CN102651571B - 快速备用电源切换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速备用电源切换方法及装置，通过在主电源和备用电源之间进行切换来降低因断电对与母线连接的负载造成的影响。该方法包括：1)计算母线和备用电源之间的电压矢量差的幅值以及母线与备用电源之间的相角差；2)仅当幅值低于其极限值且相角差小于90°时，将母线负荷切换到所述备用电源。该装置包括：检测模块；计算模块；比较模块；以及切换模块。通过计算实时残压，用户不必熟知残压特性而只须设定备用电源断路器闭合时电压差的极限就可方便地实现快速切换。

Description

快速备用电源切换方法及装置

技术领域

本发明涉及一种快速备用电源切换方法，特别是涉及一种实时快速切换方法。本发明还涉及一种快速备用电源切换装置，特别是涉及一种实时快速切换装置。

背景技术

快速备用电源切换(FBT)能够在主电源发生故障时将连接负载(例如电动机)的母线迅速地切换到备用电源，其作用不仅在于维持设备的连续运行，还在于避免了对电动机或所连接的其它负载的损害。快速备用电源切换在通常情况下被手动地启动，或者在发生故障的情况下由外部装置启动，其常规切换模式包括三种，即快速切换、同相切换，以及残压切换。各个切换模式针对特定的情形，且切换模式具有各自的判据。由于理论上快速切换可以将母线上的电力中断保持在最短的时间内并能保证电动机或其它负载不会受到过度的或累积的应力，所以通常优选快速切换。如果快速切换的判据没有得到满足，则快速切换模式将无法向备用电源的断路器发出闭合命令，随后同相切换模式将被启动，即同相切换模式作为快速切换模式的备用方案。同理，残压切换模式又作为同相切换模式的备用方案。

三种不同切换模式的判据如下：

1)快速切换判据：且Δf＜Δf_FTparameter。

这里为衰减的母线电压和备用电源电压之间的相角差，Δf为衰减的母线电压和备用电源电压之间的频率差，为的极限参数，Δf_FTparameter为Δf的极限参数，其中和Δf为实时的测量值，而和Δf_FTparameter则为主电源的断路器断开时的瞬时值并由用户来确定。

2)同相切换判据：

这里为衰减的母线电压和备用电源电压之间所预测的相角差，为预测值。如果错过了快速切换，则快速备用电源切换装置将自动地转换到同相切换。同相切换适用于在备用电源的断路器闭合的瞬间相角差为零的情形。

3)残压切换判据：当母线电压降至一预定值，例如额定值的30％，则闭合备用电源的断路器。

这种切换是所有切换模式中最慢的。

上述各种切换模式中的判据均受到电动机或其它负载特性的制约。由跨越断路器的电压差导致的电动机上的端电压不应超过所允许的过压值。通常为额定电压U_n的1.1倍。图1显示了衰减的残压特性，其中示意性地展示了快速切换区30，同相切换区20以及备用电源电压U_A。假设电压差为1.0U_n，曲线A’-A”的右侧是重新供电的安全区域。当电压差低于1.0U_n时，新的电压等级将形成一个新的安全区域，即B’-B”的右侧。

由于确定参数的前提是全面地分析残压特性，故用户难以正确地使用快速切换模式。当电动机断开与电源的电连接时，电动机磁场中储存的能量会产生称为残压的感应电压。该感应电压的幅度和频率将会衰减，其中衰减的趋势和衰减的速率取决于多种因素，例如电动机的类型、电动机的负载、电动机的惯性等。因此，用户难以恰当地确定参数和Δf_FTparameter的值。同时，理论上讲，当任何一个因素变化后，残压特性也将改变，因此和Δf_FTparameter也需要相应地予以重新确定，而这是十分困难的。为此，用户通常将和Δf_FTparameter确定为较小的值，以免快速备用电源切换超出其使用范围，结果导致快速备用电源切换不能充分发挥作用，进而丧失了重新为与母线连接的电动机供电和维持运行连续性的最佳时机，而等待同相切换做出反应需要数百毫秒的时间。这一延迟将延长切换时间，并增加冲击电流和冲击力矩。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种快速备用电源切换方法，通过在主电源和备用电源之间进行切换来降低因断电对与母线连接的负载造成的影响。该方法包括：1)计算母线和备用电源之间的电压矢量差的幅值ΔU_forecast以及母线与备用电源之间的相角差2)仅当ΔU_forecast低于其极限值ΔU_{RTFTparameter}且小于90°时，将母线负荷切换到所述备用电源。

