CN112886563B - 一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置，包括连接直流配电区域电压U1的第一双降压/升压型模块，第一双降压/升压型模块并联第一稳压电容C1，还包括连接直流配电区域电压U2的第二双降压/升压型模块，第二双降压/升压型模块并联第二稳压电容C2，第一双降压/升压型模块与第二双降压/升压型模块之间连接电感组件，直流配电区域电压U1的负极与直流配电区域电压U2的负极相连接；实现低压直流配电区域之间的功率传输的柔性互联装置，取代传统联络开关进行配电区域间的能量调度和互济，实现紧急功率支援和负荷重载向轻载的转移，提高低压直流配电网的可靠性和灵活性。

Description

一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置
技术领域
本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置。
背景技术
低压直流配电网由于能够就地消纳分布式新能源，避免传统交流配电网的多级功率变换，还具有最大传输功率高、线路损耗小、电能质量高等潜在优势。目前，低压直流配电已应用在大型数据中心、商业楼宇、工业园区中，为电动汽车、5G基站、直流家电等新型直流负荷提供可靠、高效供电。
对于低压直流配电网相邻低压直流配电区域的连接，较多采用机械开关进行配电区域间的能量调度和互济，但是机械开关动作次数有限，运行寿命较短，同时机械开关倒闸操作会引起供电中断、合环冲击等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置，实现两区域低压直流配电网互联互济与优化运行，从而提高直流配电区域的供电可靠性。
本发明所采用的技术方案是，一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置，包括连接直流配电区域电压U1的第一双降压/升压型模块，第一双降压/升压型模块并联第一稳压电容C1，还包括连接直流配电区域电压U2的第二双降压/升压型模块，第二双降压/升压型模块并联第二稳压电容C2，第一双降压/升压型模块与第二双降压/升压型模块之间连接电感组件，直流配电区域电压U1的负极与直流配电区域电压U2的负极相连接。
本发明的特点还在于：
第一双降压/升压型模块包括漏极连接直流配电区域电压U1正极的第一全控型功率开关管Q1，第一全控型功率开关管Q1的漏极分别连接第一二极管D1阴极、第一稳压电容C1的一端，第一全控型功率开关管Q1的源极连接第二二极管D2的阴极，第一二极管D1的阳极连接第二全控型功率开关管Q2的漏极，第二二极管D2阳极、第一稳压电容C1的另一端、第二全控型功率开关管Q2的源极均连接直流配电区域电压U1负极，第一二极管D1的阳极和第一全控型功率开关管Q1的源极均连接电感组件。
第二双降压/升压型模块包括漏极连接直流配电区域电压U2的正极的第三全控型功率开关管Q3，第三全控型功率开关管Q3的漏极还分别连接第三二极管D3阴极、第二稳压电容C2的一端，第三全控型功率开关管Q3的源极连接第四二极管D4的阴极，第三二极管D3阳极连接第四全控型功率开关管Q4的漏极，第四全控型功率开关管Q4的源极、第四二极管D4的阳极、第二稳压电容C2的另一端均连接直流配电区域电压U2的负极，第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极均连接电感组件。
电感组件包括连接第一全控型功率开关管Q1的源极与第三二极管D3的阳极之间的第一电感L1，还包括连接在第一二极管D1的阳极与第四二极管D4的阴极之间的第二电感L2。
第一电感L1与第二电感L2之间的连接方式为非耦合、正向耦合、反向耦合中的一种。
第一全控型功率开关管Q1、第二全控型功率开关管Q2、第三全控型功率开关管Q3、第四全控型功率开关管Q4均为金属-氧化物半导体场效应晶体管。
本发明一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置有益效果是：
1)本发明中用于实现低压直流配电区域之间的功率传输的柔性互联装置，取代传统联络开关进行配电区域间的能量调度和互济，实现紧急功率支援和负荷重载向轻载的转移，提高低压直流配电网的可靠性和灵活性。
2)本发明中用于实现低压直流配电区域之间柔性互联装置，相较于含有两个主动开关管的传统桥臂的开关装置，可以避免直通而造成的直流侧短路问题，不需要设置死区时间，具有高可靠性；
