CN106451406B - 一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置 - Google Patents

一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置，该装置包括：变压单元，用于连接两个直流配电系统，并对接入开关装置两侧的直流配电系统进行变压或隔离处理；检测单元，与变压单元电连接，用于检测直流配电系统的母线电压；控制单元，与变压单元和检测单元相连，基于检测单元的检测结果，控制变压单元处于不同工作模式。本发明的柔性开关装置，实现了不同直流配电系统的直接相连和能量的双向流动，保证了能量在各个微网之间的配置优化，协调了多个直流微网的运行，解决了单个微网的有效故障隔离问题，提高了系统的可靠性。

Description

一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置
技术领域
本发明涉及电力技术领域。更具体地，涉及一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置。
背景技术
微网是指由分布式电源、储能装置、负荷等装置按一定运行规则汇集而成的小型发配电系统。由于传统的电力系统属于交流系统，考虑到微电网的接入问题,因此交流微电网得到了较多的关注及较快发展。然而，微电网系统中存在着为数众多的直流微电源和直流负荷，如果仅用交流微电网形式连接分布式电源给负荷供电，需要大量的多级变换器来变换电能形式,这样不仅降低了电能传输的效率，也会降低系统的可靠性。同时由于直流配电系统无需考虑相位同步、谐波和无功功率损耗等方面的问题,因此研究直流微电网的相关技术具有重要意义。
直流微电网是以直流配电的形式,通过一条公共的直流母线将所有直流型分布式电源及直流负荷连接起来的独立可控系统。直流微电网通过对直流型分布式电源集中变换，提高了系统直流侧电能质量，减少了电力电子转换过程中电能的损耗，更有利于对系统集中调度监控。
目前多个直流微网之间并不是直接相连的，如附图1所示，它们分别通过各自的双向DC/AC变换器连接到一条公共的交流母线。这种连接方式造成直流微网间能量调度非常复杂，且传输效率较低。如果将直流微网间直接相连，当其中某个直流微网发生故障时，会对其他直流微网造成影响，削弱了系统的稳定性。因此，研究多个直流微网之间的连接方式具有重要意义。
因此，需要提供一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置，该开关装置包括：
变压单元，用于连接两个直流配电系统，并对接入开关装置两侧的直流配电系统进行变压或隔离处理；
检测单元，与变压单元电连接，用于检测直流配电系统的母线电压；
控制单元，与变压单元和检测单元相连，基于检测单元的检测结果，控制变压单元处于不同工作模式。
优选地，变压单元连接的直流配电系统分别为Ⅰ侧和Ⅱ侧直流配电系统，变压单元包括：第一IGBT晶体管T1、第二IGBT晶体管T2、第三IGBT晶体管T3、第四IGBT晶体管T4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和电感器L；
第一IGBT晶体管T1集电极与Ⅰ侧直流配电系统正极相连，第二IGBT晶体管T2发射极与Ⅰ侧直流配电系统负极相连，第三IGBT晶体管T3集电极与Ⅱ侧直流配电系统正极相连，第四IGBT晶体管T4发射极与Ⅱ侧直流配电系统负极相连；
电感器L设置在第一IGBT晶体管T1发射极与第二IGBT晶体管T2集电极连接的第一节点和第三IGBT晶体管T3发射极与第四IGBT晶体管T4集电极连接的第二节点之间；
各个二极管与对应IGBT晶体管反向并联连接；
IGBT晶体管为绝缘栅双极型晶体管。