依据本发明的一个方面，ΔU_forecast和均为所述备用电源的断路器闭合瞬间的预测值。

依据本发明的另一方面，ΔU_forecast是通过以下式子计算得到的：

其中U_Mforecast是电动机残压的预测值，U_A是备用电源电压。

依据本发明的再一方面，U_Mforecast是通过以下式子计算得到的：

其中是t₂时刻的实时幅值；Δt是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间；τ为时间常数。

依据本发明的又一方面，是通过以下式子计算得到的：

其中是t₂时刻的相差，是t₂时刻的角速度差，α是残压切换模式所界定的角速度的衰减速率，Δt是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间。

依据本发明的又一方面，λ是通过以下式子计算得到的：其中是t₁时刻的实时幅值。

依据本发明的又一方面，和α是分别通过以下式子计算得到的： 其中是t₁时刻的角速度差，是t₁时刻的相差。

本发明的目的还在于，提供一种快速备用电源切换装置，通过在主电源和备用电源之间进行切换来降低因断电对与母线连接的负载造成的影响。该装置包括：检测模块，用于检测主电源、备用电源以及母线上的信号；计算模块，用于接收所述信号，并且计算母线和备用电源之间的电压矢量差的幅值ΔU_forecast以及母线与备用电源之间的相角差比较模块，用于接收ΔU_forecast和并且将与其极限值ΔU_{RTFTparameter}进行比较、将与90°进行比较；以及切换模块，用于接收比较模块的比较结果，并且仅当ΔU_forecast低于其极限值ΔU_{RTFTparameter}且小于90°时，将母线负荷切换到所述备用电源。

依据本发明的一个方面，所述计算模块通过以下式子计算得到ΔU_forecast：

其中U_Mforecast是电动机残压的预测值，U_A是备用电源电压。

依据本发明的另一方面，所述计算模块通过以下式子计算得到U_Mforecast：其中是t₂时刻的实时幅值；Δt是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间；τ为时间常数。

依据本发明的再一方面，所述计算模块通过以下式子计算得到 其中是t₂时刻的相差，是t₂时刻的角速度差，Δt是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间，α是残压切换模式所界定的角速度的衰减速率。

依据本发明的又一方面，所述计算模块通过以下式子计算得到λ：

其中是t₁时刻的实时幅值。

依据本发明的又一方面，所述计算模块通过以下式子计算得到和α：

其中是t₁时刻的角速度差，是t₁时刻的相差。

本发明的优点在于：通过计算实时残压，用户不必熟知残压特性而只须设定备用电源断路器闭合时电压差的极限就可方便地实现快速切换，且无须因残压特性的改变而调整先前的设定，从而极大地方便了用户的操作，克服了现有技术中存在的缺陷。

附图说明

结合以下附图，本发明的特征和优点将变得更加清楚，其中相同的符号表示相同的部件或装置：

图1示意性地展示了现有技术中衰减的残压特性；

图2示意性地展示了应用本发明方法和装置的系统；

图3示意性的展示了母线与备用电源之间的电压矢量差的幅值ΔU_forecast以及母线与备用电源之间的相角差与电动机残压的预测值U_Mforecast和备用电源电压U_A的矢量关系；

