与分布相结合、主动控制、层次化、交直流混合的配电系统。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供层次组网的交直流无缝混合全可控灵活配电系统、关键装备及方法，本发明提出了一种全可控灵活配电的层次组网模型以及以该模型为基础构建的全可控灵活配电系统，从而有效地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灵活配电，解决当前配电网框架下的相关问题。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种层次组网的交直流无缝混合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层次组网的单节点系统构成，所述单节点系统由电能交换器、交流并网型电力集能器和直流并网型电力集能器层次组网构成；所述配电系统中各单节点系统通过电能交换器高压侧的高压交流配电线路、高压直流配电线路互联，实现横向组网，通过电能交换器到电力集能器再到电力集能器下级实现高、中、低电压等级纵向组网；所述单节点系统中的电能交换器高压侧交、直流接口分别连接在高压交、直流配电线路上，电能交换器低压交、直流侧连接具备相应等级接口的交流并网型电力集能器和直流并网型电力集能器。

进一步地，所述电能交换器的低压侧交流接口通过交流用电线路连接拥有相应电压等级并网接口的交流并网型电力集能器，以及接入的相应电压等级的分布式电源、储能和交流负荷；所述电能交换器的低压直流接口通过直流用电线路连接拥有相应电压等级并网接口的直流并网型电力集能器，以及接入的相应电压等级的分布式电源、储能和直流负荷；

所述交流并网型电力集能器的中低压直流用电接口实现相应电压等级的分布式电源、储能、直流负荷的接入，所述直流并网型电力集能器的中、低压直流用电接口实现相应电压等级的分布式电源、储能、直流负荷的接入；

所述电能交换器的高压侧交流接口、直流接口分别连接高压交流配电线路、高压直流配电线路，各节点系统中的电能交换器通过高压侧的高压交流配电线路和高压直流配电线路实现横向组网；电能交换器到交流并网型电力集能器和直流并网型电力集能器，再到交流并网型电力集能器和直流并网型电力集能器下级的不同电压等级及形式纵向组网，所述横向组网和纵向组网构建层次组网的全可控灵活配电系统。

进一步地，所述电能交换器用于提供高压侧交流、直流接口以及低压侧交流、直流接口；所述交流并网型电力集能器用于提供交流侧并网接口和中低压直流用电接口；所述直流并网型电力集能器用于提供直流并网接口和中低压直流用电接口。

进一步地，电能交换器提供的高压侧交流、直流接口用于分别连接高压交流配电线路AC1kV～35kV、高压直流配电线路DC1.5kV～65kV；低压侧交流接口用于连接交流用电线路AC100V～380V，低压侧直流接口用于连接直流用电线路DC150V～800V；并网型交流电力集能器则提供对应于电能交换器低压侧交流接口的交流并网接口，并提供中低压侧直流用电接口，用于连接低压直流用电线路DC5V～48V和中压直流用电线路DC100V～400V；并网型直流电力集能器则提供对应于电能交换器低压侧直流接口的直流并网接口，并提供中低压直流用电接口，用于连接低压直流用电线路DC5V～48V和中压直流用电线路DC100V～400V。进一步地，所述电能交换器内部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；所述电气物理层电力电子固态模块和电能接口模块；所述电气物理层中各模块互有连接；所述智能控制模块与所述电力电子固态模块连接，共同完成电能交换器和电力集能器内部交、直流电能灵活变换，从实现灵活配电系统的交直流无缝混合。

进一步地，所述电能交换器电力电子固态模块包括依次连接的固态模块控制器、保护与驱动模块和测感模块；所述电能交换器电能接口模块包括高压交流接口、高压直流接口、低压交流接口和低压直流接口；所述交流并网型电力集能器电能接口模块包括交流并网接口、中压直流接口、低压直流接口；所述直流并网型电力集能器电能接口模块包括直流并网接口、中压直流接口、低压直流接口。所述电能交换器分别与交流并网型电力集能器和直流并网型电力集能器通过多种通讯协议的转换和多种信息交互，实现区域内电能交换器、交流并网型电力集能器、直流并网型电力集能器的智能控制及相应电压等级及形式的分布式电源、可控负荷等的即插即用。