3)本发明中用于实现低压直流配电区域之间柔性互联装置，开关管采用金属-氧化物半导体场效应晶体管，易于在装置传输大功率时并联使用，具有较低的开关管导通损耗，金属-氧化物半导体场效应晶体管能够提高装置的开关速度和提高工作效率。
附图说明
图1(a)示出基于非耦合电感的双降压/升压电路的拓扑结构图；
图1(b)示出基于正向耦合电感的双降压/升压电路的拓扑结构图；
图1(c)示出基于反向耦合电感的双降压/升压电路的拓扑结构图；
图2示出基于不同电感的双降压/升压电路的电感L1的仿真电流波形图；
图3示出基于所述拓扑结构的柔性互联开关装置在低压直流配电网中的应用示意图；
图4示出基于所述拓扑结构的柔性互联开关装置的调制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明采用柔性直流互联技术的配电网可以实现紧急功率支援和负荷重载向轻载的转移，供电能力也能充分发挥。
本发明一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置，包括连接直流配电区域电压U1的第一双降压/升压型模块，第一双降压/升压型模块并联第一稳压电容C1，还包括连接直流配电区域电压U2的第二双降压/升压型模块，第二双降压/升压型模块并联第二稳压电容C2，第一双降压/升压型模块与第二双降压/升压型模块之间连接电感组件，直流配电区域电压U1的负极与直流配电区域电压U2的负极相连接。
第一双降压/升压型模块包括漏极连接直流配电区域电压U1正极的第一全控型功率开关管Q1，第一全控型功率开关管Q1的漏极分别连接第一二极管D1阴极、第一稳压电容C1的一端，第一全控型功率开关管Q1的源极连接第二二极管D2的阴极，第一二极管D1的阳极连接第二全控型功率开关管Q2的漏极，第二二极管D2阳极、第一稳压电容C1的另一端、第二全控型功率开关管Q2的源极均连接直流配电区域电压U1负极，第一二极管D1的阳极和第一全控型功率开关管Q1的源极均连接电感组件。
第二双降压/升压型模块包括漏极连接直流配电区域电压U2的正极的第三全控型功率开关管Q3，第三全控型功率开关管Q3的漏极还分别连接第三二极管D3阴极、第二稳压电容C2的一端，第三全控型功率开关管Q3的源极连接第四二极管D4的阴极，第三二极管D3阳极连接第四全控型功率开关管Q4的漏极，第四全控型功率开关管Q4的源极、第四二极管D4的阳极、第二稳压电容C2的另一端均连接直流配电区域电压U2的负极，第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极均连接电感组件。
电感组件包括连接第一全控型功率开关管Q1的源极与第三二极管D3的阳极之间的第一电感L1，还包括连接在第一二极管D1的阳极与第四二极管D4的阴极之间的第二电感L2。
第一电感L1与第二电感L2之间的连接方式为非耦合、正向耦合、反向耦合中的一种。
第一全控型功率开关管Q1、第二全控型功率开关管Q2、第三全控型功率开关管Q3、第四全控型功率开关管Q4均为金属-氧化物半导体场效应晶体管。
实施例
本发明一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置中，第一电感L1与第二电感L2分别对三种耦合方式的应用如下：
1)非耦合，如图1(a)所示，L1＝L2＝1mH。
2)正向耦合，如图1(b)所示，L1＝L2＝1mH，M＝0.5mH。
3)反向耦合，如图1(c)所示L1＝L2＝1mH，M＝0.5mH。
上述3种连接方式对应的流过第一电感L1的电流纹波如图2所示，两电感采用反向耦合电感的电流纹波最小，能够降低柔性互联装置导通损耗和成本。
本发明一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置可以用于多个相邻低压直流配电区域柔性互联的场合如图3所示，实现相邻区域间能量调度和互济，满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求。如图3所示，以配电Ⅰ区和配电Ⅱ区之间的柔性互联开关装置为例，装置主要包括两个部分：拓扑结构和调制策略。
拓扑结构，实现两个相邻低压直流配电区域柔性互联，并调节两侧配电区域电压、功率传输或故障隔离。
调制策略，根据装置两侧配电区域的负荷情况输出调制信号，用于控制拓扑结构中的开关管通断，使装置工作于不同模式。
