本發(fā)明涉及電力技術領域。更具體地，涉及一種用于連接兩個直流配電系統(tǒng)的柔性開關裝置。

背景技術：

微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、負荷等裝置按一定運行規(guī)則匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)屬于交流系統(tǒng)，考慮到微電網(wǎng)的接入問題,因此交流微電網(wǎng)得到了較多的關注及較快發(fā)展。然而，微電網(wǎng)系統(tǒng)中存在著為數(shù)眾多的直流微電源和直流負荷，如果僅用交流微電網(wǎng)形式連接分布式電源給負荷供電，需要大量的多級變換器來變換電能形式,這樣不僅降低了電能傳輸?shù)男?，也會降低系統(tǒng)的可靠性。同時由于直流配電系統(tǒng)無需考慮相位同步、諧波和無功功率損耗等方面的問題,因此研究直流微電網(wǎng)的相關技術具有重要意義。

直流微電網(wǎng)是以直流配電的形式,通過一條公共的直流母線將所有直流型分布式電源及直流負荷連接起來的獨立可控系統(tǒng)。直流微電網(wǎng)通過對直流型分布式電源集中變換，提高了系統(tǒng)直流側電能質量，減少了電力電子轉換過程中電能的損耗，更有利于對系統(tǒng)集中調度監(jiān)控。

目前多個直流微網(wǎng)之間并不是直接相連的，如附圖1所示，它們分別通過各自的雙向DC/AC變換器連接到一條公共的交流母線。這種連接方式造成直流微網(wǎng)間能量調度非常復雜，且傳輸效率較低。如果將直流微網(wǎng)間直接相連，當其中某個直流微網(wǎng)發(fā)生故障時，會對其他直流微網(wǎng)造成影響，削弱了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，研究多個直流微網(wǎng)之間的連接方式具有重要意義。

因此，需要提供一種用于連接兩個直流配電系統(tǒng)的柔性開關裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于連接兩個直流配電系統(tǒng)的柔性開關裝置。

為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種用于連接兩個直流配電系統(tǒng)的柔性開關裝置，該開關裝置包括：

變壓單元，用于連接兩個直流配電系統(tǒng)，并對接入開關裝置兩側的直流配電系統(tǒng)進行變壓或隔離處理；

檢測單元，與變壓單元電連接，用于檢測直流配電系統(tǒng)的母線電壓；

控制單元，與變壓單元和檢測單元相連，基于檢測單元的檢測結果，控制變壓單元處于不同工作模式。

優(yōu)選地，變壓單元連接的直流配電系統(tǒng)分別為Ⅰ側和Ⅱ側直流配電系統(tǒng)，變壓單元包括：第一IGBT晶體管T1、第二IGBT晶體管T2、第三IGBT晶體管T3、第四IGBT晶體管T4、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4和電感器L；

第一IGBT晶體管T1集電極與Ⅰ側直流配電系統(tǒng)正極相連，第二IGBT晶體管T2發(fā)射極與Ⅰ側直流配電系統(tǒng)負極相連，第三IGBT晶體管T3集電極與Ⅱ側直流配電系統(tǒng)正極相連，第四IGBT晶體管T4發(fā)射極與Ⅱ側直流配電系統(tǒng)負極相連；

電感器L設置在第一IGBT晶體管T1發(fā)射極與第二IGBT晶體管T2集電極連接的第一節(jié)點和第三IGBT晶體管T3發(fā)射極與第四IGBT晶體管T4集電極連接的第二節(jié)點之間；

各個二極管與對應IGBT晶體管反向并聯(lián)連接；

IGBT晶體管為絕緣柵雙極型晶體管。

進一步優(yōu)選地，變壓單元進一步包括：第一電容器C1和第二電容器C2；第一電容器C1與Ⅰ側直流配電系統(tǒng)并聯(lián)連接，第二電容器C2與Ⅱ側直流配電系統(tǒng)并聯(lián)連接。