本发明还提供一种层次组网的交直流无缝混合全可控灵活配电系统的具体实现方法，其改进之处在于，所述系统的实现方法包括下述步骤：

步骤1：确定全可控灵活配电系统单个节点层次组网模型，并构建单个节点系统；

步骤2：将多个单节点系统中的电能交换器高压侧交、直流接口分别连接在高压交流配电线路和高压直流配电线路上，实现横向组网互联，结合步骤1组成层次组网的交直流无缝混合全可控灵活配电系统。

进一步地，所述步骤1中，单个节点层次组网模型包括电能交换器、交流并网型电力集能器和直流并网型电力集能器，所述交流并网型电力集能器和直流并网型电力集能器均与电能交换器连接。

进一步地，所述步骤2中，所述电能交换器的低压交流接口通过交流用电线路连接拥有相应电压等级并网接口的交流并网型电力集能器，以及相应电压等级的分布式电源、储能和交流负荷的接入；所述电能交换器的低压直流接口通过直流用电线路连接拥有相应电压等级并网接口的直流并网型电力集能器，以及相应电压等级的分布式电源、储能和直流负荷的接入；所述交流并网型电力集能器的低压直流用电输出接口实现相应电压等级的分布式电源、储能、交流负荷的接入，所述直流并网型电力集能器的中低压直流用电接口实现相应电压等级的分布式电源、储能、直流负荷的接入；电能交换器的高压交流接口、高压直流接口分别连接高压交流配电线路、高压直流配电线路，各节点系统中的电能交换器通过高压交、直流配电线路实现横向组网；电能交换器到交流并网型电力集能器和直流并网型电力集能器，再到交流并网型电力集能器和直流并网型电力集能器下级的不同电压等级及形式纵向组网，所述横向组网和纵向组网构建层次组网的交直流无缝混合的全可控灵活配电系统。

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，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明提出了一种层次组网的全可控灵活配电系统模型以及以该模型为基础构建的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与电网通信信息系统，将实现覆盖城乡的能源、电力、信息综合服务体系。

附图说明

图1是传统配电系统结构，(a)为辐射状方式；(b)为本变电站单联络方式；(c)为变电站间单联络方式；

图2是本发明提供的交直流无缝混合全可控灵活配电系统单个节点层次组网模型；

图3是本发明提供的交直流无缝混合全可控灵活配电系统组网架构图；

图4是本发明提供的灵活配电关键装备系统结构，(a)为电能交换器系统结构；(b)为交流并网型电力集能器系统结构；(c)为直流并网型电力集能器系统结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

实施例1

本发明提出了一种基于层次组网模型的交直流无缝混合全可控灵活配电系统。通过基于融合电气信息物理系统的全可控灵活配电系列装备：①电能交换器，提供高压交流、直流接口；低压交、直流接口；②电力集能器，交流并网型和直流并网型分别提供交、直流并网接口；交流并网型提供中低压直流用电接口，直流并网型提供、中低压直流用电接口。各电能交换器高压侧交、直流接口分别通过高压交流配电线路和直流配电线路实现互联。各电能交换器的低压交＝流接口通过交流用电线路连接拥有相应电压等级交流并网接口的交流并网型电力集能器及相应电压等级的分布式电源、储能、交流负荷等的接入；各电能交换器的低压直流接口通过直流用电线路连接拥有相应电压等级直流并网接口的直流并网型电力集能器及相应电压等级的分布式电源、储能、直流负荷等的接入；而交流型和直流型电力集能器的中低压直流用电接口亦可实现相应电压等级的分布式电源、储能、交直流负荷等的接入；电能交换器的高压侧交流接口、直流接口分别连接高压交流配电线路和直流配电线路，各节点系统中的电能交换器通过高压交、直流配电线路实现横向组网；电能交换器到电力集能器再到电力集能器下级的不同电压等级及形式纵向组网，如此便构建层次组网的交直流无缝混合的全可控灵活配电系统。

