一種微電網用柔性并離網切換裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于微電網的柔性并網離網的切換裝置。
【背景技術】
[0002]傳統意義上的開關只是一個機械的硬件裝置，如繼電器，但隨著半導體技術的發展，高速可控型開關不斷涌現，如晶閘管SCR、IGBT、IGCT。基于半導體技術的高速開關與當前數字信號處理器技術的結合，完全可以設計出滿足微電網要求的柔性開關。根據IEEE1547與UL1741對并網的要求，開關應具有快速、保護、同步等特性，另外考慮到現場的實際安裝條件及成本。基于CB技術的開關響應速度較慢，繼電器的開關速度一般在20ms到100ms之間，但電路設計與控制簡單，導通電阻低，價格低廉，因此在對開關速度要求不是很高的場合被廣泛采用。基于晶閘管SCR技術的開關響應速度一般在半個工頻周期到一個工頻周期(對50Hz的電網為10ms到20ms)，有些制造商提供的產品響應速度可以達到四分之一個工頻周期，已經完全滿足微電網系統靜態開關的要求；基于IGBT技術的開關響應速度一般在100 μ s之內并且可以實現瞬間關斷。對于更高電壓等級的開關可用IGCT來代替IGBTo
[0003]快速并離網切換是微電網的核心技術之一，近幾年來隨著微電網技術的發展，并離網切換技術也成為研究的熱點，但大多主要是從微電網的技術需求，提出并離網快速切換的方法，沒有單獨針對快速切換裝置本身的角度提出。中國專利CN 102170134 B公開了一種基于G00SE通訊方法的微電網并離網平滑切換智能控制方法，根據不同并網點開關位置狀態組合邏輯表達式，匹配出微電網當前運行模式，通過實時采集各個并網點、負荷、分布式電源、儲能逆變器的功率信息，同時根據匹配出的運行模式，計算當前并網點的交換功率值，判斷出功率盈缺情況，制定負荷/分布式電源切除計劃，最終完成微電網離網平滑控制。
[0004]針對快速開關裝置本體，目前多采用半控型半導體開關晶閘管，對于全控型器件IGBT作為快速切換開關的裝置很少。中國專利CN 103401266 B公開了一種實現逆變器并離網無縫切換的裝置及方法，開關主體采用可控硅SCR，控制單元采用數字信號處理器，通過檢測到的通過所述濾波電感的電流的方向，反向給定控制量限幅值，向處于閉合狀態的所述反并聯可控硅發出關斷信號來實現開關的快速關斷。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是克服現有技術的缺點，提出一種微電網用柔性并網離網的切換裝置。本發明基于全控型半導體器件IGBT，開關單元具有完備的保護、驅動及控制電路，并結合智能控制單元的數字信號處理器實現對微電網的快速并離網切換。本發明開關電路本體速度快、功耗較小、采用全數字化智能控制，控制方法簡單，能夠實現微電網的快速平滑切換。
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]本發明微電網用柔性并離網切換裝置主要由靜態開關電路、驅動電路及智能控制單元三部分組成。靜態開關電路的輸入端接入微電網，靜態開關電路的輸出端接入大電網；驅動電路的輸入端連接到智能控制單元的輸出I/O端口，驅動電路的輸出端連接到靜態開關電路的控制端口 ；在靜態開關電路的輸入端、輸出端的三相交流母線上均安裝了電壓、電流傳感器；在全控型IGBT開關電路上安裝了溫度傳感器，電壓、電流及溫度傳感器的采樣信號作為智能控制單元的輸入，智能控制單元的輸出端通過I/O 口以模擬信號的形式接到驅動電路。
[0008]靜態開關電路是切換裝置的硬件主體。本發明采用全控型半導體器件IGBT實現快速通斷。但由于典型的商業性IGBT模塊并不具有電壓與電流的雙向關斷能力，而微電網要求開關必須具有雙向電壓與電流的阻斷能力，本發明通過對二極管與IGBT的不同排列來實現這一功能。由于IGBT具有高速關斷電流的能力，為防止di/dt耦合在IGBT上產生很大的電壓沖擊，電路主體在IGBT開關的輸入、輸出兩側均安裝了浪涌吸收抑制器件，從而避免IGBT過壓失效；相比機械開關，半導體開關盡管開關速度快，但其抗過壓及過載能力差，為對其進行全方位保護，在IGBT開關進入口的兩側均安裝了電壓與電流傳感器，用于檢測電網的電壓和電流，電壓與電流傳感器通過信號線接入智能控制單元。
[0009]所述的驅動電路采用光藕驅動，并實現控制信號與驅動信號的隔離。智能控制單元發出的開關動作信號通過三極管驅動后經過光藕實現光電隔離。光藕供電采用+15V與-9V的驅動電壓確保IGBT快速可靠通斷。
[0010]所述的智能控制單元采用數字化信號處理器作為控制器件；通過數據采集電路完成對電網的狀態及同步邏輯的診斷，根據診斷結果，通過I/o 口實現對靜態開關的智能控制及狀態監測；通過通訊模塊實現其與外部其他設備及上位機的數據交互。
[0011]所述電網狀態診斷采用了電壓瞬時值與頻率判斷相結合的判斷方法；同步邏輯診斷基于以下兩個條件:
[0012](1)靜態開關兩側的電壓幅值差很小，理想情況為零；
