一種雙電源電壓差首次過(guò)零分相切換控制裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電源切換裝置和方法，特別是一種基于電力電子開關(guān)的一種雙電源電壓差首次過(guò)零分相切換控制裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]供電的連續(xù)可靠是用電設(shè)備安全運(yùn)行的基本條件，因此對(duì)供電可靠性要求較高的場(chǎng)合一般配置兩路供電電源，而兩路供電電源之間成功的快速切換是連續(xù)不間斷供電的關(guān)鍵。由于雷擊、短路、低頻振蕩、負(fù)載回路故障等外部或內(nèi)部的原因，石化、冶金和發(fā)電廠等大中型工業(yè)企業(yè)常常出現(xiàn)非正常停電、電壓大幅波動(dòng)或短時(shí)斷電(俗稱“晃電”)，由于冶金、石化企業(yè)工藝流程的特殊性，供電的中斷或異常往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，造成設(shè)備停運(yùn)，工藝流程中斷，大量廢料廢品，甚至生產(chǎn)設(shè)備的報(bào)廢。目前，工業(yè)企業(yè)通常采用備用電源自動(dòng)投切(簡(jiǎn)稱備自投)裝置通過(guò)雙電源之間的切換來(lái)解決上述問(wèn)題，但由于備自投裝置是根據(jù)低電壓檢測(cè)以及延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)電源之間的切換，因此會(huì)造成切換過(guò)程中母線斷電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致負(fù)載電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓下降已十分嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、出力相應(yīng)地嚴(yán)重下降，直接影響工藝質(zhì)量。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)雙電源供電系統(tǒng)包括分別來(lái)自兩個(gè)不同供電電源的工作電源母線和備用電源母線，每個(gè)供電母線帶一條饋線，每條饋線又各帶一條切換母線，兩條切換母線由母聯(lián)斷路器連接并分別帶有各自的等效負(fù)荷。當(dāng)其中一條供電母線因故障失電時(shí)，通過(guò)控制器控制母聯(lián)斷路器，讓另一條供電母線為失電母線所帶負(fù)荷供電。對(duì)于高壓異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱電動(dòng)機(jī))負(fù)荷的容量大且數(shù)量較多的企業(yè)供電系統(tǒng)，當(dāng)某一條供電母線失電時(shí)，由于高壓電動(dòng)機(jī)及負(fù)荷的機(jī)械慣性，電動(dòng)機(jī)將維持較長(zhǎng)時(shí)間繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，且將轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，因此母線在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)維持一定的殘壓并緩慢衰減，頻率也會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低而緩慢下降。在失電瞬間，母線電壓的衰減量還不大，但殘壓與另一供電母線電壓的矢量有相角差。如果另一供電母線投入的時(shí)機(jī)不當(dāng)，將產(chǎn)生很大的沖擊電流，直接作用于電動(dòng)機(jī)。這不但影響了電動(dòng)機(jī)的使用壽命，甚至可能導(dǎo)致切換失敗造成供電中斷，其后果是十分嚴(yán)重的。因此，電源切換必須根據(jù)系統(tǒng)的殘壓衰減特性，選擇合適的切換時(shí)機(jī)。
[0004]目前，現(xiàn)有雙電源供電系統(tǒng)的切換方式有主切換和備用切換。主切換也稱快速切換，為保證電源成功切換且不產(chǎn)生很大沖擊電流，母聯(lián)斷路器最合適的合閘時(shí)刻是母線殘壓與另一供電母線電壓的相角差不超過(guò)某一整定角度，例如30度，即要求電源系統(tǒng)切換全過(guò)程在100毫秒以內(nèi)完成。備用切換包括首次同期捕捉切換、殘壓切換和延時(shí)切換。首次同期捕捉切換是當(dāng)某一供電母線斷電時(shí)，在母線殘壓與另一供電母線電壓向量第一次相位重合時(shí)合閘，一般首次同期捕捉切換時(shí)間約為600?650毫秒。殘壓切換是當(dāng)某一供電母線斷電時(shí)，當(dāng)母線殘壓衰減到20%?40 %額定電壓后實(shí)現(xiàn)的切換，一般情況下，母線殘壓衰減到40%的時(shí)間約為I秒，母線殘壓衰減到20%的時(shí)間約為1.4秒。延時(shí)切換是當(dāng)某一供電母線斷電后，在規(guī)定的時(shí)間到達(dá)時(shí)合閘，一般切換時(shí)間在1700毫秒以上。
