CN111628565B - 一种节能型应急电源切换系统及方法 - Google Patents

一种节能型应急电源切换系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种节能型应急电源切换系统及方法，包括切换单元控制器，以及分别与切换单元控制器连接的A相切换单元、B相切换单元和C相切换单元；每一相切换单元包括：与市电相应相的输出端连接的第一切换开关组件，以及与应急电源逆变器相应相的输出端连接的第二切换开关组件；所述第一切换开关组件包括：并联连接的市电可控硅和市电接触器；所述第二切换开关组件包括：并联连接的逆变可控硅和逆变接触器。本发明在应急电源切换中采取长时间工作的继电器/接触器与短时间工作的可控硅组合的方式，通过时序的控制既能满足负载对切换时间≤3ms的要求，同时降低了装置的成本，提高了可靠性，减少了损耗，节省了电能。

Description

一种节能型应急电源切换系统及方法
技术领域
本发明涉及应急电源可靠切换技术领域，尤其涉及一种节能型应急电源切换系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
应急电源作为一种为重要负荷例如消防灯具和设备、化工设备、冶炼设备、电梯等提供后备电源的装置，近些年来的使用范围不断扩大。与早期的普通灯具和消防设备相比，新的应用场合诞生了新的需求。诸如一些化工设备、金卤灯等负载，对切换时间要求极其严格。根据我们的一些研究，需要达到≤3ms的切换时间，才能保证后接设备正常工作或者避免出现重大事故。这就需要在应急电源中设置特殊的切换装置。
目前应急电源中一般采取两种切换方式：
(1)采用继电器/接触器切换逆变器冷备模式，切换时间可以满足国家标准规定的0.25s；该种方式可靠性高，成本低；但是无法满足应急电源切换时间≤3ms的要求。
(2)采用专用的STS(静态转换开关)方式，能够实现≤3ms的切换时间；该种方式切换时间快，但是代价是成本高、可靠性低，相对继电器/接触器的方式，损耗大(可控硅压降一般为1.5V，以300A为例，仅可控硅的损耗就高达1.5*300*3＝1350W，而继电器/接触器的损耗只有50*3＝150W)。
由于应急电源平时工作于市电，只有在市电异常时才转为电池逆变输出，而且后接负载较重要，对供电可靠性要求极高。因此如何在满足切换时间的前提下，能够提高整个电源的可靠性并减小损耗，成为行业内亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种节能型应急电源切换系统及方法，将长时间工作的继电器/接触器与短时间工作的可控硅组合，通过时序的控制既能满足负载对切换时间≤3ms的要求，同时降低了装置的成本，提高了可靠性，减少了损耗，节省了电能。
本发明实施方式的第一个方面，公开了一种节能型应急电源切换系统，包括切换单元控制器，以及分别与切换单元控制器连接的A相切换单元、B相切换单元和C相切换单元；
每一相切换单元包括：与市电相应相的输出端连接的第一切换开关组件，以及与应急电源逆变器相应相的输出端连接的第二切换开关组件；
所述第一切换开关组件包括：并联连接的市电可控硅和市电接触器；所述第二切换开关组件包括：并联连接的逆变可控硅和逆变接触器。
本发明实施方式的第二个方面，公开了一种节能型应急电源切换方法，包括：
检测到市电出现异常时，市电接触器线圈失电，同时逆变可控硅触发开通，输出逆变信号，应急电源供电；
等待市电接触器线圈完全释放，此时市电接触器触点断开，同时逆变接触器线圈得电；
等待逆变接触器线圈完全吸合，此时逆变可控硅失去触发关断；
等待逆变可控硅完全关断，此时逆变接触器触点接通。
进一步地，还包括：
市电恢复后，进行逆变器的锁频锁相与锁幅控制；
逆变可控硅触发开通，同时逆变接触器线圈关断；
等待逆变接触器线圈完全关断，此时逆变器接触器触点断开，同时逆变可控硅失去触发关断，市电可控硅触发开通；
等待逆变可控硅完全关断，此时应急电源不输出，同时市电接触器线圈得电，市电输出；
等待市电接触器线圈完全吸合，市电可控硅失去触发关断；
等待市电可控硅完全关断，此时市电接触器触点闭合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在应急电源切换中采取长时间工作的继电器/接触器与短时间工作的可控硅组合的方式，通过时序的控制既能满足负载对切换时间≤3ms的要求，同时降低了装置的成本，提高了可靠性，减少了损耗，节省了电能。而且各相使用独立触点，可以在切换过程中更灵活的进行切换控制，进一步减少切换的扰动。
