CN106410951A - 一种双电源自动转换装置的转换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电源自动转换装置的转换控制方法，属于低压电气技术领域。该方法在切换过程中的两个阶段分别采用不同的辅助供电单元控制策略，具体为：控制单元控制双电源切换开关进行常用、备用电源切换；从双电源切换开关中要断开的两个触头a、b机械分离后，对辅助供电单元进行第一阶段控制，将触头a、b之间电压U_ab的方向控制为第一方向；在第一阶段控制目标达成后，以U_ab的方向反转为控制目标，对辅助供电单元进行第二阶段控制；通过采用上述技术方案，可对机械式电源转换开关的分离触头进行快速灭弧，从而进一步减小现有双电源自动转换装置在进行常用/备用电源转换过程中的负载处于不正常低电压的时间，更好地满足敏感负载的安全供电需求。

Description

一种双电源自动转换装置的转换控制方法

技术领域

本发明涉及一种双电源自动转换装置的转换控制方法，尤其涉及一种可满足高敏感负载的供电需求且高可靠性的双电源自动转换装置的转换控制方法，属于低压电气技术领域。

背景技术

在现代工业、医疗、商业以及日常生活等领域均存在一些需要持续供电的用电设备，为了满足这些用电设备的持续供电要求，通常采取双路供电的供电方案，即利用双电源自动转换装置实现主、备两路电源的自动切换。双电源自动转换装置通常包括检测单元、控制单元和双电源切换开关，检测单元用于对常用电源和备用电源的输入电压进行实时检测，控制单元根据检测单元的检测结果控制双电源切换开关从而实现常用、备用电源的自动转换。现有双电源自动转换装置在进行电源转换过程中，双电源切换开关的执行逻辑是先断后合，即先断开常用电源，然后接通备用电源，这样就会出现短暂的断电(传统的机械式开关的转换时间通常为数十毫秒)，这种短暂断电对于大多数负载而言是可以接受的，然而，也存在一些高敏感负载，对于供电持续性要求十分苛刻。例如，主要应用于体育场馆、隧道等照明的金属卤素灯就是一种典型的敏感负载。金属卤素灯的最大特点是当断电时间超过5ms后，需要再过10min左右才能重新点亮。显然，如果在重要的体育比赛中或工程施工中突然停电，会造成很大的麻烦。

为了解决上述问题，一篇中国发明专利(公开号为CN105024450A，公开日为2015/11/4)中公开了一种可满足高敏感负载的供电需求且具有高可靠性的双电源自动转换装置，该双电源自动转换装置，包括：常用电源输入端、备用电源输入端、电源输出端、双电源切换单元；所述双电源切换单元包括检测单元、控制单元、机械式的双电源切换开关，检测单元用于对常用电源输入端和备用电源输入端的输入电压进行实时检测，控制单元根据检测单元的检测结果控制双电源切换开关从而实现常用、备用电源的自动转换；所述双电源切换单元还包括一辅助供电单元，所述辅助供电单元包括逆变单元，逆变单元的输出端与所述电源输出端连接，逆变单元的控制端与控制单元连接；控制单元在常用、备用电源的转换过程中，控制辅助供电单元输出电能。该技术方案可有效减小常用/备用电源转换过程中的负载断电时间，满足了一些敏感负载的安全供电需求；并且由于采用机械式的双电源切换开关，其安全可靠性高，实现成本低。

上述技术方案的常用/备用电源转换过程中的负载断电时间能够缩短，但是仍难以满足一些对于电压跌落极度敏感负载的供电需求，有必要进行进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种双电源自动转换装置的转换控制方法，能够减小现有双电源自动转换装置在进行常用/备用电源转换的时间，并且能够更好地满足敏感负载的安全供电需求。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种双电源自动转换装置的转换控制方法，所述双电源自动转换装置包括：检测单元、控制单元、机械式的双电源切换开关以及辅助供电单元，所述的辅助供电单元的输出端与双电源切换开关的输出端连接；其特征在于，所述转换控制方法具体如下：