图4示意性地展示了本发明中衰减的残压特性。

具体实施方式

图2示意性地展示了应用本发明方法和/或装置的系统，其中母线BB在正常工作时彼此电连接且可连接到例如电动机的其它负载。主电源MP和备用电源BP可分别通过快速备用电源切换装置FBT连接到母线BB。

本发明的快速备用电源切换方法通过在主电源MP和备用电源BP之间进行切换来降低因断电对与母线BB连接的负载(例如电动机)造成的影响，并包括两个步骤：

1)计算母线BB和备用电源BP之间的电压矢量差的幅值ΔU_forecast以及母线BB与备用电源BP之间的相角差

2)仅当ΔU_forecast低于其极限值ΔU_{RTFTparameter}且小于90°时，将母线负荷切换到备用电源BP。

其中，ΔU_forecast和为备用电源BP的断路器闭合时的预测值，而ΔU_{RTFTparameter}和90°为备用电源BP的断路器闭合时的允许值。

图3示意性地展示了电压矢量差的幅值ΔU_forecast、相角差与电动机残压的预测值U_Mforecast和备用电源电压U_A的矢量关系。电压差取决于母线残压和备用电源电压之间的角差。ΔU_forecast是通过以下式子计算得到的公式(1)：其中U_Mforecast是备用电源BP的断路器闭合时的电动机残压的预测值，U_A是备用电源电压。

由残压特性公式可知某一时刻的残压的实时幅值为其中U₀为残压的初始幅值，τ为衰减残压的时间常数，ω₀为残压的初始角速度，为残压的初始相，α为角速度的衰减速率。鉴于U₀和e均为常量，故只需知道时间常数τ的值，即可算出任一时刻t的幅值U_t。这可以利用下述算法完成，例如t₁时的幅值为而t₂时的幅值为得到经泰勒公式展开为设于是得到可以得出通过λ就可算出时间常数τ的值。设断路器闭合所用时间为Δt，于是所预测的电动机的残压为经过泰勒公式展开得到公式(2) $U_{\mathrm{Mforecast}}=U_{t_2}(1+\mathrm{\λ}*\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}*{(\mathrm{\λ}*\mathrm{\Δt})}^2).$

在已经界定的残压模式中，频率成线性衰减，故可利用以下公式(3)来预测连接时的相差，是通过以下式子计算得到的：其中 是t₂时刻的角速度差，是t₁时刻的角速度差，是t₂时刻的相差，是t₁时刻的相差，α是残压切换模式所界定的角速度的衰减速率，Δt是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间。通过将上述公式(2)和公式(3)代入公式(1)即可得出电压矢量差的幅值ΔU_forecast。

依据本发明的另一实施方式，一种快速备用电源切换装置包括：检测模块，用于检测主电源、备用电源以及母线上的信号；计算模块，用于接收所述信号，并且计算母线和备用电源之间的电压矢量差的幅值ΔU_forecast以及母线与备用电源之间的相角差比较模块，用于接收ΔU_forecast和并且将与其极限值ΔU_{RTFTparameter}进行比较、将与90°进行比较；以及切换模块，用于接收比较模块的比较结果，并且仅当ΔU_forecast低于其极限值ΔU_{RTFTparameter}且小于90°时，将母线负荷切换到所述备用电源。

检测模块检测到的信号是本发明中不用通过计算就能得到的各种物理量，这些物理量可以作为利用本发明中各种公式进行进一步计算的基础，并被发送到计算模块。

所述计算模块通过以下式子计算得到ΔU_forecast：

其中U_Mforecast是电动机残压的预测值，U_A是备用电源电压。

所述计算模块通过以下式子计算得到U_Mforecast：其中是t₂时刻的实时幅值；Δt是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间；τ为时间常数。

所述计算模块通过以下式子计算得到 其中是t₂时的相差，是t₂时刻的角速度差，Δt是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间，α是残压切换模式所界定的角速度的衰减速率。

