CN102611126B - 基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法 - Google Patents

基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法。第一、第二和第三设备并联在A相上，第四和第五设备并联在B相上，第六设备和单相逆变电源并联在C相上，单相逆变电源通过第一开关挂接在C相上，滤波器分别与单相逆变电源和隔离变压器相连，第三设备与A相之间串联第二开关，第三设备与隔离变压器之间串联第三开关，电压采样电路与切换控制器相连，系统内部信号通过第四开关与切换控制器相连，系统控制器与A、B、C三相相连，用于判断要切换的相，切换控制器收到系统控制器发出的命令后切换。由于是在输出电压和原来接续相的电压达到同幅同相后切换的，因此切换过程中不会有冲击电流或冲击电流很小，实现了“无跳动柔性切换”。

Description

基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法
技术领域
本发明涉及一种基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法。
背景技术
随着我国经济的发展，用电设备的类型越来越多。在三相供电系统中，除了大量的对称负荷外，还新增了许多不对称负荷和单相负荷。由于单相负载的大量应用，且各负荷的用电不同时等原因，导致三相四线制配电系统出现了严重的三相不平衡的运行状态。
当三相负载不平衡运行时，中性线就会有电流通过，这样不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。在生产、生活用电中，三相负载不平衡时，变压器处于不对称运行状态。这造成变压器的损耗增大(包括空载损耗和负载损耗)。此外，三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件温度增高，甚至会导致变压器烧毁。同时配变出力也与三相负载的不平衡度有关。三相负载不平衡越大，配变出力减少越多。为此，配变在三相负载不平衡时运行，其输出的容量就无法达到额定值，其备用容量亦相应减少，过载能力也降低。假如配变在过载工况下运行，极易引发配变发热，严重时甚至会造成配变烧损。
目前，主要有下列三种措施可以解决由不对称负荷引起的电网三相电压不平衡的问题。1、将不对称负荷分散接在不同的供电点，以减少集中连接造成不平衡度严重超标；2、加大负荷接入点的短路容量，如改变网络或提高供电电压级别来提高系统承受不平衡负荷的能力；3、装设平衡装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法，是将不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化的方法。在输出电压与原接续相有相同相位相同幅值时切换不对称负荷，使得不产生冲击电流或使冲击电流最小，即减小谐波污染，实现“无跳动柔性切换”。
本发明采用的技术方案是：
将第一、第二和第三设备并联在三相四线制的A相上，第四和第五设备并联在三相四线制的B相上，第六设备和单相逆变电源并联在三相四线制的C相上，本发明假设六个设备的额定功率和实际功率都相等；单相逆变电源通过第一开关挂接在C相上，滤波器分别与单相逆变电源和隔离变压器相连，第三设备与A相之间串联第二开关，第三设备与隔离变压器之间串联第三开关，第三开关并联在第二开关与第三设备之间，电压采样电路与切换控制器相连，电压采样电路用于采样A、B、C三相的输入电压，系统内部信号通过第四开关与切换控制器相连，系统控制器与A、B、C三相相连，切换控制器用于控制单相逆变电源和四个开关；
系统控制器实时监测各相电压、电流和功率因数的大小，进行运算后，发现A相功率负荷最大，C相功率负荷最小，所以决定让第三设备由A相切换到C相，系统控制器把命令发送给切换控制器，切换控制器收到命令后；按以下步骤进行切换：
1)确定将被切换的第三设备的原接续相为A相，因此，把A相的电压采样电路接通；
2)确定第三设备将被切换到的接续相为C相，因此，闭合第一开关，把单相逆变电源与C相接通；
3)以A相的电压信号作为参考，以单相逆变电源输出的电压信号作为反馈信号，构成闭环控制，在切换控制器中产生SPWM的驱动信号，使单相逆变电源输出的电压波形经滤波器滤波后变成稳定的正弦波；