[0013](2)靜態開關兩側的電壓存在頻率差異。
[0014]所述智能控制單元對IGBT開關主體的主要包括開通和關斷兩個過程:
[0015]從關斷到開通的控制流程:
[0016](1)當檢測到大電網狀態正常并與外部進行通訊；
[0017](2)進行同步邏輯診斷，直至滿足同步條件；
[0018](3)下達開關開通指令。
[0019]從開通到關斷的控制流程為:當檢測到大電網狀態異常，下達開關斷開指令。
【附圖說明】
[0020]圖1柔性靜態開關組成框圖；
[0021]圖2a靜態開關開通時從微電網流向大電網的能量流向圖；
[0022]圖2b靜態開關開通時從大電網流向微電網的能量流向圖；
[0023]圖2c靜態開關關斷時從微電網流向大電網的能量流向圖；
[0024]圖2d靜態開關開通時從大電網流向微電網的能量流向圖；
[0025]圖3a基于雙向浪涌吸收抑制器件的吸收保護電路拓撲；
[0026]圖3b基于Crowbar電路的吸收保護電路拓撲；
[0027]圖3c基于箝位吸收電路的吸收保護電路拓撲；
[0028]圖4靜態開關切換控制流程圖；
[0029]圖5自治到并網的切換波形；
[0030]圖6并網到自治的切換波形。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0032]如圖1所示，本發明微電網用柔性并離網切換裝置主要由靜態開關電路、驅動電路及智能控制單元三部分組成。靜態開關電路的輸入端連接微電網，靜態開關電路為微電網三相交流電流通出口，靜態開關電路的輸出端連接大電網；驅動電路的輸入端接到智能控制單元的輸出I/O端口，驅動電路的輸出端接到靜態開關的控制端口 ；智能控制單元主要由調理電路及AD轉換模塊、I/O 口、電網故障及同步邏輯診斷及通訊模塊組成；智能控制單元的輸入接口接收來自靜態開關電路上安裝的電壓、電流、溫度傳感器的輸出信號，以及靜態開關本體的狀態信號，上述信號以模擬量的形式從I/O端口接入。智能控制單元的輸出端通過I/O 口以模擬信號的形式接到驅動電路。
[0033]所述的靜態開關電路主體部分由一個IGBT器件S與四個整流二極管D1?D4組成；第一二極管D1的陰極與第三二極管D3的陰極及IGBT器件S的集電極C相聯；第二二極管D2的陽極與第四二極管D4的陽極及IGBT器件S的發射極相聯；第二二極管D2的陰極與第一二極管D1的陽極相聯，并作為微電網的進線入口 ；第四二極管D4的陰極與第三二極管D3的陽極相聯，并作為大電網的進線出口。除靜態開關電路主體電路外，在靜態開關電路的輸入端及輸出端分別裝有浪涌吸收抑制器件:如圖1所示安裝的浪涌吸收抑制器件T1與T2 ;第一浪涌吸收抑制器件T1安裝在輸入端口的三相交流母線上，第一浪涌吸收抑制器件T1的一端與第一二極管D1的陽極及第二二極管D2的陰極相聯，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安裝在大電網的出口交流母線上，第二浪涌吸收抑制器件T2 —端與第三二極管D3的陽極及第四二極管D4的陰極相聯，第二浪涌吸收抑制器件T1的另一端接地；安裝時，第一浪涌吸收抑制器件T1及第二浪涌吸收抑制器件T2的位置應盡可能靠近靜態開關電路主體。另外，靜態開關電路在輸入端及輸出端的三相交流電三相均裝有電壓和電流傳感器，用于檢測電網的三相電壓和電流，在靜態開關電路上安裝PT100溫度傳感器，所有電壓傳感器、電流傳感器及溫度傳感器的信號均通過模擬電路接入智能控制單元的模擬采樣端口。
[0034]所述驅動電路以光藕U1為核心電路，實現對全控型IGBT器件的驅動。來自智能控制單元的控制端SS通過模擬電路I/O 口與第一電阻R1及三極管Q1的基極相聯，三極管Q1的基極與發射極之間并聯第二電阻R2，三極管Q1的基極與控制信號地GND相聯；三極管Q1的發射極通過限流電阻R3與驅動光藕U1的第3腳相聯；驅動光藕U1第2腳通過第一上拉電阻R4與控制電源VCC相聯；光藕U1第5腳接-9V的供電電源；驅動光藕U1的第5腳接15V供電電源；驅動光藕U1的供電電源的相對地與全控型IGBT器件S的發射極E相連；供電電源15V與相對地E之間并聯間并聯第一去藕電容C1 ;供電源-9V對相對地E間并聯第二去藕電容C2;驅動光藕U1的第6、7腳短接為光藕輸出，驅動光藕U1的第8腳與光藕輸出間連接第二上拉電阻R5 ;驅動光藕U1的輸出通過驅動電阻R6與全控型開關IGBT器件S的基極G相連。所述驅動電路在全控型開關IGBT器件S的基極G與發射極E間并聯浪涌吸收抑制器件及下拉電阻R7，用來保護全控型開關IGBT器件S控制端輸入過壓及靜電能量吸收，保證全控型開關IGBT器件S的安全穩定通斷。
[0035]智能控制單元采用數字化信號處理器作為控制單元，主要由調理電路及AD轉換模塊、I/O 口、電網故障及同步邏輯診斷及通訊模塊組成；通過數據采集電路完成對電網的狀態及同步邏輯的診斷，根據診斷結果，通過I/O 口實現對靜態開關的智能控制及狀態監測；通