该灵活配电系统与当前包含交直流混合微网的刚性配电网有较大的差别，如前所述，该灵活配电系统中由电能交换器统一提供高压侧交、直流(AC1kV～35kV、DC1.5kV～65kV)接口及低压侧交直流接口，并实现系统中电能交换器高压侧互联、中低压级多电压等级多端口交直流无缝供配电、相应电压等级电力集能器、分布式电源、储能、柔性负荷等接入。同时，依托电能交换器及电力集能器实现电力需求侧管理、分布式电源、柔性负荷与配电网的有机融合，以及电源与用户的即插即用和用户多品质电能定制服务。

实施例2

本发明提出了一种基于全可控灵活配电关键装备：电能交换器和电力集能器的全可控灵活配电层次组网模型以及以该模型为基础构建的全可控灵活配电系统。该灵活配电系统中，由全可控灵活配电系列装备统一进行并网控制、能量管理、协调运行，其中电能交换器统一提供高压交、直流接口分别用于连接高压交流配电线路AC1kV～35kV、高压直流配电线路DC1.5kV～65kV；低压交流接口用于连接交流用电线路AC100V～380V，低压直流接口用于连接直流用电线路DC150V～800V；并网型交流电力集能器提供对应于电能交换器低压侧交流接口的交流并网接口，并提供中低压侧直流用电接口，用于连接低压直流用电线路DC5V～48V和中压直流用电线路DC100V～400V；并网型直流电力集能器提供对应于电能交换器低压侧直流接口的直流并网接口，并提供中低压直流用电接口，用于连接低压直流用电线路DC5V～48V和中压直流用电线路DC100V～400V。以电能交换器和电力集能器为核心的全可控灵活配电关键装备进行互联组网，形成全可控灵活配电系统单个节点层次组网模型，并构建单节点全可控灵活配电系统，多个单节点组网进而构建交直流无缝混合的全可控灵活配电系统。

(1)全可控灵活配电系统单个节点层次组网模型

如图2所示为以电能交换器和电力集能器为核心配电装备的全可控灵活配电系统单个节点层次组网模型，图中包含一台电能交换器、一台交流并网型电力集能器、一台直流并网型电力集能器，此处只是为了表述方便，实际应用中为不限于两台电力集能器而是多种多台的组网运行。图2显示以电能交换器和电力集能器为核心配电装备的全可控灵活配电系统单个节点层次组网模型，也可称为“配电局域网”(Local Area Grid,LAG)。该模型是融合信息流、电能流、控制流的层次化配电系统，并由灵活配电能量管理系统进行管理，它将是构建交直流无缝混合灵活配电网的核心节点模型。该节点通过分布式能源发电、微能源的采集、汇聚与分享以及储能和负荷用电消纳，形成层次化结构的配电局域网，其中配电局域网中又包含了“配电子网”(Sub-LAG)。电能交换器主要构建面向较高电压等级和较大容量的交流、直流无缝混合的配电局域网，而电力集能器则构建面向用户的较低电压级别和较小容量的交流、直流无缝混合用电线路的配电子网。电能交换器是是基于电力电子和信息技术的新型全可控配电装备，除了变压功能外，它还集成配电局域网能量管理系统，统一进行并网功能管理，统一构建多电压等级的直流和交流配电线路，统一电能质量控制，统一能量管理，方便解决配电局域网网中分布式电源和柔性负荷统一通用接入、一体化控制和高效管理，并且与上层故障和扰动隔离。它的应用场景是主要是配网中较大范围的供电范围和较大功率分布式电源接入和消纳。在附图2中电能交换器构建了高压交流配电线路AC1kV～35kV，高压直流配电线路DC1.5kV～65kV的无缝混合配电局域网，并同时提供了交流用电线路AC100V～380V，高中压直流用电线路DC150V～800V，可以满足多种交直流配用电的需求和分布式电源、柔性负荷(分布式储能、电动汽车)的接入。新型全可控的电力集能器将是构建配电子网的核心装备，除了交流电变压外，电力集能器具备与电能交换器相似的功能，只是管理的对象是较低电压和较小容量的用电范围。配电子网将是构建配电局域网的组成部分，可根据实际应用场景来选择配置，附图中分别给出了交流、直流并网型电力集能器并入配电局域网的应用场景，图中交流、直流并网型电力集能器分别从电能交换器提供的交流用电线路AC100V～380V，高中压直流用电线路DC150V～800V进行并网，同时还提供了低压直流用电线路DC5V～48V和中压直流用电线路DC100V～400V，同样可以满足较小容量的多种交直流配用电的需求和较小容量分布式电源、柔性负荷(分布式储能、电动汽车)的接入。该节点模型中电能交换器和电力集能器所提供的各电压等级的交直流配用电线路可以全部具备或根据实际应用情况进行组合具备。

