双极直流配电网中单极源荷的极性切换稳定控制方法

技术领域

本发明涉及直流配电网控制技术领域，具体涉及双极直流配电网中单极源荷的极性切换稳定控制方法。

背景技术

相比于交流配电网，直流配电网具有变换环节少、线路损耗低、供电容量大、供电可靠性高等优势。直流配电网的拓扑结构可分为单极型与双极型。不同于单极直流配电网，双极直流配电网具有多电压等级、多供电回路、接地可靠等特点，供电方式更为灵活，供电可靠性更高。

在双极直流配电网中，交流电先后经过交直流转换器和电压平衡器，被转为双极直流配电网中的直流电。电源与负载均可通过双极或单极的形式接入该配电网，其中单极接入又分为正极接入与负极接入。各单极源荷在双极直流配电网中极性分配的不均匀，将导致网络中出现电压不平衡问题。双极直流配电网的电压不平衡会导致电网的损耗加大，影响经济效益。

申请人发现，切换配电网中单极源荷的极性而使其在网络中均匀地分布，有助于抑制电网的电压不平衡。然而，现有技术中没有考虑到极性切换的设备实现问题，或使用的是具有较高通态损耗的电力电子器件，同时，为实现极性切换，可考虑使用具有低通态损耗的机械断路器来实现断路和合闸，这就需要考虑被切换对象在切换过程中的运行稳定。因此，如何设计一种能够通过低通态损耗的极性切换装置实现单极源荷极性切换，且能够保证单极源荷在极性切换过程中的稳定运行的方法是亟需解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种双极直流配电网中单极源荷的极性切换稳定控制方法，能够通过低通态损耗的极性切换装置实现单极源荷极性切换，并且能够保证单极源荷在极性切换过程中的稳定运行，从而能够提高双极直流配电网中单极源荷极性切换的有效性和稳定性，并为抑制双极直流配电网电压不平衡提供解决途径。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

双极直流配电网中单极源荷的极性切换稳定控制方法，包括：

S1：基于双极直流配电网中单极源荷的极性切换需求构建对应的极性切换装置，以及具备电容调节和PWM调节功能的稳定运行装置；

S2：通过极性切换装置执行对应单极源荷的极性切换操作；

S3：极性切换过程中，首先通过稳定运行装置的电容调节功能延缓对应单极源荷的电压变化；若单极源荷的电压越限，则进一步通过稳定运行装置的PWM调节功能稳定单极源荷的电压；

S4：通过极性切换装置完成对应单极源荷的极性切换后，控制极性切换装置与稳定运行装置停止运行。

优选的，步骤S1中，极性切换装置包括一端与对应单极源荷的负极连接的第一切换模块和第二切换模块，以及一端与对应单极源荷的正极连接的第三切换模块和第四切换模块，且第一切换模块、第二切换模块、第三切换模块和第四切换模块远离对应单极源荷的一端接入双极直流配电网；

当第一切换模块和第三切换模块导通、第二切换模块和第四切换模块断开时，对应单极源荷接入双极直流配电网的正极；当第二切换模块和第四切换模块导通、第一切换模块和第三切换模块断开时，对应单极源荷接入双极直流配电网的负极。

优选的，各个切换模块均包括相互串联的含隔离开关的自激振荡机械断路器和RL并联单元；含隔离开关的自激振荡机械断路器的功能为断开对应单极源荷与双极直流配电网的连接以及使对应单极源荷重新接入双极直流配电网；RL并联单元的功能为抑制对应单极源荷重新接入配电网时产生的冲激电流。

优选的，在不执行极性切换操作时，对应单极源荷经由极性切换装置接入双极直流配电网，此时极性切换装置具有较低的通态损耗；当需要执行极性切换操作时，极性切换装置通过改变对应切换模块的通断状态，实现对应单极源荷在双极直流配电网中的极性切换。

优选的，步骤S1中，稳定运行装置包括用于放出或吸收电能以延缓对应单极源荷电压变化的第一电容C1，用于实现电能流转的半桥电路和转换电路，用于限制电流的第一电阻R1，用于控制线路通断状态的控制开关，以及PWM调节模块。

