一种光储微电网源间切换的混合式转换开关及控制方法

本发明涉及光储微电网源间切换，更具体的说是涉及一种光储微电网源间切换的混合式转换开关及控制方法。

背景技术：

1、随着分布式光伏、工商业储能、充电设施和微电网系统的快速发展，低压配电系统中由单一电源供电向多电源协同供电转变的趋势日益明显。在光储微电网中，储能逆变单元、低压交流电网及敏感负荷之间常需要进行并网、离网和源间切换操作。当一路电源出现电压暂降、短时中断、缺相、频率异常或故障扰动时，需要快速将敏感负荷转接至另一电源，以降低短时停电、电压冲击和负荷失电对生产设备及用电系统的影响。因此，源间快速转换开关不仅需要具备较高的通流能力和故障开断能力，还需要具备低冲击、低损耗、动作相位可控和运行状态可监测等性能。现有的源间快速转换开关主要有以下三类：

2、第一，低压双电源转换开关：多采用机械开关、接触器或普通断路器实现电源切换，其结构成熟、通流损耗低，但机械动作时间较长，分合闸过程受触头运动速度、弹簧机构一致性和电弧燃烧影响较大，难以满足光储微电网中敏感负荷对毫秒级切换和相位可控合闸的需求。在两路电源相位、频率或电压幅值存在差异时，若仅依靠低压双电源转换开关容易产生较大的合闸冲击电流和电压扰动，导致逆变单元保护动作或敏感负荷运行异常。

3、第二，固态电力电子开关：如固态转换开关和固态并网开关，上述两种固态电力电子开关虽然能够实现快速导通和关断，但在稳态运行时主电流长期流经功率半导体器件，存在导通损耗大、散热要求高、成本较高以及短路耐受能力受限等问题。对于光储微电网源间切换场景，若完全依赖固态电力电子开关中的igbt、晶闸管或其他电力电子器件承担长期通流和故障切除，一方面会增加系统热设计和器件串并联设计难度，另一方面在大电流短路故障下可能面临器件过热、过压或关断失效风险。

4、第三，混合式开关：此类开关通常将机械开关与电力电子支路并联，通过电力电子支路实现换流或辅助关断，通过机械开关降低稳态损耗。该类方案能够在一定程度上兼顾快速性和低损耗，但其主要面向直流断路器、高压混合式开关或通用电源切换装置，重点在于故障电流换流、固态支路关断或能量吸收，未充分考虑低压光储微电网中第一源与第二源之间的三相相位关系、负载电流过零时刻、待投入源与母线残余电压之间的瞬时电压差，以及机械操动机构动作延时对目标分合闸相位的影响。部分使用混合式开关的微电网并网点快速分合方案虽能够实现配电网与微电网之间的快速建立或隔离，但其主要解决并网点连接关系的快速分合问题，未形成面向两路源间切换的相位可控剩磁混合式快速转换结构，也未将机械通流支路的稳态承流、故障独立开断与电力电子暂态支路的短时换流功能进行明确分工。

5、此外，现有机械操动机构多采用弹簧机构、电磁机构或斥力机构。弹簧机构机械零部件较多，动作一致性和长期维护性受限；传统电磁机构维持能耗较高；斥力机构虽然动作速度快，但驱动电流大、冲击强、缓冲和可靠性设计难度较高。剩磁式磁控机构具有结构紧凑、保持能耗低和动作响应快等优势，但现有剩磁式机构多作为单一断路器操动机构使用，尚未充分与光储微电网源间切换中的目标分合闸相位、电力电子暂态支路短时导通、机械通流支路稳态承流及故障开断策略相结合。

6、因此，现有技术仍存在以下不足：一是机械式转换开关动作速度和相位可控能力不足，易产生合闸冲击和转换电弧；二是固态转换开关长期通流损耗和热负荷较大，短路故障承受能力受限；三是现有混合式开关多关注换流拓扑本身，对光储微电网两路电源之间的相位可控切换、机械动作延时修正和源侧互锁控制考虑不足；四是对触头压力、igbt温度、真空灭弧组件真空状态、分合闸线圈驱动状态等运行信息的综合检测不足，难以及时判断机械触头接触异常、支路过热、真空劣化或机构动作异常。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种光储微电网源间切换的混合式转换开关及控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供一种光储微电网源间切换的混合式转换开关，包括第一源输入端、第一源侧开关组件、第二源输入端、第二源侧开关组件和控制模块；

4、所述第一源侧开关组件，连接于所述第一源输入端与三相交流母线之间，用于导通或断开位于低压交流电源中的所述第一源输入端和电网负荷之间的通路；

5、所述第二源侧开关组件，连接于所述第二源输入端与所述三相交流母线之间，用于导通或断开位于所述低压交流电源中的所述第二源输入端和电网负荷之间的通路；

6、其中，所述第一源侧开关组件和所述第二源侧开关组件均设置并联连接的机械通流支路、电力电子暂态支路和吸收支路；

7、所述控制模块，分别与所述第一源侧开关组件、第二源侧开关组件以及所述三相交流母线连接，被配置为：

8、根据三相电压信号和三相电流信号判断光储微电网是否处于故障运行工况；

9、若处于故障运行工况，则封锁所述第一源侧开关组件和所述第二源侧开关组件的所述电力电子暂态支路，并控制所述机械通流支路开断故障电流；

10、若未处于故障运行工况，则判断是否处于源间切换工况，并在处于源间切换工况时生成互锁信号，并控制所述第一源侧开关组件或所述第二源侧开关组件的所述机械通流支路执行分合闸动作、电力电子暂态支路的短时导通，以及，控制所述吸收支路抑制暂态过电压；所述互锁信号用于控制第一源侧开关组件与第二源侧开关组件互锁；

