CN105429167B - 一种微电网用柔性并离网切换装置 - Google Patents

Abstract

一种微电网用柔性并离网切换装置，由静态开关电路、驱动电路及智能控制单元组成。静态开关电路是切换装置的硬件主体；采用全控型半导体器件IGBT实现快速通断；并通过IGBT模块与四个二极管的排列实现其对双向电压与电流的阻断能力；在微电网及大电网的交流母线上均装有浪涌吸收抑制器件，避免IGBT过压失效。驱动电路采用光藕驱动；并实现控制信号与驱动信号的隔离；通过+15V与‑9V的驱动电压确保IGBT快速可靠通断。智能控制单元采用数字化信号处理器作为控制元件；通过数据采集电路完成对电网的状态及同步逻辑的诊断，根据诊断结果，利用I/O口实现对静态开关的智能控制及状态监测；通过通讯模块实现其与外部其他设备及上位机的数据交互。

Description

一种微电网用柔性并离网切换装置

技术领域

本发明涉及一种用于微电网的柔性并网离网的切换装置。

背景技术

传统意义上的开关只是一个机械的硬件装置，如继电器，但随着半导体技术的发展，高速可控型开关不断涌现，如晶闸管SCR、IGBT、IGCT。基于半导体技术的高速开关与当前数字信号处理器技术的结合，完全可以设计出满足微电网要求的柔性开关。根据IEEE1547与UL1741对并网的要求，开关应具有快速、保护、同步等特性，另外考虑到现场的实际安装条件及成本。基于CB技术的开关响应速度较慢，继电器的开关速度一般在20ms到100ms之间，但电路设计与控制简单，导通电阻低，价格低廉，因此在对开关速度要求不是很高的场合被广泛采用。基于晶闸管SCR技术的开关响应速度一般在半个工频周期到一个工频周期(对50Hz的电网为10ms到20ms)，有些制造商提供的产品响应速度可以达到四分之一个工频周期，已经完全满足微电网***静态开关的要求；基于IGBT技术的开关响应速度一般在100μs之内并且可以实现瞬间关断。对于更高电压等级的开关可用IGCT来代替IGBT。

快速并离网切换是微电网的核心技术之一，近几年来随着微电网技术的发展，并离网切换技术也成为研究的热点，但大多主要是从微电网的技术需求，提出并离网快速切换的方法，没有单独针对快速切换装置本身的角度提出。中国专利CN 102170134 B公开了一种基于GOOSE通讯方法的微电网并离网平滑切换智能控制方法，根据不同并网点开关位置状态组合逻辑表达式，匹配出微电网当前运行模式，通过实时采集各个并网点、负荷、分布式电源、储能逆变器的功率信息，同时根据匹配出的运行模式，计算当前并网点的交换功率值，判断出功率盈缺情况，制定负荷/分布式电源切除计划，最终完成微电网离网平滑控制。

针对快速开关装置本体，目前多采用半控型半导体开关晶闸管，对于全控型器件IGBT作为快速切换开关的装置很少。中国专利CN 103401266 B公开了一种实现逆变器并离网无缝切换的装置及方法，开关主体采用可控硅SCR，控制单元采用数字信号处理器，通过检测到的通过所述滤波电感的电流的方向，反向给定控制量限幅值，向处于闭合状态的所述反并联可控硅发出关断信号来实现开关的快速关断。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种微电网用柔性并网离网的切换装置。本发明基于全控型半导体器件IGBT，开关单元具有完备的保护、驱动及控制电路，并结合智能控制单元的数字信号处理器实现对微电网的快速并离网切换。本发明开关电路本体速度快、功耗较小、采用全数字化智能控制，控制方法简单，能够实现微电网的快速平滑切换。

本发明的技术方案如下：

本发明微电网用柔性并离网切换装置主要由静态开关电路、驱动电路及智能控制单元三部分组成。静态开关电路的输入端接入微电网，静态开关电路的输出端接入大电网；驱动电路的输入端连接到智能控制单元的输出I/O端口，驱动电路的输出端连接到静态开关电路的控制端口；在静态开关电路的输入端、输出端的三相交流母线上均安装了电压、电流传感器；在全控型IGBT开关电路上安装了温度传感器，电压、电流及温度传感器的采样信号作为智能控制单元的输入，智能控制单元的输出端通过I/O口以模拟信号的形式接到驱动电路。