优选的，稳定运行装置包括分别与对应单极源荷的两极连接的第一线路和第二线路，且第一线路和第二线路远离对应单极源荷的一端与双极直流配电网连通；

第一线路上从双极直流配电网至对应单极源荷的方向依次串联有M1、M2、M3、M4四个控制开关；

半桥电路设置于M1和M2之间，控制第一线路与第二线路的通断；

PWM调节模块与半桥电路的控制端连接；

转换电路设置于M2和M3之间，且包括串联在第一线路上的第二电阻R2和两端分别与第一线路和第二线路接通的第二电容C2；

第一电容C1与第一电阻R1设置于M3和M4之间，且第一电容C1的两端分别与第一线路和第二线路接通，第一电阻R1串联于第一线路上。

优选的，极性切换装置向稳定运行装置发送确认信号Sc，稳定运行装置向极性切换装置发送反馈信号Sf；首先极性切换装置收到极性切换命令后，将确认信号Sc由0转为1；然后稳定运行装置接收到取值为1的确认信号Sc后，将反馈信号Sf由0转为1；最后极性切换装置接收到取值为1的反馈信号Sf后，开始执行对应单极源荷的极性切换操作。

优选的，步骤S3中，M4导通，第一电容C1延缓单极源荷电压的变化；若对应单极源荷的电压正常，则M1、M2与M3全部断开，PWM调节模块不运行。

优选的，步骤S3中，若电压下降或上升到超过阈值，则控制M2与M3转为导通状态，PWM调节模块控制半桥电路以一定的频率交替开闭；对于负荷，控制M1转为导通状态，此时经由M1而来的双极直流电被转为PWM波，然后经过滤波后传输给对应单极负荷，以支持负荷在额定电压附近运行；对于电源，为避免不必要的损耗，保持M1为断开状态，此时电源对第一电容C1与第二电容C2进行充电而使电容电压升高，而电容上储存的电能经由半桥电路释放而使电容电压降低，在PWM调节模块对该过程进行调节后，电源电压可被稳定在额定电压附近。

优选的，步骤S4中，极性切换装置完成对应单极源荷的极性切换后，确认信号Sc转为0，极性切换装置停止运行；反馈信号Sf转为0，M1、M2、M3与M4断开，PWM调节模块不运行，稳定运行装置停止运行；此时对应单极源荷接入双极直流配电网并处于正常运行状态。

本发明中双极直流配电网中单极源荷的极性切换稳定控制方法，具有如下有益效果：

本发明通过极性切换装置执行单极源荷的极性切换操作，并且首先通过稳定运行装置的电容调节功能延缓对应单极源荷的电压变化，在单极源荷电压越限时进一步通过稳定运行装置的PWM调节功能稳定单极源荷的电压，使得能够实现单极源荷极性切换，并且能够保证单极源荷在极性切换过程中的稳定运行，从而能够提高双极直流配电网中单极源荷极性切换的有效性和稳定性，并为抑制双极直流配电网电压不平衡提供解决途径。

由于极性切换操作所需的时间极短，一般而言通过电容调节的方式能够保证在该段时间内的电压稳定；同时，为保证源荷的正常运行，增设PWM调节功能以担任紧急状态下的短时连接中介，保证源荷两端的电压稳定，进而能够进一步提高双极直流配电网中单极源荷极性切换的有效性和稳定性。

本发明的极性切换装置中的切换模块通过含隔离开关的自激振荡机械断路器断开单极源荷与双极直流配电网的连接并使单极源荷重新接入双极直流配电网，通过RL并联单元抑制对应单极源荷重新接入配电网时产生的冲激电流，使得能够实现极性切换装置在单极源荷正常接入电网时具有较低的通态损耗。四个切换模块的配合能够有效实现单极源荷极性切换，从而能够提高双极直流配电网中单极源荷极性切换的有效性。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为双极直流配电网中单极源荷的极性切换稳定控制方法的逻辑框图；