[0005]由此可見，現(xiàn)有技術(shù)的切換模式實(shí)際是“快速+慢速”模式。主切換是在快速切換條件滿足時(shí)，切換裝置控制母聯(lián)斷路器合閘，一般在100毫秒內(nèi)完成切換，則既能保證電動(dòng)機(jī)安全，又不使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降太多，是一種“無(wú)損”切換。但由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，主切換的成功率具有一定的隨機(jī)性，當(dāng)主切換不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)保護(hù)時(shí)間超過(guò)500毫秒其保護(hù)開關(guān)就會(huì)跳閘，如果進(jìn)入備用切換方式后，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械負(fù)荷就只能停電后重新啟動(dòng)，會(huì)給生產(chǎn)造成災(zāi)難損失，因此，現(xiàn)有技術(shù)備用切換是一種“有損”切換。發(fā)明專利(雙電源快速切換裝置和方法.專利號(hào):200910242138.1)采用在線調(diào)節(jié)母線殘壓衰減特性，使母線殘壓衰減時(shí)間縮短，實(shí)現(xiàn)“快速+快速”模式，提高了雙電源供電系統(tǒng)的切換速度。但是，制動(dòng)電阻的衰減仍需要很長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)雙電源供電系統(tǒng)的切換速度影響很大。
[0006]在雙電源快速切換過(guò)程中，切換總時(shí)間主要取決于一次設(shè)備和二次設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間。斷路器和繼電器動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)是備用電源自動(dòng)投入成功率低的主要原因。因?yàn)樵谄髽I(yè)配電網(wǎng)中以前大多數(shù)企業(yè)使用的是SN-10系列少油斷路器，其合閘時(shí)間為200 ms左右，分閘時(shí)間約50 ms，二次系統(tǒng)保護(hù)繼電器動(dòng)作時(shí)間約100 ms。這不能滿足雙電源快速切換的要求，必須進(jìn)行斷路器和繼電器等設(shè)備升級(jí)改造。目前有些企業(yè)采用真空快速斷路器，例如，1kV系統(tǒng)有施耐德真空斷路器EV12s和ABB真空斷路器VD4，其合閘時(shí)間縮短約為45 ms,分閘時(shí)間可減小到約30 ms，繼電器動(dòng)作時(shí)間約10 ms ο這樣，真空快速斷路器配合快切裝置能夠?qū)崿F(xiàn)最快在10ms左右將備用電源投入。
[0007]但是，一些研宄結(jié)果表明(梁志珊，夏鵬程，付英杰著，供電系統(tǒng)故障診斷、故障隔離和供電快速恢復(fù)，科學(xué)出版社，2013.12)，對(duì)于來(lái)自不同電源的雙電源供電系統(tǒng)，當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，由于存在初始相角差，傳統(tǒng)的快速切換判據(jù)不能滿足快速切換條件的概率相當(dāng)大。即使來(lái)自同一電源的初始相角差為零的雙電源供電系統(tǒng)，在某些特殊負(fù)荷情況下，傳統(tǒng)的快速切換判據(jù)不能滿足條件，雙電源快速切換成功率不能保證100%。
[0008]因此，實(shí)際供電系統(tǒng)迫切需要切換速度更快的雙電源快速切換控制裝置和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種雙電源快速切換控制裝置和方法，實(shí)現(xiàn)雙電源供電系統(tǒng)電壓差首次過(guò)零分相切換。該方案既省略了以前復(fù)雜的快速切換判據(jù)和首次同期判據(jù)的計(jì)算，又使動(dòng)作判據(jù)條件是否滿足不受負(fù)載特性的影響，保證百分百實(shí)現(xiàn)電壓差首次過(guò)零分相切換，提高了雙電源供電系統(tǒng)的切換速度。
