基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统及控制方法
阅读说明：本技术 基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统及控制方法 (Power supply system for transformer substation based on 10kV energy router reconstruction and control method ) 是由 金林 冷旭东 罗平东 刘之尧 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统,包括：能量路由器,所述能量路由器由双向AC/DC电子固态变压器、单向DC/DC光伏电池阵列接口电路和双向DC/DC储能电池阵列接口电路组成,所述双向AC/DC电子固态变压器的一端与电网接口连接,另一端与DC汇流母线连接,所述单向DC/DC光伏电池阵列接口电路和所述双向DC/DC储能电池阵列接口电路与DC汇流母线连接；柔性交流电源系统,所述柔性交流电源系统与所述能量路由器引出的DC汇流母线连接；柔性直流电源系统,所述柔性直流电源系统与所述能量路由器引出的DC汇流母线连接；柔性通讯电源系统,所述柔性通讯电源系统与所述能量路由器引出的DC汇流母线连接。解决了变电站大规模接入光伏、储能后,影响电网安全可靠性运行的问题,同时优化了站用电源系统设计。(The invention discloses a power supply system for a transformer substation based on 10kV energy router reconstruction, which comprises: the energy router consists of a bidirectional AC/DC electronic solid-state transformer, a unidirectional DC/DC photovoltaic cell array interface circuit and a bidirectional DC/DC energy storage cell array interface circuit, wherein one end of the bidirectional AC/DC electronic solid-state transformer is connected with a power grid interface, the other end of the bidirectional AC/DC electronic solid-state transformer is connected with a DC bus bar, and the unidirectional DC/DC photovoltaic cell array interface circuit and the bidirectional DC/DC energy storage cell array interface circuit are connected with the DC bus bar; the flexible alternating current power supply system is connected with a DC bus bar led out from the energy router; the flexible direct-current power supply system is connected with a DC bus bar led out from the energy router; and the flexible communication power supply system is connected with the DC bus bar led out by the energy router. The problem of the transformer substation influence the safe and reliable operation of the power grid after large-scale photovoltaic and energy storage access is solved, and the design of a power system for the substation is optimized.)
技术领域
本发明涉及柔性站用电源技术领域，特别涉及一种基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统及控制方法。
背景技术
现有变电站电源主要经10kV变压器降压为AC380V提供站用交流电源子系统，由站用交流电源AC/DC整流为DC220V/DC110V及蓄电池作为备用电源组成站用直流电源子系统，由交流正常供电、蓄电池后备的UPS子电源系统，由站用交流电源AC/DC整流为DC48V及蓄电池作为备用电源组成站用直流通信电源子系统。站用电源系统一般不包括光伏、储能系统，作为备用电源的蓄电池正常运行时长期处于浮充状态，规程要求蓄电池不能脱离直流母线。常规变电站用电源架构见附图3。