4)当第3)步输出的稳定的正弦波和A相电压同幅值同相位时，闭合第三开关后，打开第二开关；
5)切换完成后，切换控制器采用移相控制，使单相逆变电源的输出和C相同相，然后，包括单相逆变电源、滤波器、隔离变压器、切换控制器和电压采样电路的切换装置被旁路、退出。
所述的六个设备的额定功率往往不相等，但额定功率已知，系统控制器通过监测A、B、C三相的电压、电流和功率因数的大小，运用公式功率=电压*电流*功率因数计算得出每相功率大小，便知道A、B、C三相的功率相差多少，也知道A、B、C三相中功率负荷最大和功率负荷最小的相，然后通过各设备已知的额定功率，确定要切换哪几台设备，进行切换；或通过监测每台设备的电压、电流和功率因数，运用公式功率=电压*电流*功率因数计算得出每台设备的实际功率大小，确定要切换哪几台设备，进行切换，一次切换完成后，重复上述计算步骤，再进行切换，直到A、B、C三相的功率负荷平衡或基本平衡为止。
所述的单相逆变电源，采用交-直-交电路结构，即不控整流电路+中间直流环节+逆变电路。
所述的逆变电路，采用全桥电路、SPWM调制，其输出经滤波器滤波后为正弦波，由于SPWM调制方法的缺陷，逆变电路的输出正弦电压的幅值最大只有输入电压的0.85倍，因此在滤波器的后边接上隔离变压器，变比大于1.18，以使切换系统的输出电压幅值达到220V，同时此隔离变压器起到隔离的作用，避免输入输出短路的发生。
所述的电压采样电路，其输入电压采样用于单相逆变电源跟踪原接续相A相的电压，使单相逆变电源输出与原接续相A相具有同频同相的电压；电压采样电路的输出电压采样用于闭环控制，使单相逆变电源输出的电压幅值达到原接续相A相的大小。
所述的柔性切换是在单相逆变电源的输出电压和原接续相A相的电压的相位和幅值相等时发生的，因此切换过程中不会有冲击电流或冲击电流很小，实现了无跳动柔性切换。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明切换完成后，达到三相平衡的状态。由于是在输出电压和原来接续相的电压达到同幅值同相位后切换的，因此切换过程中不会有冲击电流或冲击电流很小，实现了“无跳动柔性切换”。
附图说明
图1是本发明中切换前的系统原理图。
图2是本发明中切换后的系统原理图。
A：A相；B：B相；C：C相；N：中性线，亦称零线；1：第一设备；2：第二设备；3：第三设备；4：第四设备；5：第五设备；6：第六设备；K：第一开关；K31：第二开关；K32：第三开关；K33：第四开关；U：单相逆变电源；LC：滤波器；T：隔离变压器；Control 1：切换控制器；Control 2：系统控制器；VoS：电压采样电路； Uref：系统内部信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，第一设备1、第二设备2和第三设备3并联在三相四线制的A相上，第四设备4和第五设备5并联在三相四线制的B相上，第六设备6和单相逆变电源U并联在三相四线制的C相上，第一设备1、第二设备2、第三设备3、第四设备4、第五设备5、第六设备6和单相逆变电源U的一端都连接在中性线N上，共地，即三相四线制接法。假设六个设备的额定功率和实际功率都相等；单相逆变电源U通过第一开关K挂接在C相上，滤波器LC分别与单相逆变电源U和隔离变压器T相连，第三设备3与A相之间串联第二开关K31，第三设备3与隔离变压器T之间串联第三开关K32，第三开关K32并联在第二开关K31 与第三设备3之间，电压采样电路VoS与切换控制器Control 1相连，电压采样电路VoS用于采样A、B、C三相的输入电压，系统内部信号Uref通过第四开关K33与切换控制器Control 1相连，系统控制器Control 2与A、B、C三相相连，切换控制器Control 1用于控制单相逆变电源U和四个开关。
系统控制器Control 2实时监测各各相电压、电流和功率因数的大小，进行运算后(运算规则或控制策略先不讨论)，发现A相功率负荷最大，C相功率负荷最小，所以决定让第三设备3由A相切换到C相，系统控制器Control 2把命令发送给切换控制器Control 1，切换控制器Control 1收到命令后，按以下步骤进行切换：
1)确定将被切换的第三设备3的原接续相为A相，因此，把A相的电压采样电路VoS接通；
2)确定第三设备3将被切换到的接续相为C相，因此，闭合第一开关K，把单相逆变电源U与C相接通；