11、当完成源间切换并进入稳态运行工况时，控制运行侧的所述第一源侧开关组件或所述第二源侧开关组件的所述机械通流支路支路导通。

12、在一实施方式中，所述机械通流支路，包括：

13、灭弧组件，用于熄灭或切断电弧；

14、剩磁式磁控机构，与所述灭弧组件传动连接，包括绝缘拉杆、触头弹簧、分闸弹簧、支架、静磁芯、压力应变片、两个分合闸线圈、动磁芯和限位块；

15、其中，所述绝缘拉杆，一端与所述灭弧组件传动连接；

16、所述触头弹簧，套设在所述缘拉杆上，用于在所述第一源侧开关组件或所述第二源侧开关组件处于合闸过程中产生触头接触压力；

17、所述分闸弹簧，套设在所述触头弹簧外部，用于在所述第一源侧开关组件或所述第二源侧开关组件处于分闸过程中提供分闸驱动力；

18、所述支架，内部的所述静磁芯和所述动磁芯相对设置，且所述静磁芯和所述动磁芯设置两个侧边凹槽和用于放置所述触头弹簧和所述分闸弹簧的中心凹槽，所述支架通过所述触头弹簧和所述分闸弹簧与所述绝缘拉杆滑动连接；

19、所述压力应变片，设置在所述动磁芯的底部，用于检测所述弹簧组件向下挤压时产生的接触压力；

20、所述两个分合闸线圈，分别设置在所述两个侧边凹槽中，用于接收分合闸脉冲，并驱动所述动磁芯运动；

21、所述限位块，设置在所述动磁芯的底部，所述绝缘拉杆贯穿所述触头弹簧和所述分闸弹簧后与所述动磁芯和所述限位块固定连接，用于限制所述动磁芯的运动行程。

22、在一实施方式中，所述静磁芯与所述动磁芯均为半硬磁材料。

23、在一实施方式中，当所述灭弧组件为真空灭弧组件时，所述真空灭弧组件包括：

24、真空灭弧组件壳体；

25、真空静导电杆，与所述真空灭弧组件壳体固定连接；

26、真空静触头，设置在所述真空灭弧组件壳体内；

27、真空动触头，设置在所述真空灭弧组件壳体内，与所述真空静触头相对设置；

28、真空动导电杆，与所述真空动触头连接，通过所述真空灭弧组件壳体内的金属波纹管与所述真空灭弧组件壳体形成可动密封连接，并与所述绝缘拉杆传动连接。

29、在一实施方式中，当所述灭弧组件为空气灭弧组件时，所述空气灭弧组件包括：

30、空气灭弧组件壳体，设置灭弧栅片支承组件、可转动的动触头臂和排气通道；

31、空气动触头，设置在所述动触头臂的转动端；

32、空气动导电杆，一端与所述动触头臂的固定端连接，另一端贯穿所述空气灭弧组件壳体并与所述绝缘拉杆连接；

33、空气静触头，固定设置在所述空气灭弧组件壳体内一侧，并与所述空气动触头相对设置；

34、多片金属灭弧栅片，安装在所述灭弧栅片支承组件上，并在所述空气静触头和空气动触头的上方形成开口朝向触头区域的灭弧栅入口；所述排气通道与所述金属灭弧栅片的上部连通，用于排出开断过程中产生的高温气体。

35、在一实施方式中，所述电力电子暂态支路包括由至少两个igbt功率器件构成的双向可控功率开关单元，所述igbt功率器件包括：

36、贴片式温度传感器，与所述控制模块电连接。

37、在一实施方式中，所述控制模块，包括：

38、igbt温度检测单元，与所述电力电子暂态支路连接，用于采集电力电子暂态支路中的温度信号；

39、igbt驱动单元，与所述电力电子暂态支路连接，用于驱动或封锁所述igbt功率器件；

40、线圈驱动单元，与所述分合闸线圈连接，用于输出驱动所述分合闸线圈的分合闸驱动脉冲；

41、保持力检测单元，与所述压力应变片连接，用于采集触头压力或剩磁保持力状态信号；

42、电流检测单元，与第一源输入端、第二源输入端及三相交流母线连接，用于采集对应于所述第一源输入端、第二源输入端及三相交流母线的电流信号；

43、电压检测单元，与第一源输入端、第二源输入端及三相交流母线连接，用于采集所述第一源输入端、所述第二源输入端及三相交流母线的三相电压信号；

44、真空度检测单元，与所述灭弧组件电连接，用于当所述灭弧组件为真空灭弧组件时，判断所述灭弧组件的真空状态

45、控制单元，与所述igbt温度检测单元、igbt驱动单元、线圈驱动单元、保持力检测单元、电流检测单元、电压检测单元和真空度检测单元电连接，并接收采集信号；

46、取电单元，与所述控制单元、所述第一源输入端和或所述第二源输入端的三相交流母线连接，用于为所述控制单元、所述igbt温度检测单元、igbt驱动单元、线圈驱动单元、保持力检测单元、电流检测单元、电压检测单元和真空度检测单元供电。