进一步优选地，变压单元进一步包括：第一电容器C1和第二电容器C2；第一电容器C1与Ⅰ侧直流配电系统并联连接，第二电容器C2与Ⅱ侧直流配电系统并联连接。
进一步优选地，检测结果包括：Ⅰ侧直流配电系统的电压值v1、Ⅱ侧直流配电系统的电压值v2和电感器L的电流值i。
进一步优选地，变压单元的工作模式包括：
正向升压模式，第一IGBT晶体管T1导通，第二IGBT晶体管T2关断，第三IGBT晶体管T3关断，第四IGBT晶体管T4调制；
正向降压模式，第一IGBT晶体管T1调制，第二IGBT晶体管T2关断，第三IGBT晶体管T3关断，第四IGBT晶体管T4关断；
反向升压模式，第一IGBT晶体管T1关断，第二IGBT晶体管T2调制，第三IGBT晶体管T3导通，第四IGBT晶体管T4关断；
反向降压模式，第一IGBT晶体管T1关断，第二IGBT晶体管T2关断，第三IGBT晶体管T3调制，第四IGBT晶体管T4关断；
升降压模式，第一IGBT晶体管T1调制，第二IGBT晶体管T2关断，第三IGBT晶体管T3关断，第四IGBT晶体管T4调制；
隔离模式，各个IGBT晶体管关断；
正向指潮流方向为Ⅰ侧向Ⅱ侧直流配电系统方向，反向指潮流方向为Ⅱ侧向Ⅰ侧直流配电系统方向。
进一步优选地，控制单元通过改变各个IGBT晶体管门极电平的高低，控制各个IGBT晶体管导通、关断或调制。
进一步优选地，若Ⅰ侧直流配电系统电压值v1小于Ⅱ侧直流配电系统电压值v2，且其差值大于第一阈值，则控制单元控制变压单元工作在正向升压模式或反向降压模式；
若Ⅰ侧直流配电系统电压值v1大于Ⅱ侧直流配电系统电压值v2，且其差值大于第一阈值，则控制单元控制变压单元工作在反向升压模式或正向降压模式；
若Ⅰ侧直流配电系统电压值v1与Ⅱ侧直流配电系统电压值v2差值小于第一阈值，则控制单元控制变压单元工作在升降压模式；
若电感器L电流值i大于第二阈值，则控制单元控制变压单元工作在隔离模式。
进一步优选地，控制单元基于Ⅰ侧向Ⅱ侧直流配电系统负荷情况对柔性开关模式进行选择。
本发明的有益效果如下：
1.本发明中用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置，实现具有不同直流母线电压的直流配电系统直接相连，通过柔性开关装置工作模式的切换，实现了能量的双向流动。
2.本发明中用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置，基于检测单元对直流微网负荷的检测结果，通过控制单元控制微网间的潮流调度，实现了能量在各个微网之间的配置优化，协调了多个直流微网的运行。
3.本发明中用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置，实现了对单侧微网发生故障时对柔性开关装置两侧的微网进行有效的故障隔离，消除了微网之间故障的相互影响，提高了系统的可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出传统直流微网连接方式示意图。
图2示出柔性开关装置与直流配电系统连接关系示意图。
图3示出柔性开关装置控制关系示意图。
图4示出柔性开关装置变压单元示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，传统的直流微网分别通过各自的双向DC/AC变换器连接到一条公共的交流母线，这种连接方式造成直流微网间能量调度非常复杂，且传输效率较低。如果将直流微网间直接相连，当其中某个直流微网发生故障时，会对其他直流微网造成影响，削弱了系统的稳定性。如图2所示，本发明设计的柔性开关装置能将两个直流微网直接相连，通过实现能量的双向流动来完成能量在各个微网之间的配置优化，协调多个直流微网的运行，同时，在单侧微网发生故障时，还可以对柔性开关装置两侧的微网进行有效的故障隔离，消除了微网之间故障的相互影响，提高了系统的可靠性。
