CN102624081A - 一种具有故障环流抑制作用的固态开关切换控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有故障环流抑制作用的固态开关切换控制方法，当从第一电源切换到第二电源时，首先切断电源支路电子开关K1的触发信号，并读取该支路当前的电流方向。根据电流方向决定第二电源开通的晶闸管顺序。第二电源晶闸管的开通时刻的选取原则为，当切断K1触发信号时，对于x相，若M1支路电流从第一电源流向负载，则在xP2的触发安全区触发晶闸管xP2/xN2，反之则在xN2的触发安全区触发晶闸管xP2/xN2。触发安全区由晶闸管xP2/xN2两端电压决定。本方法可以通过观测晶闸管两端电压，选择适当的投切点，使得固态开关切换过程中即使发生电源相连的故障，产生故障环流，其最大值也有限，不会对系统产生永久性损坏。

Description

一种具有故障环流抑制作用的固态开关切换控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有故障环流抑制作用的固态开关切换控制方法，属于电力电子在电力系统中的应用技术领域。

背景技术

近年来，随着经济发展和高科技设备的广泛应用，用户对供电质量要求不断提高，电能质量问题日益突出。电能质量问题直接影响电力系统的供电安全及用户设备的正常运行。常见的电能质量问题包括电压跌落及供电短时中断，其影响面大和造成的经济损失巨大，是电力系统急需解决的问题。

固态开关利用大功率电力电子技术，是解决敏感、关键负荷电力供应最经济的手段之一。其核心模块为可控的电力电子开关。由于晶闸管具有功率大、性价比高、稳态损耗小的优点，因此常用于大功率的固态开关设备中。固态开关系统根据电源质量的状态自动将负载在两个电源间进行切换。切换的速度决定了负载侧的电能质量。目前一些敏感负载要求系统的电压跌落时长不能超过20毫秒，因此切换过程必须在20毫秒内完成。但是晶闸管作为半控器件本身不能控制关断，只有电流过零后才能关断。而电流过零的速度由系统特性决定。当系统负载为感性时，可能电流过零需要几秒钟之久，大大影响切换速度。因此需采用强制切换的控制方法。强制切换方法要求在一侧电源未关断时即切入另一侧电源。因为两侧电源均未和负载隔离，因而可能发生电源直连，产生极大故障电流的危险。若故障电流不可控，很可能导致系统元件永久损坏。本专利提出的切换控制方法可以有效的控制系统电源切换时因误判电流状态而引起的系统环流最大值，提高系统安全性和可靠性。

固态开关是一种改善供电质量的电力电子设备，如附图1所示：系统正常时，负载在第一电源侧工作；若第一电源发生故障，则负载切换到第二电源，当第一电源正常时，负载重新切回第一电源。固态开关设备的核心器件为电子开关K1和K2。对于大功率应用场合，由于半控型电力电子器件如晶闸管具有性价比高，稳态损耗小的优点，因此常被应用于该类设备。

晶闸管作为半控器件，其关断是不可控的，只有电流过零时晶闸管才能关断。当系统负载为感性时，由于电流过零较慢，晶闸管关断需要较长时间，固态开关切换时间也比较长，从而影响负载供电质量。为了加快切换速度，可采用强制换流控制方法。强制切换控制方法原理为，当系统从第一电源切入第二电源时，首先切断第一电源侧电子开关K1的触发信号，不等第一电源侧供电支路电流过零，即开通第二电源侧电子开关K2，接入第二电源。

三相电源支路的控制方法相同，因此这里以A相为例，如附图1所示，首先关断TA触发信号，若此时系统电流方向为图中IA1所示，则打开备用侧A相晶闸管AP。当AP电压正向偏置时，晶闸管导通，此时主侧晶闸管TA将承受反压从而很快关断。显然，这种切换方法由于无需等待电流自然过零，切换可以很快完成。但是该切换方法要求对电流过零状态以及电流的方向进行准确的判定。实际的系统由于传感器精度、调理电路滤波性能等因素影响，往往在电流零点附近有一定采样误差，导致不能准确判断电流的方向以及电流过零状态。而当系统对电流状态发生误判时，切换过程中会导致电源一和电源二直接相连，产生极大故障电流。例如，如附图1所示，若系统电流方向发生误判，实际电流方向与图中I_A1方向相反，却打开了第二电源侧的晶闸管AP2，第一电源和第二电源几乎直接相连，系统会出现很大故障电流导致器件和设备永久性损毁。

发明内容

技术问题：本发明公开了一种具有故障环流抑制作用的固态开关切换控制方法，该方法是在传统的强制切换控制方法基础上，进行创新后提出的，能够对系统潜在的故障环流最大值进行控制，确保系统不会因为电流方向和过零状态的误判而发生破坏性损毁，在电力电子设备控制领域中有广泛的应用前景。

本发明在传统固态开关切换方法的基础之上，提出了基于电压的触发安全区切换方法，能够在高速切换的基础上，对潜在的故障环流最大值进行控制，确保系统在电流方向误判条件下，不会产生破坏性的影响，对提高系统的可靠性和安全性有重大意义。