47、第二方面，本发明实施例提供一种光储微电网源间切换的混合式转换开关的控制方法，应用于如第一方面所述的一种光储微电网源间切换的混合式转换开关，包括以下步骤：

48、s1：控制模块获取第一源输入端、第二源输入端和三相交流母线各自对应的三相电压信号和三相电流信号；

49、s2：控制模块根据所述三相电压信号和所述三相电流信号，确定是否所述光储微电网是否处于故障运行工况；

50、s3：若所述光储微电网处于故障运行工况，则所述控制模块封锁电力电子暂态支路，并控制运行侧机械通流支路开断故障电流；

51、s4：若所述光储微电网未处于故障运行工况，则所述控制模块判断是否源间切换工况，并在处于源间切换工况时生成互锁信号，并控制所述第一源侧开关组件或所述第二源侧开关组件的所述机械通流支路执行分合闸动作、电力电子暂态支路的短时导通、控制所述吸收支路抑制暂态过电压，以及，控制机械通流支路导通；

52、s5：当完成源间切换并进入稳态运行工况时，控制运行侧的所述第一源侧开关组件或所述第二源侧开关组件的机械通流支路支路导通。

53、在一实施方式中，步骤s4中，包括：

54、当处于源间切换工况时，所述控制模块控制待切除源的电力电子暂态支路短时导通、控制机械通流支路在目标分闸相位执行分闸动作，以及，控制吸收支路抑制暂态过电压，判断是否满足第一安全关断约束条件；

55、判断电流是否转移至所述电力电子暂态支路以及所述机械通流支路的灭弧组件的触头移动开距是否不小于有效开距；

56、若所述电流转移至所述电力电子暂态支路且触头移动开距不小于所述有效开距，则判断该电流是否过零点，或，是否满足第一安全关断条件；

57、若该电流过零点，或，满足所述第一安全关断条件，则控制模块控制待投入源的第一源侧组件或第二源侧开关组件的电力电子暂态支路短时导通、控制机械通流支路在目标合闸相位执行合闸动作，以及，控制吸收支路抑制暂态过电压；

58、判断所述机械通流支路的灭弧组件的触头压力大于压力阈值以及所述电流转移至待投入源的第一源侧组件或第二源侧开关组件的机械通流支路；

59、若触头压力大于所述压力阈值，且，电流转移至待投入源的第一源侧组件或第二源侧开关组件的所述机械通流支路，则关断所述待投入源的电力电子暂态支路，并进入所述稳态运行工况。

60、在一实施方式中，目标合闸相位确定步骤和目标分闸相位确定步骤包括：

61、获取所述待切除源的电流过零时刻和所述机械通流支路的预设分闸延时，并根据所述电流过零时刻和所述预设分闸延时确定所述目标分闸相位；

62、实时计算所述待投入源的电压和受电侧电压的电压差值，并根据所述电压差值、电压差值阈值和预设合闸延时确定所述目标合闸相位。

63、本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

64、1.本发明采用机械通流支路与电力电子暂态支路并联的混合式结构，稳态运行时由机械通流支路承担主回路电流，降低了功率器件长期通流损耗和散热压力；正常源间转换时由电力电子暂态支路短时导通并辅助电流转移，提高了分合闸速度并降低了转换冲击。

65、2.本发明将剩磁式磁控机构与灭弧组件结合形成机械通流支路，既能够利用剩磁式磁控机构实现低能耗保持和快速动作，又能够利用灭弧组件承担长期通流和故障开断功能，避免了过载或短路故障时完全依赖igbt功率器件开断故障电流的问题。

66、3.本发明根据第一源、第二源和三相交流母线的电压幅值、频率、相序、过零时刻和相位角，以及负载电流过零时刻和剩磁式磁控机构预测动作延时，确定目标分闸相位和目标合闸相位，能够降低两路电源切换过程中的瞬时电压差和合闸冲击，实现相位可控的快速源间转换。

67、4.本发明在短路故障工况下封锁电力电子暂态支路并禁止备用源投入，由当前通流源对应的机械通流支路开断故障电流，提高了故障处理的安全性，降低了igbt功率器件在大电流故障下的热损伤和失效风险。

68、5.本发明通过igbt温度检测、触头压力或剩磁保持力检测、真空状态检测、分合闸线圈驱动电流检测以及电压电流检测，实现对机械支路、电力电子支路和灭弧组件状态的综合监测，能够及时识别触头接触异常、支路过热、真空劣化和机构动作异常，提高了快速转换开关的运行可靠性和维护便利性。