3)以A相的电压信号作为参考，以单相逆变电源U输出的电压信号作为反馈信号，构成闭环控制，在切换控制器Control 1中产生SPWM的驱动信号，使单相逆变电源U输出的电压波形经滤波器LC滤波后变成稳定的正弦波；
4)当第3)步输出的稳定的正弦波和A相电压同幅值同相位时，闭合第三开关K32后，打开第二开关K31；
5)切换完成后，切换控制器Control 1采用移相控制，使单相逆变电源U的输出和C相同相，然后，包括单相逆变电源U、滤波器LC、隔离变压器T、切换控制器Control 1和电压采样电路VoS的切换装置被旁路、退出。
切换完成后，如果不将切换装置(包括单相逆变电源U、滤波器LC、隔离变压器T、切换控制器Control 1和电压采样电路VoS)旁路，则其将长期工作，必然有一部分能量消耗，这是不经济的。但是，上述的第4）步完成后，单相逆变电源U的输出是与A相同幅值同相位同频率的，而它的输入是C相，输入和输出的相位差120度，因此如果直接旁路，必然会有很大的冲击电流，是不可取的。
本发明采用移相控制策略，上述的第4）步完成后，断开电压采样电路VoS，闭合第四开关K33，使系统内部信号Uref与切换控制器Control 1接通，该系统内部信号Uref与A相具有相同幅值相同相位，将该系统内部信号Uref作为参考信号，检测输入电压的过零点(电压从负变正)，在每个过零点或每隔数个过零点让单相逆变电源U的参考信号的初始相位角变化一个小的值，这样，经过一段时间后，单相逆变电源U的输出就和C相同相了。例如，每个过零点让单相逆变电源U的参考信号的初始相位角变化2度，那么经过1.2秒的时间便使输出和输入同相。由于每次移相的角度很小，因此所引起的冲击电流或谐波很小。至于隔几个过零点移相多少度合适是需要做实验确定的。
在单相逆变电源U的输出电压相位和现接续相C相的电压相位达到同相后，切换装置(包括单相逆变电源U、滤波器LC、隔离变压器T、切换控制器Control 1和电压采样电路VoS)就可以被旁路了。此时，切换装置(包括单相逆变电源U、滤波器LC、隔离变压器T、切换控制器Control 1和电压采样电路VoS)可以选择继续挂接在接续相C相上，执行电压电流检测保护的功能，也可以选择完全退出。切换装置(包括单相逆变电源U、滤波器LC、隔离变压器T、切换控制器Control 1和电压采样电路VoS)完全退出后，可以用于其它设备的切换。例如，假设切换装置(包括单相逆变电源U、滤波器LC、隔离变压器T、切换控制器Control 1和电压采样电路VoS)的功率等级是5KW，等待切换的设备组的总功率是8KW，那么系统可以将该设备组细分为两个组，每个小组大致是4KW，该切换装置(包括单相逆变电源U、滤波器LC、隔离变压器T、切换控制器Control 1和电压采样电路VoS)可以分两次将这两个组的设备切换到希望的接续相上。因此，如果切换装置(包括单相逆变电源U、滤波器LC、隔离变压器T、切换控制器Control 1和电压采样电路VoS)有旁路功能，整个系统将会更灵活方便。
假设上述六个设备的额定功率不相等，但额定功率已知。系统控制器Control 2通过监测A、B、C三相的电压、电流和功率因数的大小，运用公式功率=电压*电流*功率因数计算得出每相功率大小，便知道A、B、C三相的功率相差多少，也知道A、B、C三相中功率负荷最大和功率负荷最小的相。然后通过各设备已知的额定功率，确定要切换哪几台设备，进行切换。或通过监测每台设备的电压、电流和功率因数，运用公式功率=电压*电流*功率因数计算得出每台设备的实际功率大小，确定要切换哪几台设备，进行切换。一次切换完成后，重复上述计算步骤，再进行切换，直到A、B、C三相的功率负荷平衡或基本平衡为止。
所述的单相逆变电源U，采用交-直-交电路结构，即不控整流电路+中间直流环节+逆变电路。
所述的逆变电路采用全桥电路、SPWM调制，其输出经滤波器LC滤波后为正弦波，由于SPWM调制方法的缺陷，逆变电路的输出正弦电压的幅值最大只有输入电压的0.85倍，因此在滤波器LC的后边接上隔离变压器T，变比大于1.18，以使切换系统的输出电压幅值达到220V，同时此隔离变压器T起到隔离的作用，避免输入输出短路的发生。
所述的电压采样电路VoS，其输入电压采样用于单相逆变电源U跟踪原接续相A相的电压，使单相逆变电源U输出与原接续相A相具有同频同相的电压；电压采样电路的输出电压采样用于闭环控制，使单相逆变电源U输出的电压幅值达到原接续相A相的大小。