静态开关电路是切换装置的硬件主体。本发明采用全控型半导体器件IGBT实现快速通断。但由于典型的商业性IGBT模块并不具有电压与电流的双向关断能力，而微电网要求开关必须具有双向电压与电流的阻断能力，本发明通过对二极管与IGBT的不同排列来实现这一功能。由于IGBT具有高速关断电流的能力，为防止di/dt耦合在IGBT上产生很大的电压冲击，电路主体在IGBT开关的输入、输出两侧均安装了浪涌吸收抑制器件，从而避免IGBT过压失效；相比机械开关，半导体开关尽管开关速度快，但其抗过压及过载能力差，为对其进行全方位保护，在IGBT开关进入口的两侧均安装了电压与电流传感器，用于检测电网的电压和电流，电压与电流传感器通过信号线接入智能控制单元。

所述的驱动电路采用光藕驱动，并实现控制信号与驱动信号的隔离。智能控制单元发出的开关动作信号通过三极管驱动后经过光藕实现光电隔离。光藕供电采用+15V与-9V的驱动电压确保IGBT快速可靠通断。

所述的智能控制单元采用数字化信号处理器作为控制器件；通过数据采集电路完成对电网的状态及同步逻辑的诊断，根据诊断结果，通过I/O口实现对静态开关的智能控制及状态监测；通过通讯模块实现其与外部其他设备及上位机的数据交互。

所述电网状态诊断采用了电压瞬时值与频率判断相结合的判断方法；同步逻辑诊断基于以下两个条件：

(1)静态开关两侧的电压幅值差很小，理想情况为零；

(2)静态开关两侧的电压存在频率差异。

所述智能控制单元对IGBT开关主体的主要包括开通和关断两个过程：

从关断到开通的控制流程：

(1)当检测到大电网状态正常并与外部进行通讯；

(2)进行同步逻辑诊断，直至满足同步条件；

(3)下达开关开通指令。

从开通到关断的控制流程为：当检测到大电网状态异常，下达开关断开指令。

附图说明

图1柔性静态开关组成框图；

图2a静态开关开通时从微电网流向大电网的能量流向图；

图2b静态开关开通时从大电网流向微电网的能量流向图；

图2c静态开关关断时从微电网流向大电网的能量流向图；

图2d静态开关开通时从大电网流向微电网的能量流向图；

图3a基于双向浪涌吸收抑制器件的吸收保护电路拓扑；

图3b基于Crowbar电路的吸收保护电路拓扑；

图3c基于箝位吸收电路的吸收保护电路拓扑；

图4静态开关切换控制流程图；

图5自治到并网的切换波形；

图6并网到自治的切换波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明微电网用柔性并离网切换装置主要由静态开关电路、驱动电路及智能控制单元三部分组成。静态开关电路的输入端连接微电网，静态开关电路为微电网三相交流电流通出口，静态开关电路的输出端连接大电网；驱动电路的输入端接到智能控制单元的输出I/O端口，驱动电路的输出端接到静态开关的控制端口；智能控制单元主要由调理电路及AD转换模块、I/O口、电网故障及同步逻辑诊断及通讯模块组成；智能控制单元的输入接口接收来自静态开关电路上安装的电压、电流、温度传感器的输出信号，以及静态开关本体的状态信号，上述信号以模拟量的形式从I/O端口接入。智能控制单元的输出端通过I/O口以模拟信号的形式接到驱动电路。