步骤1、检测单元对双电源切换开关所连接的常用电源和/或备用电源的输出电压进行实时检测，并将检测结果传输至控制单元；

步骤2、控制单元对接收到的电压进行运算，判断当前工作电源的电压是否小于预设的电压值，如是，则转步骤1，如否，则转步骤3；

步骤3、控制单元控制双电源切换开关进行常用、备用电源切换；从双电源切换开关中要断开的两个触头a、b机械分离后，对辅助供电单元进行第一阶段控制，将触头a、b之间的电压U_ab的方向控制为第一方向；在第一阶段控制目标达成后，以U_ab的方向反转为控制目标，对辅助供电单元进行第二阶段控制；

步骤4、控制单元控制辅助供电单元向负载输出使得负载正常工作的电压；

步骤5、当双电源切换开关完成常用、备用电源切换，控制单元控制辅助供电单元停止对负载输出，然后转至步骤1。

优选地，步骤3中控制单元对辅助供电单元的控制方法具体如下：

从触头a、b机械分离后，控制单元控制辅助供电单元的输出电压U_c跟踪第一指令值U_{c_ref_1}，U_{c_ref_1}＝U_g1+ΔU₁，在电压U_ab的方向控制为第一方向后，令辅助供电单元的输出电压U_c跟踪第二指令值U_{c_ref_2}，U_{c_ref_2}＝U_g2+ΔU₂，使得电压U_ab的方向控制为与第一方向相反；其中，ΔU₁与ΔU₂方向相反，U_g1和U_g2为控制单元在控制辅助单元时实时采样的当前工作电源的电压。

优选地，控制单元预判在预设时间Δt时满足负载正常工作的电压U_e的方向：若U_e方向为正，则设置ΔU₁方向为负，ΔU₂方向为正；

若U_e方向为负，则设置ΔU₁方向为正，ΔU₂方向为负；

控制单元通过跟踪正常电网电压，预判在预设时间Δt时的满足负载正常工作的电压U_e的方向和正常电网电压相同。

优选地，辅助供电单元包括逆变单元，控制单元使用电压电流双闭环控制方法对逆变单元进行控制。

优选地，所述辅助供电单元还包括储能部件和整流单元；整流单元用于提取电能供给储能部件；所述储能部件进行储能，在常用、备用电源的转换过程中通过所述逆变单元输出电能。

优选地，所述辅助供电单元还包括与整流单元连接的转换开关，所述转换开关的两个输入端及控制端分别与常用电源输入端、备用电源输入端、控制单元连接，所述整流单元与储能部件连接，所述转换开关的转换逻辑与双电源切换开关的切换逻辑相反。

优选地，所述辅助供电单元还包括与整流单元连接的转换开关，所述转换开关的两个输入端及控制端分别与常用电源输入端、备用电源输入端、控制单元连接，所述整流单元与储能部件连接，所述转换开关的转换逻辑与双电源切换开关的切换逻辑相反。

优选地，所述整流单元的输入端与所述双电源切换开关的输出侧或者常用电源或者备用电源连接。

优选地，所述整流单元包括第一整流电路和第二整流电路，第一整流电路、第二整流电路的输入端分别连接常用电源输入端、备用电源输入端，第一整流电路、第二整流电路的输出端相互连接后与储能部件连接。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明控制方法在保留了现有技术安全可靠性高、实现成本低的优点之外，可进一步减少机械式双电源转换开关在进行常用/备用电源切换过程中需断开触头之间实现电气分离所需的时间，进而减小常、备电源切换过程中的负载处于非正常工作电压的时间，可满足一些极度敏感负载的供电需求。

本发明不需要对现有双电源自动转换装置进行任何硬件变化，仅需对其控制软件进行少许调整，实现成本极低。

附图说明

图1为本双电源自动转换装置转换控制部分系统等效电路图

图2为三相四线制双电源自动转换装置的结构示意图；

图3为单相双电源自动转换装置的结构示意图；

图4为电压外环，电流内环的控制示意图；

图5为一个实施例中的双电源自动转换装置转换控制部分的等效电路图；

图6为本发明转换控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明所针对的双电源自动转换装置包括：检测单元、控制单元、机械式的双电源切换开关以及辅助供电单元，辅助供电单元的输出端与双电源切换开关的输出端连接；在运用此双电源转换装置时，常用电源和备用电源分别连接到双电源切换开关的两个输入端，双电源切换装置的输出端与负载连接；辅助供电单元的输出端与双电源切换装置的输出端连接即辅助供电单元的输出端与负载连接，通过辅助供电单元输出侧的交流接触器来控制辅助供电单元与负载是否电连接；