2020年9月22日，中国政府宣布采取更加有力的政策和措施，二氧化碳的碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取到2060年前实现“碳中和”。电网公司是实现碳中和的主力军。根据2013年颁布实施的《中国电网企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》，电网公司的温室气体排放主要来源：一是SF6设备修理与退役过程中产生的排放；二是输配电损失所对应的电力生产环节产生的二氧化碳排放。目前，电网公司逐步在各省建立SF6回收和处理中心，基本实现了100％的回收处理。排放主要是输配电损失所对应的二氧化碳排放，计算公式如下：
线损引起的二氧化碳排放(tCO2)＝线损电量(MWh)×区域电网年平均供电排放因子(tCO2/MWh)。
电网公司可以通过减少线损、降低供电排放因子来达成减碳目标。
电网公司变电站数量庞大，通过变电站屋顶、屋面、围墙等安装光伏电池板，空闲空间部署集装箱式储能系统都是变电站发展新能源，降低碳排放因子较好的方式。变电站将成为电网公司实现减碳的主战场
变电站常规站用电源系统由10kV常规电磁感应式变压器、交流切换系统、站用交流电源系统、站用直流电源系统、站用UPS电源系统、站用通信电源系统、监控系统等组成，其架构如附图3，特征是：1、常规站用电源系统不含光伏、储能等分布式电源系统。2、常规站用电源为单向电源，不会反向对电网反馈电能。3、柔性控制是基于电力电子技术对电能的各个环节进行快速、精确控制的技术。常规10kV变压器为电磁感应原理的变压器，不具备双向电能控制、电能质量调节能力。4、站用交流电源系统不具备柔性控制功能；站用直流电源系统中蓄电池组直接挂在直流母线上，在交流电源失电情况下，蓄电池组不受控制直接带载放电，不具备柔性控制功能。5、提高站用交流电源系统可靠性的措施之一是采用两路交流进线电源切换。6、蓄电池组作为站用直流电源系统、站用UPS电源系统、站用通信电源系统的备用电源，存在维护工作量大，容易发生故障等不利因素。
变电站接入光伏、储能一般有两种常规方案：(1)光伏通过光伏逆变、储能通过PCS接入站用交流AC380V电源母线；(2)光伏逆变、储能PCS通过单独10kV常规变压器接入10kV母线。
但是上述方案存在以下问题：
问题1：如果变电站大规模建设光伏储能，由于常规变压器不具备对潮流的控制功能，大量的变电站光伏、储能将成为电网不可控电源，成为影响电网安全运行的未知因素。
问题2：如果采用光伏储能通过站用交流电源接入方案，新能源潮流的不稳定性或故障，将影响站用交流电源安全可靠性；如果采用光伏储能通过专用变压器接入10kV母线的方案，虽然对站用电源不产生干扰，但问题1仍然存在，同时并没有优化现有站用电源的设计，仍是不完善方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统，包括：
能量路由器，所述能量路由器由双向AC/DC电子固态变压器、单向DC/DC光伏电池阵列接口电路和双向DC/DC储能电池阵列接口电路组成，所述双向AC/DC电子固态变压器的一端与电网接口连接，另一端与DC汇流母线连接，所述单向DC/DC光伏电池阵列接口电路和所述双向DC/DC储能电池阵列接口电路与DC汇流母线连接；
柔性交流电源系统，所述柔性交流电源系统与所述能量路由器引出的DC汇流母线连接；
柔性直流电源系统，所述柔性直流电源系统与所述能量路由器引出的DC汇流母线连接；
柔性通讯电源系统，所述柔性通讯电源系统与所述能量路由器引出的DC汇流母线连接。
进一步地，所述单向DC/DC光伏电池阵列接口电路由第一单向DC/DC变换模块组成，所述第一单向DC/DC变换模块的输出端与DC汇流母线连接，所述第一单向DC/DC变换模块的输入端与光伏阵列的输出端连接，所述第一单向DC/DC变换模块与所述光伏阵列组成柔性光伏系统。
进一步地，所述双向DC/DC储能电池阵列接口电路由双向DC/DC变换模块组成，所述双向DC/DC变换模块的一端与DC汇流母线连接，所述双向DC/DC变换模块的另一端与储能电池阵列连接，所述双向DC/DC变换模块与所述储能电池阵列组成一组柔性储能系统。
进一步地，所述柔性储能系统至少为两组。
进一步地，所述柔性交流电源系统包括DC/AC变换模块，所述DC/AC变换模块的输入端与DC汇流母线连接，所述DC/AC变换模块的输出端与交流电源负荷连接。
进一步地，所述柔性直流电源系统包括第二单向DC/DC变换模块，所述第二单向DC/DC变换模块的输入端与DC汇流母线连接，所述第二单向DC/DC变换模块的输出端与直流电源负荷连接。
进一步地，所述柔性通讯电源系统包括第三单向DC/DC变换模块，所述第三单向DC/DC变换模块的输入端与DC汇流母线连接，所述第三单向DC/DC变换模块的输出端与直流通信电源负荷连接。
进一步地，所述能量路由器为多端口10KV能量路由器，所述双向AC/DC电子固态变压器为10KV双向AC/DC电子固态变压器。