如图3所示，本发明中，一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置，该开关装置包括：变压单元，用于连接两个直流配电系统，并对接入开关装置两侧的直流配电系统进行变压或隔离处理；检测单元，与变压单元电连接，用于检测直流配电系统的母线电压；控制单元，与变压单元和检测单元相连，基于检测单元的检测结果，控制变压单元处于不同工作模式。
如图4所示。本发明中，变压单元连接的直流配电系统分别为Ⅰ侧和Ⅱ侧直流配电系统，变压单元包括：第一IGBT晶体管T1、第二IGBT晶体管T2、第三IGBT晶体管T3、第四IGBT晶体管T4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和电感器L；第一IGBT晶体管T1集电极与Ⅰ侧直流配电系统正极相连，第二IGBT晶体管T2发射极与Ⅰ侧直流配电系统负极相连，第三IGBT晶体管T3集电极与Ⅱ侧直流配电系统正极相连，第四IGBT晶体管T4发射极与Ⅱ侧直流配电系统负极相连；电感器L设置在第一IGBT晶体管T1发射极与第二IGBT晶体管T2集电极连接的第一节点和第三IGBT晶体管T3发射极与第四IGBT晶体管T4集电极连接的第二节点之间；各个二极管与对应IGBT晶体管反向并联连接；IGBT晶体管为绝缘栅双极型晶体管。
本发明中，变压单元还包括：第一电容器C1和第二电容器C2；第一电容器C1与Ⅰ侧直流配电系统并联连接，第二电容器C2与Ⅱ侧直流配电系统并联连接。
本发明中，检测结果包括：Ⅰ侧直流配电系统的电压值v1、Ⅱ侧直流配电系统的电压值v2和电感器L的电流值i。
本发明中，变压单元的工作模式包括：1.正向升压模式，第一IGBT晶体管T1导通，第二IGBT晶体管T2关断，第三IGBT晶体管T3关断，第四IGBT晶体管T4调制；2.正向降压模式，第一IGBT晶体管T1调制，第二IGBT晶体管T2关断，第三IGBT晶体管T3关断，第四IGBT晶体管T4关断；3.反向升压模式，第一IGBT晶体管T1关断，第二IGBT晶体管T2调制，第三IGBT晶体管T3导通，第四IGBT晶体管T4关断；4.反向降压模式，第一IGBT晶体管T1关断，第二IGBT晶体管T2关断，第三IGBT晶体管T3调制，第四IGBT晶体管T4关断；5.升降压模式，第一IGBT晶体管T1调制，第二IGBT晶体管T2关断，第三IGBT晶体管T3关断，第四IGBT晶体管T4调制；6.隔离模式，各个IGBT晶体管关断。正向指潮流方向为Ⅰ侧向Ⅱ侧直流配电系统方向，反向指潮流方向为Ⅱ侧向Ⅰ侧直流配电系统方向。
本发明中，控制单元通过改变各个IGBT晶体管门极电平的高低，控制各个IGBT晶体管导通、关断或调制。
其工作方式模式的选择如下：
系统的工作模式由潮流方向决定，而潮流方向由上一级控制器或应用系统功能需要确定，具体地：控制单元基于Ⅰ侧向Ⅱ侧直流配电系统负荷情况对柔性开关模式进行选择，其潮流方向为负荷低向高负荷方向。实际中，负荷情况以直流微网母线电压为判断标准。一般母线电压额定值的正负百分之五波动范围为正常波动范围，假设母线电压额定值为400V，则正常工作范围为380V-420V。直流微网带负载运行时，如果母线电压为395V，则认为负荷较轻；当负载增加时，母线电压会下降，如果降到385V，则认为负荷较重。
1.若Ⅰ侧直流配电系统电压值v1小于Ⅱ侧直流配电系统电压值v2，且其差值大于第一阈值，则控制单元控制变压单元工作在正向升压模式或反向降压模式；
2.若Ⅰ侧直流配电系统电压值v1大于Ⅱ侧直流配电系统电压值v2，且其差值大于第一阈值，则控制单元控制变压单元工作在反向升压模式或正向降压模式；
3.若Ⅰ侧直流配电系统电压值v1与Ⅱ侧直流配电系统电压值v2差值小于第一阈值，则控制单元控制变压单元工作在升降压模式；