检测单元用于对常用电源和/或备用电源的输出电压(即双电源切换开关的两个输入端的输入电压)进行实时检测，控制单元根据检测单元的检测结果控制双电源切换开关从而实现常用、备用电源的自动转换；辅助供电单元包括逆变单元，逆变单元的输出端(即辅助供电单元的输出端)与双电源切换开关的输出端连接，逆变单元的控制端与控制单元连接。

上述双电源自动转换装置的思路是通过引入一辅助供电单元，在使用机械式的双电源切换开关进行常用/备用电源切换过程中，利用该辅助供电单元对负载进行临时供电，从而有效解决传统电源自动切换装置使用可靠性高、成本低的机械式切换开关进行电源切换的过程中处于非正常低电压的时间较长的问题，可满足一些对电压极度敏感负载的安全供电需求。

通常情况下，所选取的常用电源和备用电源的幅值、频率以及相位相同，这样能确保转换后负载所受冲击达到最小。

根据获取电能方式的不同，所述辅助供电单元可分为需要储能部件的储能型和不需要储能部件的直供型这两大类。上述双电源自动转换装置可以是单相双电源自动转换装置，也可以是多相双电源自动转换装置。

图1显示了本发明自动转换装置转换控制部分系统等效电路图，通过两阶段分别控制辅助单元的输出电压Uc，使得触头之间的电压进行反向从而快速灭弧。

图2显示了采用上述技术方案的一种三相四线制双电源自动转换装置的基本结构，其主要包括常用电源(S1)进线开关K1，备用电源(S2)进线开关K2，辅助供电单元取电开关K3，机械式双电源切换开关QF，检测单元，控制单元，辅助供电单元。辅助供电单元包括上电缓冲电阻、与上电缓冲电阻并联的第一接触器CK1、整流单元、母线电容C1、C2，还包括逆变单元。逆变单元包括逆变桥、输出电感Ls、变压器T1、变压器T1三相输出线上分别与变压器中线连接的的电容C以及三相线上分别设置的交流接触器CK2，其中输出电感Ls与电容C构成LC滤波电路。进线开关K1的输入端与常用电源S1相连，输出端与双电源切换开关QF的常用电源端相连；进线开关K2的输入端与备用电源S2相连，输出端与双电源切换开关QF的备用电源端相连；双电源切换开关QF的输出端与负载相连。取电开关K3的输入端与备用电源进线开关K2的输出端相连，K3的输出端依次与CK1、整流单元相连，母线电容C1、C2串联后与整流单元的输出并联连接，C1、C2的中点与取电开关K3输出端的N线相连。整流单元的输出依次与逆变桥、输出电感Ls、变压器T1以及交流接触器CK2相连，CK2的输出端与QF的输出端连接于P点。

图3显示了采用上述技术方案的一种单相双电源自动转换装置的基本结构。此外，本发明的双电源自动转换装置也可以是CN105024450A中所公开的各种具体电路结构。

现有技术对上述双电源自动转换装置的转换控制方法具体如下：

步骤1、检测单元对常用电源输入端和/或备用电源输入端的输入电压进行实时检测，并将检测结果传输至控制单元；

步骤2、控制单元对输入电压进行运算，判断当前工作电源的电压值是否小于预设的电压值(此处的电压指的是基波电压的幅值，根据单相电压来构造坐标系中的U_α、U_β分量，即令U_β分量等于实测电压相量，U_β延时90，作为当前分量U_α，坐标变换到d-q轴上，再经过通过低通滤波后得到直流分量U_d、U_q，则可得到基波电压的幅值，此为公知技术)，如是，则转步骤1，如否，则转步骤3；