基于上述的基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统的基于10kV能量路由器重构的变电站用电源控制方法，包括以下步骤：
使柔性光伏系统优先供应站用电源负荷，柔性光伏系统满足站用电源负荷时，电能多余部分对储能电池充电；
使一组柔性储能系统处于备用电源运行状态，使另一组柔性储能系统处于储能系统充放电运行状态，两组柔性储能系统轮换工作；
使柔性储能系统放电优先供应站用电源负荷，多余电能在10KV双向AC/DC电子固态变压器控制下反馈电网。
进一步地，还包括以下步骤：
10kV交流停电时，使柔性光伏系统、柔性储能系统作为站用电源的备用电源为站用电源负荷供电，采用分时切除负荷保证不同负荷的应急供电需求。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
10kV双向AC/DC电子固态变压器代替了10kV常规电磁感应式变压器，光伏系统、储能系统成为标准配置，储能系统成为整个系统的备用电源，取消常规的直流电源蓄电池组、UPS电源蓄电池组、通信电源蓄电池组，由单向DC/AC变换得到的柔性站用交流电源系统代替常规站用交流电源系统、UPS电源系统；
柔性站用电源系统以电力电子变换技术为核心，所有电力变换模块输入、输出之间均有高频变压器隔离，所有子系统具备柔性控制功能；
光伏、储能通过10kV电子固态变压器接入电网，潮流大小方向、电能质量可控，10kV柔性固态变压器与柔性光伏系统、柔性储能系统形成整体，接受来自电网调度的控制，站用电源系统成为双向可控电源，站用电源不但从电网取电，也向电网馈电，成为能源互联网重要一环；
柔性储能系统配置两组，一组处于备用电源运行状态，一组用于储能系统充放电运行。两组储能系统轮换工作；
系统模块化冗余设计，提供高可靠性；
各种电力电子变换功能为并联冗余的子供电单元构成，不会因为少数子供电单元故障影响系统运行，特别是作为全站双向能量控制的10kV柔性固态变压器，以及承担减碳任务和后备电源的柔性储能系统不会因少数模块或蓄电池故障，影响系统安全可靠性；
附图说明
图1为本发明的一种基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统的系统结构示意图。
图2为本发明的一种基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统的10kV能量路由器原理框图。
图3为常规站用电源架构图。
图中：10、10KV双向AC/DC电子固态变压器；20、第一单向DC/DC变换模块；30、双向DC/DC变换模块；40、DC/AC变换模块；50、第二单向DC/DC变换模块；60、第三单向DC/DC变换模块；70、光伏阵列；80、储能电池阵列。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-2所示的一种基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统，包括：
能量路由器，所述能量路由器由双向AC/DC电子固态变压器、单向DC/DC光伏电池阵列接口电路和双向DC/DC储能电池阵列接口电路组成，所述双向AC/DC电子固态变压器的一端与电网接口连接，另一端与DC汇流母线连接，所述单向DC/DC光伏电池阵列接口电路和所述双向DC/DC储能电池阵列接口电路与DC汇流母线连接；
柔性交流电源系统，所述柔性交流电源系统与所述能量路由器引出的DC汇流母线连接；
柔性直流电源系统，所述柔性直流电源系统与所述能量路由器引出的DC汇流母线连接；
柔性通讯电源系统，所述柔性通讯电源系统与所述能量路由器引出的DC汇流母线连接。
其中，所述单向DC/DC光伏电池阵列接口电路由第一单向DC/DC变换模块20组成，所述第一单向DC/DC变换模块20的输出端与DC汇流母线连接，所述第一单向DC/DC变换模块20的输入端与光伏阵列70的输出端连接，所述第一单向DC/DC变换模块20与所述光伏阵列70组成柔性光伏系统。
其中，所述双向DC/DC储能电池阵列接口电路由双向DC/DC变换模块30组成，所述双向DC/DC变换模块30的一端与DC汇流母线连接，所述双向DC/DC变换模块30的另一端与储能电池阵列80连接，所述双向DC/DC变换模块30与所述储能电池阵列80组成一组柔性储能系统。
其中，所述柔性储能系统至少为两组。
其中，所述柔性交流电源系统包括DC/AC变换模块40，所述DC/AC变换模块40的输入端与DC汇流母线连接，所述DC/AC变换模块40的输出端与交流电源负荷连接。
其中，所述柔性直流电源系统包括第二单向DC/DC变换模块50，所述第二单向DC/DC变换模块50的输入端与DC汇流母线连接，所述第二单向DC/DC变换模块50的输出端与直流电源负荷连接。
其中，所述柔性通讯电源系统包括第三单向DC/DC变换模块60，所述第三单向DC/DC变换模块60的输入端与DC汇流母线连接，所述第三单向DC/DC变换模块60的输出端与直流通讯电源负荷连接。
其中，所述能量路由器为多端口10KV能量路由器，所述双向AC/DC电子固态变压器为10KV双向AC/DC电子固态变压器10。