所述的静态开关电路主体部分由一个IGBT器件S与四个整流二极管D1～D4组成；第一二极管D1的阴极与第三二极管D3的阴极及IGBT器件S的集电极C相联；第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阳极及IGBT器件S的发射极相联；第二二极管D2的阴极与第一二极管D1的阳极相联，并作为微电网的进线入口；第四二极管D4的阴极与第三二极管D3的阳极相联，并作为大电网的进线出口。除静态开关电路主体电路外，在静态开关电路的输入端及输出端分别装有浪涌吸收抑制器件：如图1所示安装的浪涌吸收抑制器件T1与T2；第一浪涌吸收抑制器件T1安装在输入端口的三相交流母线上，第一浪涌吸收抑制器件T1的一端与第一二极管D1的阳极及第二二极管D2的阴极相联，第一浪涌吸收抑制器件T1的另一端接地；第二浪涌吸收抑制器件T2安装在大电网的出***流母线上，第二浪涌吸收抑制器件T2一端与第三二极管D3的阳极及第四二极管D4的阴极相联，第二浪涌吸收抑制器件T1的另一端接地；安装时，第一浪涌吸收抑制器件T1及第二浪涌吸收抑制器件T2的位置应尽可能靠近静态开关电路主体。另外，静态开关电路在输入端及输出端的三相交流电三相均装有电压和电流传感器，用于检测电网的三相电压和电流，在静态开关电路上安装PT100温度传感器，所有电压传感器、电流传感器及温度传感器的信号均通过模拟电路接入智能控制单元的模拟采样端口。

所述驱动电路以光藕U1为核心电路，实现对全控型IGBT器件的驱动。来自智能控制单元的控制端SS通过模拟电路I/O口与第一电阻R1及三极管Q1的基极相联，三极管Q1的基极与发射极之间并联第二电阻R2，三极管Q1的基极与控制信号地GND相联；三极管Q1的发射极通过限流电阻R3与驱动光藕U1的第3脚相联；驱动光藕U1第2脚通过第一上拉电阻R4与控制电源VCC相联；光藕U1第5脚接-9V的供电电源；驱动光藕U1的第5脚接15V供电电源；驱动光藕U1的供电电源的相对地与全控型IGBT器件S的发射极E相连；供电电源15V与相对地E之间并联间并联第一去藕电容C1；供电源-9V对相对地E间并联第二去藕电容C2；驱动光藕U1的第6、7脚短接为光藕输出，驱动光藕U1的第8脚与光藕输出间连接第二上拉电阻R5；驱动光藕U1的输出通过驱动电阻R6与全控型开关IGBT器件S的基极G相连。所述驱动电路在全控型开关IGBT器件S的基极G与发射极E间并联浪涌吸收抑制器件及下拉电阻R7，用来保护全控型开关IGBT器件S控制端输入过压及静电能量吸收，保证全控型开关IGBT器件S的安全稳定通断。

智能控制单元采用数字化信号处理器作为控制单元，主要由调理电路及AD转换模块、I/O口、电网故障及同步逻辑诊断及通讯模块组成；通过数据采集电路完成对电网的状态及同步逻辑的诊断，根据诊断结果，通过I/O口实现对静态开关的智能控制及状态监测；通过通讯模块实现其与外部其他设备及上位机的数据交互。

所述静态开关电路主体部分可实现对双向电压与电流的阻断能力，下面结合图2a到2d阐述具体的工作过程。

当全控型开关IGBT器件S开通时，全控型开关IGBT器件S的C、E两端导通，此时微电网的正向电压和电流通过第一二极管D1，经全控型开关IGBT器件S的C端到E端后，通过第四二极管D4流向大电网的出口，如图2a所示；同理，大电网的正向电压和电流通过第三二极管D3后，经全控型开关IGBT器件S的E端到C端后，通过第二二极管D2流向微电网的入口，如图2b所示。当全控型开关IGBT器件S关断时，其C、E两端截止，此时微电网的正向电压和电流通过第一二极管D1后，由于第三二极管D3不能反向导通而阻断，如图2c所示；同理，大电网的正向电压和电流通过第三二极管D3后，由于第一二极管D1不能反向导通而阻断，如图2d所示。

全控型开关IGBT具有高速关断电流的能力，变流器中IGBT的典型电流变化率di/dt一般在几kA/us，这与连接到静态开关上的线路阻抗有关。此外，微电网***中变压器等设备也具有很高的阻抗，变压器漏感阻抗典型值一般为其自身阻抗的5％，同样微电网***中的电机等设备的瞬态阻抗会更大。这样在开关动作的瞬间，di/dt耦合会在IGBT上产生很大的电压冲击。为避免电压冲击损坏IGBT，必须安装相应的浪涌吸收抑制器件，下面结合图3a到图3c说明本发明的三种浪涌吸收抑制器件的具体实施过程。