步骤3、控制单元控制双电源切换开关进行常用、备用电源切换，并且控制辅助供电单元开始向负载进行输出，在常用、备用电源切换过程中由辅助供电单元对负载进行输出供电；

步骤4、当双电源切换开关完成常用、备用电源切换，控制单元控制辅助供电单元停止对负载输出，然后转至步骤1。(此处检测双电源切换开关是否完成常用、备用电源切换，可以采用检测机械开关的位移角或者是通过机械开关自身转换特性，如转换时间来判断)

其中步骤3又可分为以下几种情况：

1、控制单元发送控制信号控制双电源切换开关进行常用、备用电源切换，在控制单元发送控制信号后到双电源切换开关的触头系统进行动作前的时间段内控制单元控制辅助供电单元开始向负载进行输出。

2、控制单元发送控制信号控制双电源切换开关进行常用、备用电源切换，同时控制单元发送控制信号控制辅助供电单元开始向负载进行输出。

3、控制单元发送控制信号控制辅助供电单元开始向负载进行输出，然后控制单元发送

控制信号控制双电源切换开关进行常用、备用电源切换。

由于采用机械式的双电源切换开关，通过实验分析发现，在电源切换过程中，与要断开供电回路所对应的切换开关触头之间实现电气分离需要较长时间，而在这段时间内，辅助供电单元所输出的电能无法输送至负载，也就是说负载在这段时间是处于断电状态的，如果这段时间过长，则会导致敏感负载无法工作。假设当前要断开常用电源而切换至备用电源，常用电源所对应的双电源切换开关中的两个触头为触头a、触头b，从收到断开指令到触头a、b开始机械分离的时长为T1，在时段T1内，常用电源与负载之间处于电气导通状态，由于箝位作用，辅助供电单元所输出的电能无法输送至负载。触头a、b机械分离后，如果触头a、b同时实现了电气分离，则箝位作用消失，辅助供电单元所输出的电能可输出至负载，那么负载的断电时间即为T1。然而，这只是理想状况；实际上，由于触头a、b之间所存在的分离电弧，从触头a、b机械分离开始直到电弧熄灭这段时间内，触头a、b之间认为电气连接状态，这段时间内(假设为T2)，由于箝位作用，辅助供电单元所输出的电能仍然无法输送至负载。因此，负载的实际断电时间应为T1+T2，如这段时间较长，则部分敏感负载会无法正常工作。要提高敏感负载的供电安全性，则应尽可能减小T1+T2。其中，T1为所使用机械式双电源切换开关的固有参数，可通过选择该参数较小的切换开关来降低；而T2则与电流电压以及双电源切换开关的灭弧性能等相关。

本发明的思路是通过对双电源自动转换装置中对辅助供电单元中的逆变单元的控制策略进行改进，可大幅度减小从触头a、b实现机械分离开始直到电弧熄灭之间的时间T2，进而使得常用/备用电源转换过程中的负载处于非正常低电压的时间最小化。

具体地，本发明转换控制方法具体如下：

步骤1、检测单元对常用电源输入端和/或备用电源输入端的输入电压进行实时检测，并将检测结果传输至控制单元；

步骤2、控制单元对输入电压进行运算，判断当前工作电源的电压值是否小于预设的电压值(此处的电压值指的是基波电压的幅值，根据单相电压来构造坐标系中的U_α、U_β分量，即令U_β分量等于实测电压相量，U_β延时90，作为当前分量U_α，坐标变换到d-q轴上，再经过通过低通滤波后得到直流分量U_d、U_q，则可得到基波电压的幅值，此为公知技术)，如是，则转步骤1，如否，则转步骤3；

步骤3、控制单元控制双电源切换开关进行常用、备用电源切换；从双电源切换开关中要断开的两个触头a、b机械分离后，对辅助供电单元进行第一阶段控制，将触头a、b之间的电压U_ab的方向控制为第一方向；在第一阶段控制目标达成后，以U_ab的方向反转为控制目标，对辅助供电单元进行第二阶段控制；