4.若电感器L电流值i大于第二阈值，则控制单元控制变压单元工作在隔离模式。
第一阈值为允许范围内的Ⅰ侧直流配电系统电压值与Ⅱ侧直流配电系统电压值的差值，一侧直流配电系统出现故障后，电感器L电流值i增大，第二阈值为其电流的临界阈值，即认为达到该电流值时则认为一侧直流配电系统出现故障。
下面结合具体实施例进行说明
本实施例中，其具体连接方式如上所述。电容型号为EPCOS公司型号为B25620C1427A101的薄膜电容，规格为1100V/420μF；电感型号为HDG-25-2M，规格25A/1.5mH；控制芯片采用28335DSP。本使用新型中，各IGBT晶体管和反接二极管均集成在IPM(智能功率模块)内部，检测单元将检测到的输入输出电压和电感电流等值传输到控制单元中，控制单元接收到检测值后进行闭环计算，得到调制量，调制量与载波比较后得到各个IGBT的占空比，占空比以脉冲的形式发送到IPM驱动板，IPM驱动板将控制脉冲发送到对应的IPM，IPM中的IGBT根据脉冲开通、关断或调制。
变压工作时，柔性开关两端的直流母线电压有可能不一样，不同电压的直流母线不能直接接在一起，需要通过柔性开关升降压才能相连。
如果电流流向为从左到右，左侧直流母线电压高于右侧直流母线电压，则柔性开关工作在降压模式，当左侧直流母线电压低于右侧直流母线电压，则柔性开关工作在升压模式，当二者电压接近时，柔性开关工作在升降压模式。模式切换是通过控制对应的IGBT的通断状态来确定的：若想要柔性开关工作中降压模式，则控制电路使T2、T3、T4关断，T1调制，通过控制T1的占空比来控制T1在一个开关周期内的导通和关断时间，以与左右两侧直流母线电压比对应；若想要柔性开关工作中升压模式，则控制电路使T2、T3关断，T1始终导通，T4调制，通过控制T4的占空比来控制T4在一个开关周期内的导通和关断时间，以与左右两侧直流母线电压比对应；若想要柔性开关工作中升降压模式，则控制电路使T2、T3关断，T1、T4调制，通过控制T1、T4的占空比来控制T1、T4在一个开关周期内的导通和关断时间，以与左右两侧直流母线电压比对应。
应注意的是，如果电流流向为从右到左，则各开关管的工作状态与电流流向从左到右时相反。电流流向即为潮流方向，其方向由上一级控制器或应用系统功能需要确定，控制单元基于Ⅰ侧向Ⅱ侧直流配电系统负荷情况对柔性开关模式进行选择。
调制过程具体为：T1和T4为主调制管，T2为T1的互补管，T3为T4的互补管，互补管与主调制管控制脉冲相反。T1和T4的开通与关断可以分别进行控制，定义d1和d2分别为T1和T4的占空比，则中间电感L的电压为：
UL＝d1·Udc-(1-d2)·Uo
式中Udc为输入电压，也即Ⅰ侧直流配电系统母线电压；Uo为输出电压，也即Ⅱ侧直流配电系统母线电压。
当柔性开关稳态工作时，由电感伏秒平衡原理可得输出电压与输入电压的关系为
由此可知，输出电压Uo为d1和d2的函数，通过控制T1和T4的占空比即可控制输出电压大小。也就是说不管电感电流为正或负，大小为多少，只要满足伏秒平衡原理，通关控制占空比d1和d2就可以控制输出电压大小，当输出电压与直流微网2的母线电压相同时，两个直流微网就通过柔性开关连接起来了。
隔离工作时，一侧直流配电系统出现故障后，电感器L电流值i增大，若其达到第二阈值，则控制单元立即封锁该柔性开关装置的所有开关管，实现两侧直流配电系统的有效隔离，保证发生故障的直流配电系统不会对另一侧直流配电系统产生影响。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种用于连接两个直流配电系统的柔性开关装置，其特征在于，该开关装置包括：
变压单元，用于连接两个直流配电系统，并对接入开关装置两侧的直流配电系统进行变压或隔离处理，