基于上述的基于10kV能量路由器重构的变电站用电源系统的基于10kV能量路由器重构的变电站用电源控制方法，包括以下步骤：
使柔性光伏系统优先供应站用电源负荷，柔性光伏系统满足站用电源负荷时，电能多余部分对储能电池充电；
使一组柔性储能系统处于备用电源运行状态，使另一组柔性储能系统处于储能系统充放电运行状态，两组柔性储能系统轮换工作；
使柔性储能系统放电优先供应站用电源负荷，多余电能在10KV双向AC/DC电子固态变压器控制下反馈电网。
其中，还包括以下步骤：
10kV交流停电时，使柔性光伏系统、柔性储能系统作为站用电源的备用电源为站用电源负荷供电，采用分时切除负荷保证不同负荷的应急供电需求。
在本实施例中，通过使光伏、储能通过10kV电子固态变压器接入电网；站用电源各子系统能互相隔离，接入站用电源的光伏、储能，同时成为站用电源各子系统的备用电源系统。解决了背景技术中提到的两个问题，并优化了现有站用电源设计，起到“1+1>2”的作用，具体为：
多端口10kV能量路由器由10kV双向AC/DC电子固态变压器、单向DC/DC光伏电池阵列接口电路、双向DC/DC储能电池阵列接口电路组成。
以多端口10kV能量路由器为核心构建柔性站用电源系统。柔性站用电源系统由10kV电子固态变压器、柔性光伏系统、柔性储能系统、柔性交流电源系统、柔性直流电源系统、柔性通信电源系统、监控系统等组成。
本申请与常规站用电源系统架构相比，主要的区别在于：
1.常规站用电源系统使用10kV常规电磁感应式变压器，不具备双向电能控制能力和电能质量调节能力，而本申请采用10kV双向AC/DC电子固态变压器代替了10kV常规电磁感应式变压器，使系统可将储能系统的电能反馈电网，具备了双向电能控制能力，以及电能质量可控。
2.常规站用电源系统建设光伏储能系统存在问题，第一，如上述的采用常规电磁感应式变压器不具备对潮流的控制功能，使建设的变电站光伏储能系统成为电网的不可控电源，成为电网的运行的安全隐患；第二，如果光伏储能使用站用交流电源接入方案，新能源潮流的不稳定性或故障将影响站用交流电源的安全可靠性；第三，如果光伏储能使用专用变压器接入10kV母线的方案，虽然对站用电源不产生干扰，但第一点的问题仍然存在，同时并没有优化现有站用电源的设计。而本申请使光伏储能系统通过10kV电子固态变压器接入电网，潮流大小方向、电能质量可控。10kV柔性固态变压器与柔性光伏系统、柔性储能系统形成整体，接受来自电网调度的控制，站用电源系统成为双向可控电源，另外，站用电源各子系统能互相隔离，接入站用电源的光伏、储能，同时成为站用电源各子系统的备用电源系统，使光伏系统、储能系统成为标准配置；
3.常规站用电源使用的直流电源蓄电池组、UPS电源蓄电池组、通信电源蓄电池组难维护，易故障，本申请中储能系统成为整个系统的备用电源，其他子系统不配置后备电源系统，维护工作量大大减小。
4.本申请使用单向DC/AC变换得到的柔性站用交流电源系统代替常规站用交流电源系统、UPS电源系统。
柔性站用电源系统以电力电子变换技术为核心，所有电力变换模块输入、输出之间均有高频变压器隔离，所有子系统具备柔性控制功能。
光伏、储能通过10kV电子固态变压器接入电网。10kV柔性固态变压器与柔性光伏系统、柔性储能系统形成整体，接受来自电网调度的控制。站用电源系统成为双向可控电源。站用电源不但从电网取电，也向电网馈电，成为能源互联网重要一环。
柔性储能系统配置两组：一组处于备用电源运行状态；一组用于储能系统充放电运行。两组储能系统轮换工作。
系统模块化冗余设计，提供高可靠性。
各种电力电子变换功能为并联冗余的子供电单元构成，不会因为少数子供电单元故障影响系统运行。特别是作为全站双向能量控制的10kV柔性固态变压器，以及承担减碳任务和后备电源的柔性储能系统不会因少数模块或蓄电池故障，影响系统安全可靠性。
柔性站用电源系统架构参见附图3，柔性光伏系统、柔性储能系统通过整站直流母线作为其他站用电源负荷的备用电源，其他子系统不再配置交流停电情况下蓄电池为特征的后备电源系统。
系统的正常运行方式：
(1)光伏充足时，优先供应站用电源负荷，有多余部分对储能电池充电；
(2)柔性储能系统配置两组：一组处于备用电源运行状态；一组用于储能系统充放电运行。两组储能系统轮换工作。
(3)储能系统可利用峰谷时间差进行充电放电。储能系统放电优先供应站用电源负荷，多余电能在10kV柔性固态变压器控制下反馈电网。
10kV交流停电运行方式：
10kV交流停电时，由柔性光伏系统、柔性储能系统作为站用电源的备用电源为站用电源负荷供电。为保证不同的放电供电时间，可采用分时切除负荷的策略保证不同负荷的应急供电需求。
通过使用柔性站用电源系统，解决了电网大规模变电站接入光伏、储能的难题，带来技术变革。
柔性站用电源系统不但对电网公司实现碳中和产生重要影响，而且对提升变电站站用电源安全性、转变变电站功能起到积极作用：变电站不止是分配电能的中心，也是削峰填谷的中心，优化电能质量的稳定器。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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