技术方案：

本发明公开了一种具有故障环流抑制作用的固态开关切换控制方法。固态开关的原理如附图1所示，初始时，第一电源无电能质量问题，电子开关K1导通，负载在第一电源侧工作；当第一电源有电能质量问题时，将负载从第一电源支路M1切换到第二电源支路M2；所述电子开关K1和K2相同且都是由晶闸管构成，对于一相电路，由正向连接的晶闸管xPn和反相连接的晶闸管xNn构成，其中，X表示A相、B相或C相；n取值为1或2，分别表示电源1侧的晶闸管或电源2侧的晶闸管。切换过程如下所述：

首先撤销第一电源侧电子开关K1触发信号，并读取该时刻第一电源侧支路M1各相的电流方向，根据该电流方向决定第二电源侧电力电子开关K2各相正反向晶闸管的触发时刻；对于任一相x相，触发时刻的选取原则如下：

首先撤销电子开关K1中晶闸管TX触发信号，记录当前电流方向为I_x1；测量第二电源侧电力电子开关xP2/xN2两端电压，当两端电压处于xP2或xN2安全触发区时，给出晶闸管xP2/xN2的触发信号；

xP2安全触发区域的设定原则为：晶闸管两端电压小于系统限流安全电压U_K且大于零，电压单调递减，逼近零值；

xN2安全触发区域的设定原则为：晶闸管两端电压大于系统限流安全电压-U_K且小于零，电压单调递增，逼近零值；

xP2安全触发区选取的原因是：当在安全区给出xP2/xN2的触发信号时，系统首先接入晶闸管xP2，此时即使发生电流误判，第一电源和第二电源直接相连，线路中的故障电流应小于或等于第一、二电源电压差即晶闸管两端电压除以线路阻抗。由于在xP2触发安全区中，电压均小于Uk，因此故障电流有限，且在xP2触发安全区之后，会进入xP2的反向电压偏置区，此时晶闸管xP2会因承受反压而关断，故障电流将消失。同时由于系统给出了xN2触发信号，在xP2的反向电压偏置区内xN2将承受正向电压而导通，可以抑制M1侧支路的电流，使得电子开关K1侧x相晶闸管断开，系统切换完成。

本发明提出的这种新的切换控制方法，可以通过观测晶闸管两端电压，选择适当的投切点，使得即使发生电源相连的故障，故障环流最大值有限，不会对系统产生永久性损坏。具体来说，有益效果如下：

1.该切换方法可以有效控制系统可能产生的故障环流最大值。提高了系统的可靠性和安全性。

2.该切换方法仅需要观测系统支路的电流和晶闸管两端电压。该电压可由负载侧和电源侧电压间接得到。这些传感器属于固态开关的基本配置。因此实现此功能系统不需要增加额外测量电路和传感器。

3.切换方法的实现只需要简单的数据计算，实现简单，可靠性高。

4.安全触发区在每周波内都存在，因此几乎不影响系统的切换速度，可以保证电源切换在单周波内完成。

5.在大功率应用场合，由于电流动态范围大。如果只加一级电流传感器常常无法精确采样低至几百毫安的晶闸管维持电流，也就意味着很难精确判断晶闸管的关断状态。采用该切换控制方法，可以使得系统在只有一级电流传感器的条件下，仍有很高的可靠性。降低了系统硬件成本。

6.该切换控制方法适用于所有晶闸管或其他半控器件需要切换的应用场合，有广泛的应用前景。

附图说明

附图1现有技术中，固态开关示意图；

附图2晶闸管开通时刻电压参考示意图；

附图3晶闸管A相切换过程示意图；

附图4是本方法的固态开关示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本技术方案进一步说明如下：

本发明提出一种新的切换控制方法，可以通过观测晶闸管两端电压，选择适当的投切点，使得即使发生电源相连的故障，故障环流最大值有限，不会对系统产生永久性损坏。

当从第一电源切换到第二电源时，首先切断电源支路电子开关K1的触发信号，并读取该支路当前的电流方向。根据电流方向决定第二电源开通的晶闸管顺序。第二电源晶闸管的开通顺序为，当切断K1触发信号时，对于A相，若M1支路电流方向如图中I_A1所示，则开通晶闸管AP2，若电流方向与I_A1相反，则开通晶闸管AN2。AP2或AN2开通的时刻由晶闸管AP2(AN2)两端电压决定。

第二电源晶闸管开通时刻的选取原则如附图2所示。对于工频系统，假设晶闸管AP2(AN2)未导通时，电子开关K2的A相两端电压如附图2所示。当需要AP2导通时，导通时刻的选取原则为，晶闸管两端电压应处于AP2正向电压偏置区间内的AP2安全触发区域中。AP2安全触发区域的设定原则为：晶闸管两端电压小于系统安全电压Uk且大于零，电压单调递减，逼近零值。AN2安全触发区域的设定原则为：晶闸管两端电压大于系统安全电压-U_K且小于零，电压单调递增，逼近零值。这样选取的原因是，当系统在安全区接入晶闸管AP2时，若由于电流误判，第一电源和第二电源直接相连，线路中的故障电流等于第一电源、第二电源的电压差即晶闸管两端电压除以线路阻抗r。由附图2可见，在AP2安全区中，电压均小于UK，因此故障电流小于U_K/r。且安全区之后，系统会马上进入晶闸管AP2的反向电压偏置区，此时AP2会因承受反压而关断，故障电流将消失。