图2为双极直流配电网中单极源荷的极性切换稳定控制方法的流程图；

图3为极性切换装置的电路拓扑图；

图4为极性切换装置控制单极负荷以正极形式接入电网；

图5为极性切换装置控制单极负荷以负极形式接入电网；

图6为稳定运行装置的电路拓扑图（含整体拓扑结构）。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例：

本实施例中公开了一种双极直流配电网中单极源荷的极性切换稳定控制方法。

如图1和图2所示，双极直流配电网中单极源荷的极性切换稳定控制方法，包括：

S1：基于双极直流配电网中单极源荷的极性切换需求构建对应的极性切换装置，以及具备电容调节和PWM调节功能的稳定运行装置；

S2：通过极性切换装置执行对应单极源荷的极性切换操作；

本实施例中，极性切换装置向稳定运行装置发送确认信号Sc，稳定运行装置向极性切换装置发送反馈信号Sf；首先极性切换装置收到极性切换命令后，将确认信号Sc由0转为1；然后稳定运行装置接收到取值为1的确认信号Sc后，将反馈信号Sf由0转为1；最后极性切换装置接收到取值为1的反馈信号Sf后，开始执行对应单极源荷的极性切换操作。

具体的，图2中的Sc为0时，代表极性切换装置既没有收到切换命令，源荷也不处于切换过程中；当Sc为1时，代表极性切换装置已收到切换命令，或源荷正处于切换过程中。当Sf为0时，表示稳定运行装置没有收到取值为1的确认信号Sc；当Sf为1时，表示已收到取值为1的确认信号Sc。确认信号Sc与反馈信号Sf在装置运行的初始阶段均会被初始化为0，以保证后续的信息交互无误。设置信号变量的目的在于使极性切换装置和运行稳定装置可通过这两个信号进行通信，从而按照设置好的流程无误地执行各开关的通断。

S3：极性切换过程中，首先通过稳定运行装置的电容调节功能延缓对应单极源荷的电压变化；若单极源荷的电压越限，则进一步通过稳定运行装置的PWM调节功能稳定单极源荷的电压；

S4：通过极性切换装置完成对应单极源荷的极性切换后，控制极性切换装置与稳定运行装置停止运行。

本发明通过极性切换装置执行单极源荷的极性切换操作，并且首先通过稳定运行装置的电容调节功能延缓对应单极源荷的电压变化，在单极源荷电压越限时进一步通过稳定运行装置的PWM调节功能稳定单极源荷的电压，使得能够实现单极源荷极性切换，并且能够保证单极源荷在极性切换过程中的稳定运行，从而能够提高双极直流配电网中单极源荷极性切换的有效性和稳定性，并为抑制双极直流配电网电压不平衡提供解决途径。

由于极性切换操作所需的时间极短，一般而言通过电容调节的方式能够保证在该段时间内的电压稳定；同时，为保证源荷的正常运行，增设PWM调节功能以担任紧急状态下的短时连接中介，保证源荷两端的电压稳定，进而能够进一步提高双极直流配电网中单极源荷极性切换的有效性和稳定性。

结合图3所示，极性切换装置包括一端与对应单极源荷的负极连接的第一切换模块和第二切换模块，以及一端与对应单极源荷的正极连接的第三切换模块和第四切换模块，且第一切换模块、第二切换模块、第三切换模块和第四切换模块远离对应单极源荷的一端接入双极直流配电网；

各个切换模块均包括相互串联的含隔离开关的自激振荡机械断路器和RL并联单元；含隔离开关的自激振荡机械断路器的功能为断开对应单极源荷与双极直流配电网的连接以及使对应单极源荷重新接入双极直流配电网；RL并联单元的功能为抑制对应单极源荷重新接入配电网时产生的冲激电流。

如图4所示，当第一切换模块和第三切换模块导通、第二切换模块和第四切换模块断开时，对应单极负荷接入双极直流配电网的正极（切换单极电源同理）；

如图5所示，当第二切换模块和第四切换模块导通、第一切换模块和第三切换模块断开时，对应单极负荷接入双极直流配电网的负极（切换单极电源同理）。

在不执行极性切换操作时，对应单极源荷经由极性切换装置接入双极直流配电网，此时极性切换装置具有较低的通态损耗；当需要执行极性切换操作时，极性切换装置通过改变对应切换模块的通断状态，实现对应单极源荷在双极直流配电网中的极性切换。