图3a是浪涌吸收抑制器件，该器件产品成熟，电路设计简单，常见的浪涌抑制器主要有火花间隙型器件、金属氧化物压敏电阻、基于半导体的浪涌抑制器三种。由于每种类型的浪涌抑制器件的材料与工作原理不同，所以其响应时间、浪涌能量及电压击穿等特性也不同，只需根据不同的应用场合选择合适的浪涌抑制器。

浪涌吸收抑制器件一般用于di/dt变化不是很大的场合，在di/dt变化很大的场合下，浪涌吸收抑制器件在保护开关的同时，自身也有可能损坏，而图3b所示的crowbar电路可以弥补这种缺点。当检测到过压时，晶闸管将输入端与所连接的高压源直接接地或通过一个泄放电阻接地，从而使交流侧的电压瞬速降低，但同时也会导致交流侧的电流增加。

为了克服交流侧过流的问题，可采用图3c所示的电容箝位吸收电路。当交流侧出现过压时，通过预充电电路给箝位电容充电，从而将交流侧的电压限制在安全范围内。并联在电容两端的电阻用来泄放电容上能量。

具体实施时，本发明浪涌吸收抑制器件可以根据不同的应用场合选择以上三种合适的电路拓扑或其中组合的形式，以达到最优的效果。

图4是全控型IGBT器件S切换控制流程图。主要执行AD采样、大电网状态判断、微电网状态判断与开关逻辑控制等功能。大电网的状态判断与同步判断是全控型IGBT器件S快速通断的核心，对此判断是否准确直接影响着平滑切换的性能。在微电网中对大电网故障的判断是一个非常复杂的问题，尤其对多个逆变器并联组网运行的三相交流***，为简单起见，本发明采用了电压瞬时值与频率判断相结合的判断方法，为了提高***的大电网状态检测的速度与可靠性，电压瞬时值与频率中任何一个不满足大电网正常运行的条件便认为大电网出现故障；反之，二者均满足大电网正常运行条件，才认为大电网正常。

图5为自治到并网的切换过程实验波形，从实验结果可以看出在静态开关检测到大电网正常并将大电网与微电网的电压调成同频、同相、同幅值后，立刻切换模式开关使逆变器由自治运行转为并网模式，在2ms后，开通静态开关。由于不能保证逆变器运行模式与静态开关同时关断，为了确保模式开关动作后才允许开通静态开关，一般延时一段时间后才动作静态开关，这使得逆变器在并网瞬间输出电流出现8ms的波动，后逐渐平稳。

图6为并网到自治的切换过程实验波形，从实验结果可以看出，在检测到大电网故障后，静态开关立即断开，切断与大电网的连接，逆变器也很快由并网运行模式转至自治运行模式。

Claims (9)

1.一种微电网用柔性并离网切换装置，所述的切换装置包括静态开关电路、驱动电路及智能控制单元；

所述静态开关电路的输入端接入微电网，静态开关电路的输出侧接入大电网；

所述驱动电路的输入端接到智能控制单元的输出I/O端口，驱动电路的输出端接到静态开关电路的控制端口；

所述智能控制单元的输入通过I/O口接收来自安装在静态开关电路上的电压、电流、温度传感器的输出信号，以及静态开关电路主体部分的IGBT器件状态信号，智能控制单元的输出端通过I/O口连接到驱动电路，

其特征在于，所述静态开关电路主体部分由全控型IGBT器件S与四个整流二极管D1～D4组成；第一整流二极管D1的阴极与第三整流二极管D3的阴极及IGBT器件S的集电极C相联；第二整流二极管D2的阳极与第四整流二极管D4的阳极及全控型IGBT器件S的发射极相联；第二整流二极管D2的阴极与第一整流二极管D1的阳极相联，并作为微电网的进线入口；第四整流二极管D4的阴极与第三整流二极管D3的阳极相联，作为大电网的进线出口。