步骤4、控制单元控制辅助供电单元向负载输出使得负载正常工作的电压；

步骤5、当双电源切换开关完成常用、备用电源切换，控制单元控制辅助供电单元停止对负载输出，然后转至步骤1。

在步骤3中，控制单元对辅助单元中的逆变单元的控制策略可采用现有的各种控制策略，例如电压均值反馈控制、电压单闭环瞬时值反馈控制、电压单闭环瞬时值和电压均值相结合的控制方法，以及电压电流双闭环控制方法等；为了尽可能快地实现控制目标从而快速灭弧，优选地，控制单元使用电压电流双闭环控制方法对逆变单元进行控制；

步骤5中检测双电源切换开关是否完成常用、备用电源切换，可以采用检测机械开关的位移角，当位移角达到设定值时，判断为转换完成；或者是通过机械开关自身转换特性，如到达自身的固有转换时间，则认为已经转换完毕。

上述技术方案中逆变单元的控制策略以及触头是否分离的检测技术均为本领域常用技术手段，例如，可采用位置传感器或者限位开关等方式确定触头是否机械分离，也可以利用实验预先确定特定型号开关的触头分离时间。

步骤3中辅助供电单元中的逆变单元的两阶段控制过程是本发明的核心，为了便于公众理解，下面以一个优选实施例来对其进行详细说明。

本实施例中的辅助供电单元中的功率部分为逆变单元，逆变单元的输出即为辅助供电单元的输出；

逆变单元为公知技术，包括由IGBT构成的逆变桥、输出电感Ls、电容C、变压器T1以及交流接触器CK2，其中输出电感Ls与电容C构成LC滤波电路、变压器T1可用于对逆变桥输出的电压进行升压，通过对逆变桥中的IGBT进行控制，可以得到预期的逆变单元的输出值；

本实施例中，控制单元对逆变单元采用电压外环、电流内环的双环控制方法，其控制系统的基本结构如图4所示。该控制系统的控制对象为逆变单元的输出电压U_c，控制目标是使U_c跟踪输入的电压指令值U_{c_ref}，输出为逆变桥的输出电压指令值U_{o_ref}。

从触头a、b机械分离时刻开始，其等效电路图如图5所示，U_ab＝U_g-U_c，因此我们在确定了U_g和U_c的关系后就能够确定U_ab的方向，控制单元控制逆变桥，令逆变单元的输出电压U_c跟踪第一指令值U_{c_ref_1}，第一指令值U_{c_ref_1}的值取为：

U_{c_ref_1}＝U_g1+ΔU₁ (1)

上式中，U_g1为在第一控制阶段时采样的当前工作电源的电压值，此时触头

a、b之间的电压U_ab＝U_g1-U_{c_ref_1}＝-ΔU₁；

在第一阶段控制目标达成后，即逆变单元的输出电压U_c等于第一指令值U_{c_ref_1}后令逆变单元的输出电压U_c跟踪第二指令值U_{c_ref_2}，第二指令值U_{c_ref_2}的值取为：

U_{c_re_f2}＝U_g2+ΔU₂ (2)

上式中，U_g2为在第二控制阶段时采样的当前工作电源的电压值，此时触头

a、b之间的电压U_ab＝U_g2-U_{c_ref_2}＝-ΔU₂

其中ΔU₁与ΔU₂方向相反即ΔU₁.ΔU₂<0，因此两个控制阶段的U_ab反向；

当U_ab的方向迅速反转时，触头电弧中的电流方向也迅速反向，必然快速形成过零点，使得电弧快速熄灭。

在考虑到后续负载延续供电的问题后，更加优选的实施例：

控制单元预判在预设时间Δt时满足负载正常工作的电压U_e的方向：

若U_e方向为正，则设置ΔU₁方向为负，ΔU₂方向为正；

若U_e方向为负，则设置ΔU₁方向为正，ΔU₂方向为负；

其中预设时间Δt优选小于1ms，通过控制单元跟踪正常电网电压，并且预判在Δt时候的正常电网电压的方向，来预判负载正常工作电压U_e的方向,两者方向相同；提前确定ΔU₁的方向，可以在实现U_ab反向的同时满足负载的供电的连续性。