本发明的极性切换装置中的切换模块通过含隔离开关的自激振荡机械断路器断开单极源荷与双极直流配电网的连接并使单极源荷重新接入双极直流配电网，通过RL并联单元抑制对应单极源荷重新接入配电网时产生的冲激电流，使得能够实现极性切换装置在单极源荷正常接入电网时具有较低的通态损耗。四个切换模块的配合能够有效实现单极源荷极性切换，从而能够提高双极直流配电网中单极源荷极性切换的有效性。

结合图6所示，稳定运行装置包括用于放出或吸收电能以延缓对应单极源荷电压变化的第一电容C1，用于实现电能流转的半桥电路和转换电路，用于限制电流的第一电阻R1，用于控制线路通断状态的控制开关，以及PWM调节模块。

具体的，稳定运行装置包括分别与对应单极源荷的两极连接的第一线路和第二线路，且第一线路和第二线路远离对应单极源荷的一端与双极直流配电网连通；

第一线路上从双极直流配电网至对应单极源荷的方向依次串联有M1、M2、M3、M4四个控制开关；

半桥电路设置于M1和M2之间，控制第一线路与第二线路的通断；

PWM调节模块与半桥电路的控制端连接；

转换电路设置于M2和M3之间，且包括串联在第一线路上的第二电阻R2和两端分别与第一线路和第二线路接通的第二电容C2；

第一电容C1与第一电阻R1设置于M3和M4之间，且第一电容C1的两端分别与第一线路和第二线路接通，第一电阻R1串联于第一线路上。

本实施例中，M1、M2、M3与M4选取常用的全控型电力电子器件即可，如MOSFET。由于M2、M3与M4需要实现双向开断以使该装置可适用于电源与负荷，因此采用两个N沟道增强型MOSFET的S极相串接的形式。

控制开关M1的作用为控制半桥电路是否接通配电网，仅当针对单极负荷的PWM调节模块运行时，M1导通；设置该开关的目的在于避免给配电网带来不必要的损耗。

控制开关M2的作用为控制半桥电路至转换电路间的通路是否导通，仅当PWM调节模块运行时，M2导通。

控制开关M3的作用为控制PWM调节模块是否参与稳定源荷端电压，仅当PWM调节模块运行时，M3导通；设置M2与M3的目的在于当PWM调节模块不运行时，减少转换电路中电容电能的变化，有利于下一次调节。

控制开关M4的作用为控制第一电容C1是否参与延缓电压变化，仅当稳定运行装置运行时，M4导通。

半桥电路的作用为在PWM调节模块的控制下，按照一定频率使其中的电力电子器件导通与断开，从而输出PWM波。

第一电阻R1的阻值较小，其作用为限制其所在线路的电流值，使其不要过大而对控制开关（即MOSFET）产生损害。

第一电容C1在稳定单极负荷的电压时，其作用为放出电能并降低自身的电压（电容调节功能），以及滤波（PWM调节功能）；在稳定单极电源的电压时，其作用为吸收电能并提高自身的电压（电容调节功能），以及承担电容充放电调压的功能（PWM调节功能）。

第二电容C2在稳定单极负荷的电压时，其作用为滤波；在稳定单极电源的电压时，其作用为承担电容充放电调压的功能。

具体实施过程中，M4导通，第一电容C1延缓单极源荷电压的变化；若对应单极源荷的电压正常，则M1、M2与M3全部断开，PWM调节模块不运行。

若电压下降或上升到超过阈值，则控制M2与M3转为导通状态，PWM调节模块控制半桥电路以一定的频率交替开闭；对于负荷，控制M1转为导通状态，此时经由M1而来的双极直流电被转为PWM波，然后经过滤波后传输给对应单极负荷，以支持负荷在额定电压附近运行；对于电源，为避免不必要的损耗，保持M1为断开状态，此时电源对第一电容C1与第二电容C2进行充电而使电容电压升高，而电容上储存的电能经由半桥电路释放而使电容电压降低，在PWM调节模块对该过程进行调节后，电源电压可被稳定在额定电压附近。

极性切换装置完成对应单极源荷的极性切换后，确认信号Sc转为0，极性切换装置停止运行；反馈信号Sf转为0，M1、M2、M3与M4断开，PWM调节模块不运行，稳定运行装置停止运行；此时对应单极源荷接入双极直流配电网并处于正常运行状态。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。