進一步優(yōu)選地，檢測結果包括：Ⅰ側直流配電系統(tǒng)的電壓值v₁、Ⅱ側直流配電系統(tǒng)的電壓值v₂和電感器L的電流值i。

進一步優(yōu)選地，變壓單元的工作模式包括：

正向升壓模式，第一IGBT晶體管T1導通，第二IGBT晶體管T2關斷，第三IGBT晶體管T3關斷，第四IGBT晶體管T4調制；

正向降壓模式，第一IGBT晶體管T1調制，第二IGBT晶體管T2關斷，第三IGBT晶體管T3關斷，第四IGBT晶體管T4關斷；

反向升壓模式，第一IGBT晶體管T1關斷，第二IGBT晶體管T2調制，第三IGBT晶體管T3導通，第四IGBT晶體管T4關斷；

反向降壓模式，第一IGBT晶體管T1關斷，第二IGBT晶體管T2關斷，第三IGBT晶體管T3調制，第四IGBT晶體管T4關斷；

升降壓模式，第一IGBT晶體管T1調制，第二IGBT晶體管T2關斷，第三IGBT晶體管T3關斷，第四IGBT晶體管T4調制；

隔離模式，各個IGBT晶體管關斷；

正向指潮流方向為Ⅰ側向Ⅱ側直流配電系統(tǒng)方向，反向指潮流方向為Ⅱ側向Ⅰ側直流配電系統(tǒng)方向。

進一步優(yōu)選地，控制單元通過改變各個IGBT晶體管門極電平的高低，控制各個IGBT晶體管導通、關斷或調制。

進一步優(yōu)選地，若Ⅰ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₁小于Ⅱ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₂，且其差值大于第一閾值，則控制單元控制變壓單元工作在正向升壓模式或反向降壓模式；

若Ⅰ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₁大于Ⅱ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₂，且其差值大于第一閾值，則控制單元控制變壓單元工作在反向升壓模式或正向降壓模式；

若Ⅰ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₁與Ⅱ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₂差值小于第一閾值，則控制單元控制變壓單元工作在升降壓模式；

若電感器L電流值i大于第二閾值，則控制單元控制變壓單元工作在隔離模式。

進一步優(yōu)選地，控制單元基于Ⅰ側向Ⅱ側直流配電系統(tǒng)負荷情況對柔性開關模式進行選擇。

本發(fā)明的有益效果如下：

1.本發(fā)明中用于連接兩個直流配電系統(tǒng)的柔性開關裝置，實現(xiàn)具有不同直流母線電壓的直流配電系統(tǒng)直接相連，通過柔性開關裝置工作模式的切換，實現(xiàn)了能量的雙向流動。

2.本發(fā)明中用于連接兩個直流配電系統(tǒng)的柔性開關裝置，基于檢測單元對直流微網(wǎng)負荷的檢測結果，通過控制單元控制微網(wǎng)間的潮流調度，實現(xiàn)了能量在各個微網(wǎng)之間的配置優(yōu)化，協(xié)調了多個直流微網(wǎng)的運行。

3.本發(fā)明中用于連接兩個直流配電系統(tǒng)的柔性開關裝置，實現(xiàn)了對單側微網(wǎng)發(fā)生故障時對柔性開關裝置兩側的微網(wǎng)進行有效的故障隔離，消除了微網(wǎng)之間故障的相互影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1示出傳統(tǒng)直流微網(wǎng)連接方式示意圖。

圖2示出柔性開關裝置與直流配電系統(tǒng)連接關系示意圖。

圖3示出柔性開關裝置控制關系示意圖。

圖4示出柔性開關裝置變壓單元示意圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，傳統(tǒng)的直流微網(wǎng)分別通過各自的雙向DC/AC變換器連接到一條公共的交流母線，這種連接方式造成直流微網(wǎng)間能量調度非常復雜，且傳輸效率較低。如果將直流微網(wǎng)間直接相連，當其中某個直流微網(wǎng)發(fā)生故障時，會對其他直流微網(wǎng)造成影響，削弱了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖2所示，本發(fā)明設計的柔性開關裝置能將兩個直流微網(wǎng)直接相連，通過實現(xiàn)能量的雙向流動來完成能量在各個微網(wǎng)之間的配置優(yōu)化，協(xié)調多個直流微網(wǎng)的運行，同時，在單側微網(wǎng)發(fā)生故障時，還可以對柔性開關裝置兩側的微網(wǎng)進行有效的故障隔離，消除了微網(wǎng)之間故障的相互影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。

如圖3所示，本發(fā)明中，一種用于連接兩個直流配電系統(tǒng)的柔性開關裝置，該開關裝置包括：變壓單元，用于連接兩個直流配電系統(tǒng)，并對接入開關裝置兩側的直流配電系統(tǒng)進行變壓或隔離處理；檢測單元，與變壓單元電連接，用于檢測直流配電系統(tǒng)的母線電壓；控制單元，與變壓單元和檢測單元相連，基于檢測單元的檢測結果，控制變壓單元處于不同工作模式。