其中，所述变压单元连接的直流配电系统分别为Ⅰ侧和Ⅱ侧直流配电系统，所述变压单元包括：第一IGBT(T1)、第二IGBT(T2)、第三IGBT(T3)、第四IGBT(T4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)和电感器(L)；所述第一IGBT(T1)集电极与所述Ⅰ侧直流配电系统正极相连，所述第二IGBT(T2)发射极与所述Ⅰ侧直流配电系统负极相连，所述第三IGBT(T3)集电极与所述Ⅱ侧直流配电系统正极相连，所述第四IGBT(T4)发射极与所述Ⅱ侧直流配电系统负极相连；所述电感器(L)设置在所述第一IGBT(T1)发射极与所述第二IGBT(T2)集电极连接的第一节点和所述第三IGBT(T3)发射极与所述第四IGBT(T4)集电极连接的第二节点之间；各个所述二极管与对应IGBT反向并联连接；所述IGBT为绝缘栅双极型晶体管，
所述变压单元的工作模式包括：正向升压模式，所述第一IGBT(T1)导通，所述第二IGBT(T2)关断，所述第三IGBT(T3)关断，所述第四IGBT(T4)调制；正向降压模式，所述第一IGBT(T1)调制，所述第二IGBT(T2)关断，所述第三IGBT(T3)关断，所述第四IGBT(T4)关断；反向升压模式，所述第一IGBT(T1)关断，所述第二IGBT(T2)调制，所述第三IGBT(T3)导通，所述第四IGBT(T4)关断；反向降压模式，所述第一IGBT(T1)关断，所述第二IGBT(T2)关断，所述第三IGBT(T3)调制，所述第四IGBT(T4)关断；升降压模式，所述第一IGBT(T1)调制，所述第二IGBT(T2)关断，所述第三IGBT(T3)关断，所述第四IGBT(T4)调制；隔离模式，各个所述IGBT关断；所述正向指潮流方向为Ⅰ侧向Ⅱ侧直流配电系统方向，反向指潮流方向为Ⅱ侧向Ⅰ侧直流配电系统方向；
检测单元，与所述变压单元电连接，用于检测直流配电系统的母线电压；
控制单元，与所述变压单元和检测单元相连，基于所述检测单元的检测结果，控制所述变压单元处于不同工作模式。
2.一种根据权利要求1所述的柔性开关装置，其特征在于，所述变压单元进一步包括：第一电容器(C1)和第二电容器(C2)；所述第一电容器(C1)与Ⅰ侧直流配电系统并联连接，所述第二电容器(C2)与Ⅱ侧直流配电系统并联连接。
3.一种根据权利要求2所述的柔性开关装置，其特征在于，所述检测结果包括：Ⅰ侧直流配电系统的电压值(v1)、Ⅱ侧直流配电系统的电压值(v2)和所述电感器(L)的电流值(i)。
4.一种根据权利要求3所述的柔性开关装置，其特征在于，所述控制单元通过改变各个所述IGBT门极电平的高低，控制各个所述IGBT导通、关断或调制。
5.一种根据权利要求4所述的柔性开关装置，其特征在于，
若所述Ⅰ侧直流配电系统电压值(v1)小于所述Ⅱ侧直流配电系统电压值(v2)，且其差值大于第一阈值，则所述控制单元控制所述变压单元工作在正向升压模式或反向降压模式；
若所述Ⅰ侧直流配电系统电压值(v1)大于所述Ⅱ侧直流配电系统电压值(v2)，且其差值大于第一阈值，则所述控制单元控制所述变压单元工作在反向升压模式或正向降压模式；
若所述Ⅰ侧直流配电系统电压值(v1)与所述Ⅱ侧直流配电系统电压值(v2)差值小于第一阈值，则所述控制单元控制所述变压单元工作在升降压模式；
若所述电感器(L)电流值(i)大于第二阈值，则所述控制单元控制所述变压单元工作在隔离模式。
6.一种根据权利要求5所述的柔性开关装置，其特征在于，所述控制单元基于Ⅰ侧向Ⅱ侧直流配电系统负荷情况对柔性开关模式进行选择。
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CN104218796A (zh) * 2014-07-25 2014-12-17 国家电网公司 一种新型无母线四端口双极dc-dc变换器

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