图6显示了上述转换控制方法的完整控制流程。

由于采用上述技术方案，本发明可实现以下有益效果：

1、缩短转换过程中负载处于非正常低电压工作的时间，提高负载连续工作的可靠性；

2、减少机械式双电源开关触头的烧损，延长双电源开关的寿命；

3、硬件成本低，方法简单，可靠性高；

4、加快了机械式双电源开关触头断开速度，提高了系统的安全性。

Claims (8)

1.一种双电源自动转换装置的转换控制方法，所述双电源自动转换装置包括：检测单元、控制单元、机械式的双电源切换开关以及辅助供电单元，所述的辅助供电单元的输出端与双电源切换开关的输出端连接；其特征在于，所述转换控制方法具体如下：

步骤1、检测单元对双电源切换开关所连接的常用电源和/或备用电源的输出电压进行实时检测，并将检测结果传输至控制单元；

步骤2、控制单元对接收到的电压进行运算，判断当前工作电源的电压是否小于预设的电压值，如是，则转步骤1，如否，则转步骤3；

步骤3、控制单元控制双电源切换开关进行常用、备用电源切换；从双电源切换开关中要断开的两个触头a、b机械分离后，对辅助供电单元进行第一阶段控制，将触头a、b之间的电压U_ab的方向控制为第一方向；在第一阶段控制目标达成后，以U_ab的方向反转为控制目标，对辅助供电单元进行第二阶段控制；

步骤4、控制单元控制辅助供电单元向负载输出使得负载正常工作的电压；

步骤5、当双电源切换开关完成常用、备用电源切换，控制单元控制辅助供电单元停止对负载输出，然后转至步骤1。

2.如权利要求1所述转换控制方法，其特征在于，步骤3中控制单元对辅助供电单元的控制方法具体如下：从触头a、b机械分离后，控制单元控制辅助供电单元的输出电压U_c跟踪第一指令值U_{c_ref_1}，U_{c_ref_1}＝U_g1+ΔU₁，在电压U_ab的方向控制为第一方向后，令辅助供电单元的输出电压U_c跟踪第二指令值U_{c_ref_2}，U_{c_ref_2}＝U_g2+ΔU₂，使得电压U_ab的方向控制为与第一方向相反；其中，ΔU₁与ΔU₂方向相反，U_g1和U_g2为控制单元在控制辅助单元时实时采样的当前工作电源的电压。

3.如权利要求2所述的转换控制方法，其特征在于，控制单元预判在预设时间Δt时满足负载正常工作的电压U_e的方向：

若U_e方向为正，则设置ΔU₁方向为负，ΔU₂方向为正；

若U_e方向为负，则设置ΔU₁方向为正，ΔU₂方向为负。

4.根据权利要求1所述的转换控制方法，其特征在于，所述的辅助供电单元包括逆变单元，控制单元使用电压电流双闭环控制方法对逆变单元进行控制。

5.如权利要求4所述转换控制方法，其特征在于，所述辅助供电单元还包括储能部件和整流单元；整流单元用于提取电能供给储能部件；所述储能部件进行储能，在常用、备用电源的转换过程中通过所述逆变单元输出电能。

6.如权利要求5所述转换控制方法，其特征在于，所述辅助供电单元还包括与整流单元连接的转换开关，所述转换开关的两个输入端及控制端分别与常用电源输入端、备用电源输入端、控制单元连接，所述整流单元与储能部件连接，所述转换开关的转换逻辑与双电源切换开关的切换逻辑相反。

7.如权利要求5所述转换控制方法，其特征在于，所述整流单元的输入端与所述双电源切换开关的输出侧或者常用电源或者备用电源连接。

8.如权利要求5所述转换控制方法，其特征在于，所述整流单元包括第一整流电路和第二整流电路，第一整流电路、第二整流电路的输入端分别连接常用电源输入端、备用电源输入端，第一整流电路、第二整流电路的输出端相互连接后与储能部件连接。