本发明在切换逻辑的设计中，充分考虑了各种工况，从提高系统可靠性角度提出了切换逻辑，可以实现安全快速的切换；同时加入了硬件互锁电路，确保了系统切换时的安全可靠。
本发明在锁相过程中，采用独特的锁相方法，即积分法，可以避免常规以容易受干扰的过零点作为判断基准导致的锁相错误，可以提高抗干扰的能力，提高锁相精度。
本发明在锁幅过程中，对逆变器电压加入调节因子，使三相压差最小。同时对切换条件进行判断，校验三相电压中最大差值是否在允许的范围内，避免了不加入调节因子，单纯的以某一相为基准进行调幅，导致的市电逆变压差较大，切换扰动较大。引入因子后，三相的压差可以维持在一个较小的水平，切换扰动小。
本发明在市电异常的判断中，采用电压和du/dt瞬时值与加权基准值比较作为判断的依据，与时间因子t结合，可以在各种复杂工况条件下，快速准确的判断出市电异常。
本发明加入了自学习功能，开机上电后程序首先进行学习，并在此基础上设定更科学的判断条件，避免误判，提高判断的准确性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
图1示出了本发明实施例所提供的一种节能型应急电源切换系统结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种节能型应急电源切换方法的切换时序图；
图3示出了本发明实施例所提供的一种锁幅控制流程图；
图4示出了本发明实施例所提供的一种市电异常检测流程图；
图5示出了本发明实施例所提供的一种自适应算法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
根据本发明实施例，提供了一种节能型应急电源切换系统的实施例，参照图1，包括切换单元控制器，以及分别与切换单元控制器连接的A相切换单元、B相切换单元和C相切换单元；
每一相切换单元包括：与市电相应相的输出端连接的第一切换开关组件，以及与应急电源逆变器相应相的输出端连接的第二切换开关组件；
第一切换开关组件包括：并联连接的市电可控硅和市电接触器；第二切换开关组件包括：并联连接的逆变可控硅和逆变接触器。
应急电源逆变器处于热备状态，并通过电抗器与第二切换开关组件连接。
另外，每一个接触器的触点，对应一个反馈触点，反馈触点与切换单元控制器连接，用于向切换单元控制器反馈其对应的接触器触点的开关状态。
图1中，市电或逆变正常工作时，接触器吸合，可控硅断开，使损耗降到最低。
当需要在市电与逆变之间进行快速切换时，通过可控硅与继电器/接触器的逻辑控制与逆变器的锁相锁幅配合，实现快速切换，在切换完毕后转换为接触器供电。
需要说明的是，本领域技术人员容易想到，将接触器替换为继电器，同样能够实现本实施例的技术效果。
作为一种可选的实施方式，为了提高可靠性，避免误动作带来的恶性后果，市电接触器与逆变接触器之间互锁，市电可控硅与逆变可控硅之间互锁，保证市电逆变互锁的两个器件之间不会同时导通，保证市电逆变两个可控硅之间不会长时间同时导通。
通过以上对各个开关的逻辑控制，只要保证良好的锁相锁幅以及快速的市电异常检测，就可以实现市电异常时的快速切换。而供电正常时则控制对应的接触器吸合供电，大大提高了整个设备的可靠性，减少了损耗。同时，作为快速切换的可控硅由于工作时间短，在器件选取、散热设计等方面均不需要按照长时间连续工作考虑，因此可以大大降低由于快速切换带来的成本增加。整个装置在性能和成本之间达到了较好的平衡。
实施例二
根据本发明实施例，提供了一种节能型应急电源切换方法的实施例，具体的切换逻辑参照图2，包括以下过程：
t1时刻之前，市电正常，市电接触器吸合，输出市电。同时逆变器热备，并与市电保持锁相锁幅状态；
t1时刻市电出现异常，在t2时刻(约2ms)，系统检测出市电异常。此时，关闭市电接触器线圈控制信号，打开逆变可控硅触发信号，逆变可控硅接通。t1-t2时间段内电源无输出，负载供电中断2ms；t2时刻之后，应急电源逆变输出供电。
t3时刻市电接触器线圈完全释放，市电接触器触点断开，打开逆变接触器线圈控制信号。
t4时刻逆变接触器触点闭合，关闭逆变可控硅触发信号。
t5时刻逆变可控硅完全关断。
t6时刻之前，保持逆变运行。
假如在t6时刻市电恢复，逆变器进入锁相锁幅状态。
t7时刻，打开逆变可控硅触发信号，逆变可控硅接通，关闭逆变接触器线圈控制信号。
t8时刻，逆变接触器触点完全断开。
t9时刻关闭逆变可控硅触发信号。
t10时刻打开市电可控硅触发信号，市电可控硅接通。
t11时刻，逆变可控硅完全断开，打开市电接触器线圈控制信号。
t12时刻，市电接触器触点完全闭合，断开市电可控硅触发信号。
t13时刻，市电可控硅完全关断。
