一种基于新型开关拓扑的换相控制系统的制作方法

本发明涉及一种基于新型开关拓扑的换相控制系统，属于换相控制领域。

背景技术：

1、我国低压配电网主要采用三相四线制供电，对于农村和城市的配电网，负荷类型多种多样，并且主要为单相负荷，单相负荷的分配不均、负荷用电的随意性以及近年来分布式发电与电动车充电桩的接入导致了三相不平衡。三相不平衡对电网及用电设备的安全、经济运行带来一系列危害，如配电变压器容量利用率降低，配电变压器损耗增大；重载相电压下降，轻载相电压升高，电器设备有时不能正常工作；中性线电流增大，线路损耗增大，故改善台区的三相不平衡具有重要意义。在治理配电台区三相不平衡的主要方法有三种：人工换相，负荷补偿和智能换相开关。其中人工换相需要定期统计用电负荷的相关数据，通过分析计算，手动调整，操作不方便，因此逐渐被淘汰。负荷补偿能有效地治理三相不平衡问题，但其设备成本高，稳定性和可靠性不高，很难运用实际配电台区中。

2、最常用的治理三相不平衡度的方法是在配电台区安装智能换相开关。如图1所示，智能换相开关主要利用配电网测的换相控制终端和用户侧的若干个换相开关进行相互配合，换相控制终端负责换相策略的生成，换相开关执行换相策略，完成换相实现三相平衡。

3、目前应用比较广泛的换相开关拓扑结构为反向并联的晶闸管和机械开关组合的结构完成换相操作，其拓扑结构如图8所示。每相是由两个反向并联的晶闸管再和机械开关并联组成。该拓扑利用的晶闸管为半控型器件，因此在换相时常采用“若前相电流过零点断开，切换相电压过零点闭合”。由于电网三相相序两两之间存在120°相位差，并且电网中往往不是纯阻性负载，电流和电压之间存在滞后或者超前相角，因此在换相过程中停电时间较长，影响用户的正常用电。对于正序切换采用上述切换方式只需切换一次，而对于逆序换即a切换到c、b切换到a、c切换到b，则进行两次正相序切换，换相时间进一步增长，严重影响用户的用电体验。

4、因此，为了更好的满足若今用户的用电需求，设计一个新型拓扑来解决换相时间较长的问题。

5、cn112564139a《一种三相交流换相开关及换相控制方法》包括控制器以及对应a、b、c三相分别设置的可控支路，各可控支路一端分别对应连接交流a相、b相、c相线路，另一端为负荷火线连接端；各可控支路皆包括可控开关组件和可控接触器，可控开关组件串联在可控支路中，并与所述可控接触器相并联；各可控开关组件和可控接触器的控制输入端分别电连接控制器。该方法换相速度有待进一步提高。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的问题，本发明设计了一种基于新型开关拓扑的换相控制系统，基于全控型器件(sic-mosfet/igbt)构建换相开关，实现随时无缝隙快速换相，解决了现有半控型器件(晶闸管)仅能过零关断的弊端；同时，利用三个单刀双掷的机械开关防止开关误动作，避免机械开关之间相间短路的情况，并且由拓扑可知在换相过程中只有机械开关3需承受较大的冲击电压和电流，从而增加了机械开关的使用寿命，减少拉弧和涌流出现。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种新型开关拓扑，包括：包括可控接触模块、对应a、b、c三相线路分别设置的可控支路；

4、各所述可控支路设有反向串联的两个开关组件；各所述开关组件设有一个半导体开关、以及分别与半导体开关反向并联的两个二极管；

5、所述可控接触模块包括三个机械开关；第一机械开关的第一切换触点与a相线路电连接、第二切换触点与b相线路电连接；第二机械开关的第一切换触点与第一机械开关的公共触点电连接，第二机械开关的第二切换触点与c相线路电连接；第三机械开关的第一切换触点与第二机械开关的公共触点电连接，第三机械开关的公共触点与负载线路电连接。

6、进一步地，第一可控支路包括反向串联的第一开关组件和第二开关组件；

7、第一开关组件中第一半导体开关集电极、第一二极管负极端、第二二极管负极端的并联连接点形成第一开关组件的输入端；第一半导体开关发射集、第一二极管正极端、第二二极管正极端的并联连接点形成第一开关组件的输出端；

8、第二开关组件中第二半导体开关发射集、第三二极管正极端、第四二极管正极端的并联连接点形成第二开关组件的输入端；第二半导体开关集电极、第三二极管负极端、第四二极管负极端的并联连接点形成第二开关组件的输出端。

9、进一步地，所述半导体开关为sic-mosfet或igbt，所述二极管为快恢复二极管或超快恢复二极管。

10、一种基于新型开关拓扑的换相控制系统，包括：

11、换相开关，所述换相开关包括可控接触模块、对应a、b、c三相线路分别设置的可控支路；

12、各所述可控支路设有反向串联的两个开关组件；各所述开关组件设有一个半导体开关、以及分别与半导体开关反向并联的两个二极管；

13、所述可控接触模块包括三个机械开关；第一机械开关的第一切换触点与a相线路电连接、第二切换触点与b相线路电连接；第二机械开关的第一切换触点与第一机械开关的公共触点电连接，第二机械开关的第二切换触点与c相线路电连接；第三机械开关的第一切换触点与第二机械开关的公共触点电连接，第三机械开关的公共触点与负载线路电连接；