[0010]本發(fā)明的電壓差首次過(guò)零分相快速切換基本原理是:三相ABC雙電源的相位差曲線如圖7所示，從^時(shí)刻開始檢測(cè)，C相相位差首先達(dá)到過(guò)零點(diǎn)，然后，B相相位差達(dá)到過(guò)零點(diǎn)，A相相位差最后達(dá)到過(guò)零點(diǎn)。對(duì)于50Hz電網(wǎng)，檢測(cè)到電壓差首次過(guò)零的時(shí)間小于半個(gè)周波10ms。本發(fā)明是根據(jù)單相電壓差過(guò)零實(shí)現(xiàn)雙電源快速切換，由于高壓電力電子開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)接通和斷開的時(shí)間在納秒數(shù)量級(jí)，當(dāng)檢測(cè)開始后，遇到電壓差過(guò)零時(shí)刻就可以通過(guò)控制器發(fā)出合閘指令，電力電子開關(guān)器件幾乎在同一時(shí)刻就能實(shí)現(xiàn)接通，所以，C相首先合閘，B相稍后合閘，A相最后合閘。由此可見，無(wú)論何時(shí)開始檢測(cè)，檢測(cè)到相電壓差過(guò)零合閘所需時(shí)間最大值小于10 ms。所以，對(duì)于50Hz電網(wǎng)，三相高壓電力電子開關(guān)組完成切換最長(zhǎng)時(shí)間不超過(guò)半個(gè)周波1ms0
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雙電源電壓差首次過(guò)零分相切換控制裝置，包括控制母聯(lián)斷路器連接第一母線和第二母線的控制器，所述控制器還與用于雙電源電壓差首次過(guò)零分相切換的高壓電力電子開關(guān)組連接。高壓電力電子開關(guān)組由正向電力電子開關(guān)組和反向電力電子開關(guān)組串聯(lián)構(gòu)成。
[0012]所述控制器包括第一電流互感器接線、第一電壓互感器接線、第一斷路器控制接線、第一母線電壓互感器接線、第二電流互感器接線、第二電壓互感器接線、第二斷路器控制接線、第二母線電壓互感器接線和母聯(lián)斷路器控制接線，所述第一電流互感器接線與第一電流互感器連接，所述第一電流互感器接線與第一電流互感器連接，所述第一斷路器控制接線與第一母線斷路器連接，所述第一電流互感器和第一母線斷路器依次串接在工作電源母線上，所述第一電壓互感器接線與第一電壓互感器連接，所述第一母線電壓互感器接線與第一母線電壓互感器連接；所述第二電流互感器接線與第二電流互感器連接，所述第二斷路器控制接線與第二母線斷路器連接，所述第二電流互感器和第二母線斷路器依次串接在備用電源母線上，所述第二電流互感器接線與第二電壓互感器連接，所述第二母線電壓互感器接線與第二母線電壓互感器連接；所述母聯(lián)斷路器控制接線與母聯(lián)斷路器連接。
[0013]所述控制器包括與所述高壓電力電子開關(guān)組中的第一母線快速開關(guān)接線和第二母線快速開關(guān)接線。
[0014]在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，所述高壓電力電子開關(guān)組包括第一母線快速開關(guān)和第二母線快速開關(guān)，所述第一母線快速開關(guān)的一端與第一母線連接，另一端與第二母線快速開關(guān)連接，控制端與控制器的第一母線快速開關(guān)接線連接；所述第二母線快速開關(guān)的一端與第二母線連接，另一端與第一母線快速開關(guān)連接，控制端與控制器的第二母線快速開關(guān)接線連接。進(jìn)一步地，所述第一母線快速開關(guān)為正向電力電子開關(guān)組，第二母線快速開關(guān)為反向電力電子開關(guān)組。
[0015]所述正向電力電子開關(guān)組為正向耐高壓電力電子開關(guān)組，且其由N個(gè)電力電子開關(guān)管(如IGBT等)按順序串聯(lián)組成；所述反向電力電子開關(guān)組為負(fù)向耐高壓電力電子開關(guān)組，且其由N個(gè)電力電子開關(guān)管(如IGBT等)按順序串聯(lián)組成。
[0016]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種雙電源電壓差首次過(guò)零分相切換控制方法，包括:
步驟11、當(dāng)為第一負(fù)荷供電的工作電源母線失電時(shí)，控制器發(fā)出控制指令斷開第一母線斷路器；
步驟12、控制器判斷雙母線分相電壓差首次過(guò)零條件是否滿足，是則執(zhí)行步驟13，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟12 ；
步驟13、控制器