所述计算模块通过以下式子计算得到λ：其中是t₁时刻的实时幅值。

所述计算模块通过以下式子计算得到和α：以及其中是t₁时刻的角速度差，是t₁时刻的相差。

图4示意性地展示了本发明衰减的残压特性。与图1的现有技术相比，本发明具有由实时快速切换区11和实时快速切换区12两部分组成的实时快速切换区以及同相切换区2。本发明的实时快速切换区既大于图1中的快速切换区30，也大于图4中的快速切换区3。本发明的方法和装置可以更充分地利用重新通电的安全区域，从而实现更好的技术效果。

尽管以上展示了本发明的实施方式，但是所述实施方式不旨在展示本发明的所有可能的形式。此外，本说明书中的内容是描述性的，而非限制性的。本领域技术人员可对本说明书的内容作出各种变化和修改，而不偏离本发明的主旨和权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种快速备用电源切换方法，通过在主电源和备用电源之间进行切换来降低因断电对与母线连接的负载造成的影响，其特征在于，该方法包括：

1）计算母线和备用电源之间的电压矢量差的幅值△U_forecast以及母线与备用电源之间的相角差

2）仅当△U_forecast低于其极限值△U_{RTFTparameter}且小于90°时，将母线负荷切换到所述备用电源；

其中，△U_forecast是通过以下式子计算得到的：

其中U_Mforecast是残压的预测值，U_A是备用电源电压，

U_Mforecast是通过以下式子计算得到的： $U_{\mathrm{Mforecast}}=U_{t_2}(1+\mathrm{\λ}*\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}*{(\mathrm{\λ}*\mathrm{\Δt})}^2),$ 其中是t₂时刻的实时幅值；△t是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间；τ为时间常数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，△U_forecast和均为所述备用电源的断路器闭合时的预测值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，是通过以下式子计算得到的：其中是t₂时刻的相差，是t₂时刻的角速度差，α是残压切换模式所界定的角速度的衰减速率，△t是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，λ是通过以下式子计算得到的：其中是t₁时刻的实时幅值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，和α是分别通过以下式子计算得到的： $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_{t_2}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_{t_1}}{t_2-t_1},$ 其中是t₁时刻的角速度差，是t₁时刻的相差。

6.一种快速备用电源切换装置，通过在主电源和备用电源之间进行切换来降低因断电对与母线连接的负载造成的影响，其特征在于，该装置包括：

检测模块，用于检测主电源、备用电源以及母线上的信号；

计算模块，用于接收所述信号，并且计算母线和备用电源之间的电压矢量差的幅值△U_forecast以及母线与备用电源之间的相角差

其中，所述计算模块通过以下式子计算得到△U_forecast：

其中U_Mforecast是残压的预测值，U_A是备用电源电压；

所述计算模块还通过以下式子计算得到U_Mforecast： $U_{\mathrm{Mforecast}}=U_{t_2}(1+\mathrm{\λ}*\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}*{(\mathrm{\λ}*\mathrm{\Δt})}^2),$ 其中是t₂时刻的实时幅值；△t是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间；τ为时间常数；

比较模块，用于接收△U_forecast和并将△U_forecast与其极限值△U_{RTFTparameter}进行比较、将与90°进行比较；以及

切换模块，用于接收比较模块的比较结果，并且仅当△U_forecast低于其极限值△U_{RTFTparameter}且小于90°时，将母线负荷切换到所述备用电源。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块通过以下式子计算得到 其中是t₂时刻的相差，是t₂时刻的角速度差，△t是t₂时刻与t₁时刻之间的时间差，即断路器闭合所用的时间，α是残压切换模式所界定的角速度的衰减速率。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算模块通过以下式子计算得到λ： $\mathrm{\λ}=\frac{1-\sqrt{\frac{2*U_{t_1}}{U_{t_2}}-1}}{t_2-t_1},$ 其中是t₁时刻的实时幅值。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算模块通过以下式子计算得到和α： $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_{t_2}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_{t_1}}{t_2-t_1},$ 其中是t₁时刻的角速度差，是t₁时刻的相差。