安全电压Uk，是根据系统中元件如晶闸管、电源等能承受的电流值Imax以及第一电源、第二电源发生直连时的线路阻抗r换算得到的，精简的换算公式为：U_K＝K×I_max/r。K为冗余系数，0＜K≤1。

切换过程，若系统在安全区导通AP2后发现第一电源侧晶闸管TA1电流变大，则说明TA1的电流发生误判，其实际方向与附图1中I_A1相反，当系统接入AP2时，将产生故障环流，其最大值小于U_K/r。当系统进入AP2反向电压偏置区时，由于系统给出了晶闸管AN2触发信号，AP2将关断、AN2将导通，从而抑制电流I_A1，使得TA1关断，切换完成。A相的切换流程如附图3所示。对于三相系统，B相和C相同时做同样操作。

本例中，设计了一个380V的固态开关三相电力系统，系统线路阻抗为5ohm左右，负载大小为50ohm。根据晶闸管电流参数，线路电流耐受值等参数，设定安全电压限值Uk为50V。当电源一侧电压跌落40％时，进行切换，负载从第一电源切换到第二电源。

实验一：在切断电源一侧晶闸管K1的触发信号时，测得电流方向为正向电流，如图4中I_A1、I_B1、I_C1所示。同时测量第二电源侧各相晶闸管两端电压U_a2、U_b2、U_c2。对于第二电源A相，当其电压位于小于30V大于0，且单调递减时，同时给出电子开关K2中A相对应晶闸管TA2触发信号。对于第二电源B相，当其电压位于小于30V大于0，且单调递减时，同时给出电子开关K2中B相对应晶闸管TB2触发信号。对于第二电源C相，当其电压位于大于-30V大于0，且单调递减时，同时给出电子开关K2中C相对应晶闸管TC2触发信号。实验结果表明20ms内切换完成，第一电源侧电流快速减小，第二电源侧电流稳步增大。

实验二，假设对C相电流方向误判。电源切断时，三相电流如附图4所示，TA2，TB2打开时刻正确。TC2本应在晶闸管TC2-N的安全触发区中打开，实际在晶闸管TC2-P的安全触发区打开。实验结果表明，给出第二电源侧晶闸管触发后，第一电源侧C相电流从4A增大到9A后迅速减小直至关断。之后正常完成切换，切换时长在20ms左右。

实验三，采用普通的强制切换方法，不对故障电流进行控制，切换时刻随机。对C相电流误判后，触发第二电源侧的晶闸管，C相电流从4A增大到40A后触发电流保护开关跳闸，系统产生的故障电流比安全区切换控制时(9A)要大很多。

由此可见，采用具有环流抑制作用的切换控制方法可以有效地控制故障电流的最大值，对电力系统的可靠性和安全性意义重大。

Claims (1)

1.一种具有故障环流抑制作用的固态开关切换控制方法，在电力系统中，负载分别通过电子开关K1和电子开关K2接到第一电源和第二电源的输出端；第一电源无电能质量问题时，电子开关K1导通，负载在第一电源侧工作；当第一电源有电能质量问题时，将负载从第一电源支路M1切换到第二电源支路M2；所述电子开关K1和K2相同且都是由晶闸管构成；对于x相电路，电子开关K2由正向连接的晶闸管xP2和反相连接的晶闸管xN2构成；x表示A相、B相或C相；其特征在于：切换过程如下所述：

首先撤销电子开关K1中晶闸管Tx1触发信号，记录当前电流方向为Ix1；

当I_x1为正向，即自第一电源侧流向负载侧，则测量第二电源侧电力电子开关K2晶闸管xP2/xN2两端电压，当两端电压处于xP2安全触发区域时，给出K2晶闸管xP2/xN2的触发信号；

当I_x1为反向，即电流自负载侧流向第一电源侧，则测量第二电源侧电力电子开关K2晶闸管xP2/xN2两端电压，当两端电压处于xN2安全触发区域时，给出晶闸管xP2/xN2的触发信号；

xP2安全触发区域的设定原则为：晶闸管两端电压小于电力系统限流安全电压U_K且大于零，电压单调递减，逼近零值；

xN2安全触发区域的设定原则为：晶闸管两端电压大于电力系统限流安全电压-U_K且小于零，电压单调递增，逼近零值；

所述电力系统限流安全电压计算公式为：U_K＝K×I_max/r，其中I_max为电力系统中元件能承受的最大电流值，r为第一电源经开关K1、K2至第二电源线路的线路阻抗，K为冗余系数，0＜K≤1。

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