如圖4所示。本發(fā)明中，變壓單元連接的直流配電系統(tǒng)分別為Ⅰ側和Ⅱ側直流配電系統(tǒng)，變壓單元包括：第一IGBT晶體管T1、第二IGBT晶體管T2、第三IGBT晶體管T3、第四IGBT晶體管T4、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4和電感器L；第一IGBT晶體管T1集電極與Ⅰ側直流配電系統(tǒng)正極相連，第二IGBT晶體管T2發(fā)射極與Ⅰ側直流配電系統(tǒng)負極相連，第三IGBT晶體管T3集電極與Ⅱ側直流配電系統(tǒng)正極相連，第四IGBT晶體管T4發(fā)射極與Ⅱ側直流配電系統(tǒng)負極相連；電感器L設置在第一IGBT晶體管T1發(fā)射極與第二IGBT晶體管T2集電極連接的第一節(jié)點和第三IGBT晶體管T3發(fā)射極與第四IGBT晶體管T4集電極連接的第二節(jié)點之間；各個二極管與對應IGBT晶體管反向并聯(lián)連接；IGBT晶體管為絕緣柵雙極型晶體管。

本發(fā)明中，變壓單元還包括：第一電容器C1和第二電容器C2；第一電容器C1與Ⅰ側直流配電系統(tǒng)并聯(lián)連接，第二電容器C2與Ⅱ側直流配電系統(tǒng)并聯(lián)連接。

本發(fā)明中，檢測結果包括：Ⅰ側直流配電系統(tǒng)的電壓值v₁、Ⅱ側直流配電系統(tǒng)的電壓值v₂和電感器L的電流值i。

本發(fā)明中，變壓單元的工作模式包括：1.正向升壓模式，第一IGBT晶體管T1導通，第二IGBT晶體管T2關斷，第三IGBT晶體管T3關斷，第四IGBT晶體管T4調制；2.正向降壓模式，第一IGBT晶體管T1調制，第二IGBT晶體管T2關斷，第三IGBT晶體管T3關斷，第四IGBT晶體管T4關斷；3.反向升壓模式，第一IGBT晶體管T1關斷，第二IGBT晶體管T2調制，第三IGBT晶體管T3導通，第四IGBT晶體管T4關斷；4.反向降壓模式，第一IGBT晶體管T1關斷，第二IGBT晶體管T2關斷，第三IGBT晶體管T3調制，第四IGBT晶體管T4關斷；5.升降壓模式，第一IGBT晶體管T1調制，第二IGBT晶體管T2關斷，第三IGBT晶體管T3關斷，第四IGBT晶體管T4調制；6.隔離模式，各個IGBT晶體管關斷。正向指潮流方向為Ⅰ側向Ⅱ側直流配電系統(tǒng)方向，反向指潮流方向為Ⅱ側向Ⅰ側直流配電系統(tǒng)方向。

本發(fā)明中，控制單元通過改變各個IGBT晶體管門極電平的高低，控制各個IGBT晶體管導通、關斷或調制。

其工作方式模式的選擇如下：

系統(tǒng)的工作模式由潮流方向決定，而潮流方向由上一級控制器或應用系統(tǒng)功能需要確定，具體地：控制單元基于Ⅰ側向Ⅱ側直流配電系統(tǒng)負荷情況對柔性開關模式進行選擇，其潮流方向為負荷低向高負荷方向。實際中，負荷情況以直流微網(wǎng)母線電壓為判斷標準。一般母線電壓額定值的正負百分之五波動范圍為正常波動范圍，假設母線電壓額定值為400V，則正常工作范圍為380V-420V。直流微網(wǎng)帶負載運行時，如果母線電壓為395V，則認為負荷較輕；當負載增加時，母線電壓會下降，如果降到385V，則認為負荷較重。

1.若Ⅰ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₁小于Ⅱ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₂，且其差值大于第一閾值，則控制單元控制變壓單元工作在正向升壓模式或反向降壓模式；

2.若Ⅰ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₁大于Ⅱ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₂，且其差值大于第一閾值，則控制單元控制變壓單元工作在反向升壓模式或正向降壓模式；

3.若Ⅰ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₁與Ⅱ側直流配電系統(tǒng)電壓值v₂差值小于第一閾值，則控制單元控制變壓單元工作在升降壓模式；