所述的柔性切换是在单相逆变电源U的输出电压和原接续相A相的电压的相位和幅值相等时发生的，因此切换过程中不会有冲击电流或冲击电流很小，实现了“无跳动柔性切换”。

Claims (6)

1.一种基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法，第一、第二和第三设备并联在三相四线制的A相上，第四和第五设备并联在三相四线制的B相上，第六设备和单相逆变电源并联在三相四线制的C相上，假设六个设备的额定功率和实际功率都相等；其特征在于：单相逆变电源通过第一开关挂接在C相上，滤波器分别与单相逆变电源和隔离变压器相连，第三设备与A相之间串联第二开关，第三设备与隔离变压器之间串联第三开关，第三开关并联在第二开关与第三设备之间，电压采样电路与切换控制器相连，电压采样电路用于采样A、B、C三相的输入电压，系统内部信号通过第四开关与切换控制器相连，系统控制器与A、B、C三相相连，切换控制器用于控制单相逆变电源和四个开关；
系统控制器实时监测各相电压、电流和功率因数的大小，进行运算后，发现A相功率负荷最大，C相功率负荷最小，所以决定让第三设备由A相切换到C相，系统控制器把命令发送给切换控制器，切换控制器收到命令后；按以下步骤进行切换：
1)确定将被切换的第三设备的原接续相为A相，因此，把A相的电压采样电路接通；
2)确定第三设备将被切换到的接续相为C相，因此，闭合第一开关，把单相逆变电源与C相接通；
3)以A相的电压信号作为参考，以单相逆变电源输出的电压信号作为反馈信号，构成闭环控制，在切换控制器中产生SPWM的驱动信号，使单相逆变电源输出的电压波形经滤波器滤波后变成稳定的正弦波；
4)当第3)步输出的稳定的正弦波和A相电压同幅值同相位时，闭合第三开关后，打开第二开关；
5)切换完成后，切换控制器采用移相控制，使单相逆变电源的输出和C相同相，然后，包括单相逆变电源、滤波器、隔离变压器、切换控制器和电压采样电路的切换装置被旁路、退出。
2.根据权利要求1所述的一种基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法，其特征在于：所述的六个设备的额定功率往往不相等，但额定功率已知，系统控制器通过监测A、B、C三相的电压、电流和功率因数的大小，运用公式功率=电压*电流*功率因数计算得出每相功率大小，便知道A、B、C三相的功率相差多少，也知道A、B、C三相中功率负荷最大和功率负荷最小的相，然后通过各设备已知的额定功率，确定要切换哪几台设备，进行切换；或通过监测每台设备的电压、电流和功率因数，运用公式功率=电压*电流*功率因数计算得出每台设备的实际功率大小，确定要切换哪几台设备，进行切换，一次切换完成后，重复上述计算步骤，再进行切换，直到A、B、C三相的功率负荷平衡或基本平衡为止。
3.根据权利要求1所述的一种基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法，其特征在于：所述的单相逆变电源，采用交-直-交电路结构，即不控整流电路+中间直流环节+逆变电路。
4.根据权利要求3所述的一种基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法，其特征在于：所述的逆变电路，采用全桥电路、SPWM调制，其输出经滤波器滤波后为正弦波，由于SPWM调制方法的缺陷，逆变电路的输出正弦电压的幅值最大只有输入电压的0.85倍，因此在滤波器的后边接上隔离变压器，变比大于1.18，以使切换系统的输出电压幅值达到220V，同时此隔离变压器起到隔离的作用，避免输入输出短路的发生。
5.根据权利要求1所述的一种基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法，其特征在于：所述的电压采样电路，其输入电压采样用于单相逆变电源跟踪原接续相A相的电压，使单相逆变电源输出与原接续相A相具有同频同相的电压；电压采样电路的输出电压采样用于闭环控制，使单相逆变电源输出的电压幅值达到原接续相A相的大小。
6.根据权利要求1所述的一种基于单相逆变电源的柔性切换系统的切换方法，其特征在于：所述的柔性切换是在单相逆变电源的输出电压和原接续相A相的电压的相位和幅值相等时发生的，因此切换过程中不会有冲击电流或冲击电流很小，实现了无跳动柔性切换。
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