这样配电局域网与配电子网通过电能交换器和电力集能器，使得交流、直流在设备内部进行灵活变换，将不同电压等级的交流和直流配用电“无缝”混合、闭环运行，与过去交流与直流两个相互独立的配电系统相比，具有控制、协调、能效、经济等多方面的优势。这种层次化的交直流无缝混合的灵活配电系统是构建灵活配电网的基本节点，这种分布与集中结合的架构更加有利于分层递阶控制，它从微型、小型能源的收集，储能和负载的消纳到配电子网、配电局域网的互联从而形成广域的交直流无缝混合的灵活配电网。

(2)层次组网的交直流无缝混合全可控灵活配电系统

如图3所示，就是由四个配电局域网即单节点系统构成的交直流无缝混合的灵活配电网，可以看出其网格状、全对等、强连接、交直流无缝混合、区域自治和分层协调的格局，每个配电局域网之间可以通过电能交换器的高压交流配电线路AC1kV～35kV和高压直流配电线路DC1.5kV～65kV，进行互联组网，图3中给出了四个配电局域网组网的例子，而且每个配电局域网都通过各自电能交换器的高压交流配电线路AC1kV～35kV和高压直流配电线路DC1.5kV～65kV同时连接，在此仅为举例，而在实际应用中可为1、2、3、4或多个节点系统的对等组网并无限延伸，并且与高压交流配电线路AC1kV～35kV和高压直流配电线路DC1.5kV～65kV可以同时连接也可以单独连接。每个配电局域网内的电能交换器可根据实际应用场景同时提供或者组合提供交流用电线路AC100V～380V，中压直流用电线路DC150V～800V，方便不同种类、不同数量的电力集能器、较大容量的分布式电源和柔性负荷并网连接。而在配电局域网内的配电子网也可由电力集能器根据实际应用场景配置同时提供或者组合提供低压直流用电线路DC5V～48V和中压直流用电线路DC100V～400V，从而方便多种小容量的分布式电源和柔性负荷的并网接入。

灵活配电系统中实现组网的核心装备-电能交换器和电力集能器是基于电力电子技术和信息技术的新型全可控系列配电装备，除了变压功能外，它还集成能量管理系统，统一进行并网功能管理，统一构建多电压等级的直、交流配电线路，统一电能质量控制、能量管理，方便解决配电网中分布式电源和柔性负荷统一通用接入、一体化控制和高效管理，并且与上层故障和扰动隔离。其系统结构如图4(a)、(b)、(c)所示，主要包含：电力电子固态模块、电能接口模块、监测模块和储能模块(可选)、智能控制模块、通信模块和信息处理模块。其中核心模块为电力电子固态模块，主要包括：固态模块控制器、保护与驱动模块和测感模块等。电能交换器和电力集能器通过多种通讯协议的转换和多种信息交互，实现区域内电能交换器、电力集能器的智能控制及相应电压等级及形式的分布式电源、可控负荷等的即插即用。电力集能器与电能交换器各模块功能相近，只是应用场景、线路方式、变流模型和具体实现电路拓扑不尽相同。

本发明针对当前有源配电网无法解决分布式电源高效接入、即插即用、集中化控制以及未来交直流混合配电网发展等问题，提出了一种全可控灵活配电的层次组网模型以及以该模型为基础构建的交直流无缝混合的全可控灵活配电系统，创新配电网的结构模式，通过全可控灵活配电核心装备--电能交换器和电力集能器的层次组网实现交直流电能的无缝混合、灵活可控、智能管理及配用，有效降低有源配电网系统构成的复杂性，减少分散设备的种类、数量，提高运行可控性与可维护性，显著提高未来配电网对分布式电源、微电网和柔性负荷等新元素的接纳能力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。