14、驱动模块，所述驱动模块与换相开关电连接，用于驱动所述开关组件；

15、检测模块，所述检测模块用于获取可控支路电气参数、三相线路电气参数、第二机械开关与第三机械开关间线路的电气参数、负载线路的电气参数；

16、控制模块，所述控制模块用于控制驱动模块、检测模块、换相开关执行换相策略。

17、进一步地，第一可控支路包括反向串联的第一开关组件和第二开关组件；

18、第一开关组件中第一半导体开关集电极、第一二极管负极端、第二二极管负极端的并联连接点形成第一开关组件的输入端；第一半导体开关发射集、第一二极管正极端、第二二极管正极端的并联连接点形成第一开关组件的输出端；

19、第二开关组件中第二半导体开关发射集、第三二极管正极端、第四二极管正极端的并联连接点形成第二开关组件的输入端；第二半导体开关集电极、第三二极管负极端、第四二极管负极端的并联连接点形成第二开关组件的输出端。

20、进一步地，所述半导体开关为sic-mosfet或igbt，所述二极管为快恢复二极管或超快恢复二极管。

21、进一步地，还包括：信号逻辑处理模块，所述信号逻辑处理模块用于对检测模块获取的电压数据、电流数据处理为开关量。

22、进一步地，还包括：无线通信收发器，所述无线通信收发器与换相控制终端通信连接。

23、进一步地，所述换相策略，包括如下步骤：

24、检测原导通相线路外其他相线路电流；若原导通相线路外其他相线路电流均小于预设阈值，则驱动原导通相线路对应可控支路上的开关组件导通；

25、检测第二机械开关与第三机械开关之间的电流；若原导通相线路对应可控支路上的开关组件已导通且第二机械开关与第三机械开关之间的电流小于预设阈值，则控制第三机械开关断开；

26、检测负载电流；若第三机械开关已断开且负载电流小于预设阈值，则驱动原导通相线路对应可控支路上的开关组件闭锁；闭锁完成后，立即驱动目标相线路对应可控支路上的开关组件导通，控制第一机械开关或第二机械开关切换至目标相工作位置；

27、若负载电流小于预设阈值，则控制第三机械开关闭合；

28、检测目标相对应可控支路电压；若第三机械开关已闭合，目标相对应可控支路电压小于预设阈值，则驱动目标相线路对应可控支路上的开关组件闭锁。

29、进一步地，所述换相策略，包括如下步骤：

30、检测原导通相线路外其他相线路电流；若原导通相线路外其他相线路电流均小于预设阈值，则驱动原导通相线路对应可控支路上的开关组件导通；

31、若原导通相线路对应可控支路上的开关组件未导通，则不再动作，结束换相；

32、检测第二机械开关与第三机械开关之间的电流；若第二机械开关与第三机械开关之间的电流小于预设阈值，控制第三机械开关断开；

33、若第三机械开关未断开且第二机械开关与第三机械开关之间的电流不小于预设阈值，则控制换相开关退回至上一状态；

34、检测负载电流；若负载电流小于预设阈值，则驱动原导通相线路对应可控支路上的开关组件闭锁；在闭锁完成后，立即驱动目标相线路对应可控支路上的开关组件导通，控制第一机械开关或第二机械开关切换至目标相工作位置；

35、若原导通相线路可控支路上的开关组件未闭锁，目标导通相线路对应可控支路上的开关组件未导通或第一机械开关或第二机械开关未切换至目标相工作位置，则控制换相开关退回至上一状态；

36、若负载电流小于预设阈值，控制第三机械开关闭合；

37、若负载电流不小于预设阈值，第三机械开关未闭合，则控制换相开关退回至上一状态；

38、检测目标相对应可控支路电压；若目标相线路电压小于预设阈值；驱动目标相线路对应可控支路上的开关组件闭锁；

39、若目标相线路对应可控支路上的开关组件未闭锁，则控制换相开关退回至上一状态。

40、与现有技术相比本发明有以下特点和有益效果：

41、本发明基于全控型器件(sic-mosfet/igbt)构建换相开关，实现随时无缝隙快速换相，解决了现有半控型器件(晶闸管)仅能过零关断的弊端；同时，利用三个单刀双掷的机械开关防止开关误动作，避免机械开关之间相间短路的情况，并且由拓扑可知在换相过程中只有机械开关3需承受较大的冲击电压和电流，从而增加了机械开关的使用寿命，减少拉弧和涌流出现。综合以上优点，设计新型开关拓扑并在智能换相及故障保护方法的动作下，能实现超快速换相，并且在合适的测量观测点安装pt/ct，对该设备出现的故障设计保护算法，保障设备安全可靠运行。