装置的工作模式具体包括：第一互联模式，若配电Ⅱ区出现功率缺额时，配电Ⅰ区可以通过该开关装置向配电Ⅱ区提供功率支撑；第二互联模式，若配电Ⅰ区出现功率缺额时，配电Ⅱ区可以通过该开关装置向配电Ⅰ区提供功率支撑；闭锁模式，若开关装置的一侧配电区域与负载相连的换流装置发生故障，则开关装置中4个全控型功率开关管闭锁。单端电压支撑模式，若开关装置的一侧配电区域与交流电网相连的换流装置出现故障，则故障配电区域的直流母线电压控制可以由相邻配电区域的换流装置通过开关装置支撑。
调制策略的示意图如图4所示，调制大区间为0至2-Δd区间，包括三个调制小区间，第一小区间为0至1-Δd区间，第二小区间为1-Δd至1区间，第三小区间为1至2-Δd区间。
如图4所示，占空比d与载波1比较后得到第一全控型功率开关管Q1的调制信号，占空比d与载波2比较后得到第四全控型功率开关管Q4的调制信号，第二全控型功率开关管Q2的调制信号与第一全控型功率开关管Q1的调制信号互补，第三全控型功率开关管Q3的调制信号与第四全控型功率开关管Q4的调制信号互补。
占空比d处于第一小区间时，则第一全控型功率开关管Q1调制，第二全控型功率开关管Q2调制，第三全控型功率开关管Q3导通，第四全控型功率开关管Q4关断，装置两侧配电区域的直流母线电压的数值关系：
U2＝dU1 (1)
占空比d处于第二小区间时，则第一全控型功率开关管Q1调制，第二全控型功率开关管Q2调制，第三全控型功率开关管Q3调制，第四控型功率开关管Q4调制，装置两侧配电区域的直流母线电压的数值关系：
Figure BDA0002888191910000071
占空比d处于第三小区间时，则第一全控型功率开关管Q1导通，第二全控型功率开关管Q2关断，第三全控型功率开关管Q3调制，第四全控型功率开关管Q4调制，装置两侧配电区域的直流母线电压的数值关系：
Figure BDA0002888191910000072
装置根据配电Ⅰ区和配电Ⅱ区的负荷情况给出占空比d，通过公式(1)～(3)调节两侧配电区域电压，并根据占空比d所处的调制区间对装置的工作模式进行选择。
通过上述方式，本发明一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置，低压直流配电网相邻区域通过柔性直流互联开关连接，相比传统联络开关，柔性直流互联开关主要由全控型电力电子器件构成，不受传统机械式开关动作的次数限制，运行寿命更长，能够在自身能力调节范围内实时调节两配电区域间的功率流动，还能够避免传统联络开关因倒闸操作引起的供电中断问题，保证配电网的安全稳定运行。

Claims (1)

1.一种用于低压直流配电的柔性互联开关装置，其特征在于，包括连接直流配电区域电压U1的第一双降压/升压型模块，所述第一双降压/升压型模块并联第一稳压电容C1，还包括连接直流配电区域电压U2的第二双降压/升压型模块，所述第二双降压/升压型模块并联第二稳压电容C2，所述第一双降压/升压型模块与第二双降压/升压型模块之间连接电感组件，所述直流配电区域电压U1的负极与直流配电区域电压U2的负极相连接；
所述第一双降压/升压型模块包括漏极连接直流配电区域电压U1正极的第一全控型功率开关管Q1，所述第一全控型功率开关管Q1的漏极分别连接第一二极管D1阴极、第一稳压电容C1的一端，所述第一全控型功率开关管Q1的源极连接第二二极管D2的阴极，所述第一二极管D1的阳极连接第二全控型功率开关管Q2的漏极，所述第二二极管D2阳极、第一稳压电容C1的另一端、第二全控型功率开关管Q2的源极均连接直流配电区域电压U1负极，所述第一二极管D1的阳极和第一全控型功率开关管Q1的源极均连接电感组件；
所述第二双降压/升压型模块包括漏极连接直流配电区域电压U2的正极的第三全控型功率开关管Q3，所述第三全控型功率开关管Q3的漏极还分别连接第三二极管D3阴极、第二稳压电容C2的一端，所述第三全控型功率开关管Q3的源极连接第四二极管D4的阴极，所述第三二极管D3阳极连接第四全控型功率开关管Q4的漏极，所述第四全控型功率开关管Q4的源极、第四二极管D4的阳极、第二稳压电容C2的另一端均连接直流配电区域电压U2的负极，所述第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极均连接电感组件；
所述电感组件包括连接第一全控型功率开关管Q1的源极与第三二极管D3的阳极之间的第一电感L1，还包括连接在第一二极管D1的阳极与第四二极管D4的阴极之间的第二电感L2；
所述第一电感L1与第二电感L2之间的连接方式为反向耦合；
所述第一全控型功率开关管Q1、第二全控型功率开关管Q2、第三全控型功率开关管Q3、第四全控型功率开关管Q4均为金属－氧化物半导体场效应晶体管。
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