2.根据权利要求1所述的微电网用柔性并离网切换装置，其特征在于，所述静态开关电路主体部分实现对双向电压与电流的阻断能力，过程如下：

当全控型IGBT器件S关断时，全控型IGBT器件S的C、E两端截止，此时微电网的正向电压和电流通过第一整流二极管D1后，由于第三整流二极管D3不能反向导通而阻断；同理，大电网的正向电压和电流通过第三整流二极管D3后，由于第一整流二极管D1不能反向导通而阻断；

当全控型IGBT器件S开通时，全控型IGBT器件S的C、E两端导通，此时微电网的正向电压和电流通过第一整流二极管D1，经全控型IGBT器件S的C端到E端后，通过第四整流二极管D4流向大电网的出口；同理，大电网的正向电压和电流通过第三整流二极管D3后，经全控型IGBT器件S的E端到C端后，通过第二整流二极管D2流向微电网的入口。

3.根据权利要求1或2所述的微电网用柔性并离网切换装置，其特征在于，在微电网及大电网分别装有第一浪涌吸收抑制器件T1与第二浪涌吸收抑制器件T2；第一浪涌吸收抑制器件T1安装在微电网的入***流母线上，与第一整流二极管D1的阳极及第二整流二极管D2的阴极相联；第二浪涌吸收抑制器件T2安装在大电网的出***流母线上，与第三整流二极管D3的阳极及第四整流二极管D4的阴极相联。

4.根据权利要求1所述的微电网用柔性并离网切换装置，其特征在于，在所述静态开关电路上的电压和电流传感器分别安装在静态开关电路的微电网侧及大电网侧。

5.根据权利要求1或2所述的微电网用柔性并离网切换装置，其特征在于，所述驱动电路以光藕U1为核心电路，实现对可控型IGBT器件S的驱动；来自智能控制单元的输出控制端SS通过第一电阻R1与三极管Q1的基极相联，三极管Q1的基极与发射极间并联第二电阻R2，且三极管Q1的基极与控制信号地GND相联；三极管Q1的集电极通过限流电阻R3与驱动光藕U1的第3脚相联；驱动光藕U1的第2脚通过第一上拉电阻R4与控制电源VCC相联；驱动光藕U1第5脚接-9V的供电电源；驱动光藕U1的第8脚接15V供电电源；驱动光藕U1的15V供电电源的地E及-9V供电电源的地E均与全控型IGBT器件S的发射极E端相联；供电电源15V与地E之间连接第一去耦电容C1，供电电源-9V与地E之间连接第二去藕电容C2；驱动光藕U1的第6、7脚短接为光藕输出，驱动光藕U1的第8脚与光藕输出间连接第二上拉电阻R5；驱动光藕U1的输出通过驱动电阻R6与全控型IGBT器件S的基极G相联。

6.根据权利要求5所述的微电网用柔性并离网切换装置，其特征在于，所述驱动电路中，在所述全控型IGBT器件S的基极G与发射极E之间并联浪涌吸收抑制器件及下拉电阻R7。

7.根据权利要求1所述的微电网用柔性并离网切换装置，其特征在于，所述智能控制单元采用数字化信号处理器作为控制单元；智能控制单元主要由调理电路及AD转换模块、I/O口、电网故障及同步逻辑诊断及通讯模块组成；通过数据采集电路完成对电网的状态及同步逻辑的诊断，根据诊断结果，通过I/O口实现对全控型IGBT器件S的智能控制及状态监测；通过通讯模块实现其与外部其他设备及上位机的数据交互。

8.根据权利要求7所述的微电网用柔性并离网切换装置，其特征在于，所述智能控制单元通过数据采集电路完成对电网的状态及同步逻辑的诊断；电网状态诊断采用电压瞬时值与频率判断相结合的判断方法；所述的同步逻辑诊断基于以下两个条件：

(1)静态开关两侧的电压幅值差很小，理想情况为零；

(2)静态开关两侧的电压存在频率差异。

9.根据权利要求7或8所述的微电网用柔性并离网切换装置，其特征在于，所述智能控制单元对全控型IGBT器件S的控制流程如下：

当智能控制单元检测到大电网状态正常，与外部进行通讯，并进行同步逻辑诊断，直至满足同步条件，然后下达开关开通指令；

当智能控制单元检测到大电网状态异常时下达开关断开指令。