4.若電感器L電流值i大于第二閾值，則控制單元控制變壓單元工作在隔離模式。

第一閾值為允許范圍內(nèi)的Ⅰ側直流配電系統(tǒng)電壓值與Ⅱ側直流配電系統(tǒng)電壓值的差值，一側直流配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，電感器L電流值i增大，第二閾值為其電流的臨界閾值，即認為達到該電流值時則認為一側直流配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

下面結合具體實施例進行說明

本實施例中，其具體連接方式如上所述。電容型號為EPCOS公司型號為B25620C1427A101的薄膜電容，規(guī)格為1100V/420μF；電感型號為HDG-25-2M，規(guī)格25A/1.5mH；控制芯片采用28335DSP。本使用新型中，各IGBT晶體管和反接二極管均集成在IPM(智能功率模塊)內(nèi)部，檢測單元將檢測到的輸入輸出電壓和電感電流等值傳輸?shù)娇刂茊卧?，控制單元接收到檢測值后進行閉環(huán)計算，得到調制量，調制量與載波比較后得到各個IGBT的占空比，占空比以脈沖的形式發(fā)送到IPM驅動板，IPM驅動板將控制脈沖發(fā)送到對應的IPM，IPM中的IGBT根據(jù)脈沖開通、關斷或調制。

變壓工作時，柔性開關兩端的直流母線電壓有可能不一樣，不同電壓的直流母線不能直接接在一起，需要通過柔性開關升降壓才能相連。

如果電流流向為從左到右，左側直流母線電壓高于右側直流母線電壓，則柔性開關工作在降壓模式，當左側直流母線電壓低于右側直流母線電壓，則柔性開關工作在升壓模式，當二者電壓接近時，柔性開關工作在升降壓模式。模式切換是通過控制對應的IGBT的通斷狀態(tài)來確定的：若想要柔性開關工作中降壓模式，則控制電路使T2、T3、T4關斷，T1調制，通過控制T1的占空比來控制T1在一個開關周期內(nèi)的導通和關斷時間，以與左右兩側直流母線電壓比對應；若想要柔性開關工作中升壓模式，則控制電路使T2、T3關斷，T1始終導通，T4調制，通過控制T4的占空比來控制T4在一個開關周期內(nèi)的導通和關斷時間，以與左右兩側直流母線電壓比對應；若想要柔性開關工作中升降壓模式，則控制電路使T2、T3關斷，T1、T4調制，通過控制T1、T4的占空比來控制T1、T4在一個開關周期內(nèi)的導通和關斷時間，以與左右兩側直流母線電壓比對應。

應注意的是，如果電流流向為從右到左，則各開關管的工作狀態(tài)與電流流向從左到右時相反。電流流向即為潮流方向，其方向由上一級控制器或應用系統(tǒng)功能需要確定，控制單元基于Ⅰ側向Ⅱ側直流配電系統(tǒng)負荷情況對柔性開關模式進行選擇。

調制過程具體為：T1和T4為主調制管，T2為T1的互補管，T3為T4的互補管，互補管與主調制管控制脈沖相反。T1和T4的開通與關斷可以分別進行控制，定義d1和d2分別為T1和T4的占空比，則中間電感L的電壓為：

U_L＝d₁·U_dc-(1-d₂)·U_o

式中U_dc為輸入電壓，也即Ⅰ側直流配電系統(tǒng)母線電壓；U_o為輸出電壓，也即Ⅱ側直流配電系統(tǒng)母線電壓。

當柔性開關穩(wěn)態(tài)工作時，由電感伏秒平衡原理可得輸出電壓與輸入電壓的關系為

由此可知，輸出電壓U_o為d₁和d₂的函數(shù)，通過控制T1和T4的占空比即可控制輸出電壓大小。也就是說不管電感電流為正或負，大小為多少，只要滿足伏秒平衡原理，通關控制占空比d1和d2就可以控制輸出電壓大小，當輸出電壓與直流微網(wǎng)2的母線電壓相同時，兩個直流微網(wǎng)就通過柔性開關連接起來了。

隔離工作時，一側直流配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，電感器L電流值i增大，若其達到第二閾值，則控制單元立即封鎖該柔性開關裝置的所有開關管，實現(xiàn)兩側直流配電系統(tǒng)的有效隔離，保證發(fā)生故障的直流配電系統(tǒng)不會對另一側直流配電系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。