作为一种可选的实施方式，在对逆变器进行锁频锁相控制时，常规的锁频锁相，一般先控制频率，然后再锁相。检测频率和相位一般采取检测过零点的方法，容易受干扰。本实施例采用一种特殊的积分法实现锁频锁相，同时具有抗干扰能力强的特点。
利用积分法实现锁频锁相的具体公式如下：
Figure GDA0003318856280000081
其中，w1代表市电角频率，w2代表逆变角频率。
当w1>w2时，值为正，表示逆变频率过低。
当w1<w2时，该值为负，表示逆变频率过高。
计算结果输入PI调节器，进行一步锁频锁相调节。由于采用积分法，可以有效的屏蔽各种干扰，避免了市电过零点采样方法中由于过零点异常或者干扰导致的过零点误判带来的锁相失败，将一个点的问题转换为一个周期的问题，大大提高了锁相的准确度。
作为一种可选的实施方式，在对逆变器进行锁幅控制时，具体控制流程参照图3，包括：
程序初始化时建立一个正弦波表的数组SinTab[N]，N为逆变驱动频率的五十分之一。
计算三相市电电压有效值的和U1＝U1a+U1b+U1c,
计算三相逆变电压有效值的和U2＝U2a+U2b+U2c,
计算两者的差值，差值是有符号变量,ΔU＝U1-U2；
判断ΔU是否大于等于零，如果是，计算PWM控制量U，U＝Uk+Um+Up；否则，计算PWM控制量U，U＝Uk+Um-Up；
计算PWM占空比D＝U*SinTab[N]；
判断占空比是否大于设定值，如果是，占空比等于设定值；否则，占空比更新为计算出的值。
其中，Uk＝U额定+ΔU，Uk为逆变电压初始给定值(参考值)、Um为上一次锁幅计算值的加权值、Up为程序中的单步锁幅调整值。
作为一种可选的实施方式，在进行市电异常检测时，参照图4，具体包括如下过程：
对市电异常的判断，是以当前值与历史平均值的比较、当前du/dt与历史数值的比较、异常持续的时间三个条件作为判断依据，判断结果更加准确可靠。
异常检测是将一个周波分为N个点，这N个点的历史平均值是随时变化的，并且使用了加权因子m，即历史平均值＝(U1+U2+…+Un-1)/(n-1)+m*Un。
以每个周波采样点是100个为例，每个采样点的每次采样值依次记为U1,…,Un，然后求取每个采样点的平均值。
将当前时刻的值与历史平均值进行对比，若超出范围，则故障次数加1；
若在范围内，则进行斜率对比。斜率对比也是分为N个点，每个点的历史平均值是随时变化的，将当前相位时刻的值与使用了加权因子m1的历史平均值进行对比，历史平均值＝(du/dt1+du/dt2+…+du/dtn-1)/(n-1)+m1*du/dtn。
若超出范围，则故障次数加1。
以上两种情况均不超范围的话，则记录一次正常次数。
当故障次数大于限定值时(也即故障时间维持的时间t)，则做出故障判断。
本发明电源在第一次开机后即会进入自学习过程，自学习的时间用户可以根据实际工况进行设定(从1s到7天)，对于市电历史平均值和du/dt进行自适应学习，参照图5，包括如下过程：
进入自学习模式后，系统会进入长时间采样，并对N个点的电压、du/dt瞬时值和平均值进行采样、计算和存储。
最终形成某些时段的历史平均标准参考值。
在此后的比较中，针对每个时段，采取历史平均标准参考值与当前平均值加权平均的方法，计算当前时刻的历史平均值基准值，进行当前时刻市电值与当前时刻的历史平均值基准值进行比较，进而提高市电异常检测的准确性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种节能型应急电源切换系统，其特征在于，包括切换单元控制器，以及分别与切换单元控制器连接的A相切换单元、B相切换单元和C相切换单元；
每一相切换单元包括：与市电相应相的输出端连接的第一切换开关组件，以及与应急电源逆变器相应相的输出端连接的第二切换开关组件；
所述第一切换开关组件包括：并联连接的市电可控硅和市电接触器；所述第二切换开关组件包括：并联连接的逆变可控硅和逆变接触器；
当检测到市电出现异常时，市电接触器线圈失电，同时逆变可控硅触发开通，输出逆变信号，应急电源供电；
其中，对于市电出现异常的检测，包括如下过程：
将当前时刻的市电值与历史平均值进行对比：若两者差值的绝对值超出设定范围，则故障次数加1；否则，将当前时刻的市电变化值与历史平均变化值进行对比：若两者差值的绝对值超出设定范围，则故障次数加1；否则，记录一次正常；
若连续正常次数大于设定值，则判断市电正常，且故障次数清零；若设定时间段内故障次数大于设定值，则判断市电异常；
所述历史平均值为：(U1+U2+…+Un-1)/(n-1)+m*Un，其中，U1,…,Un分别表示历史采样点的电压值，n为历史采样点的个数，m为加权因子。
2.如权利要求1所述的一种节能型应急电源切换系统，其特征在于，所述每一个接触器的触点，对应一个反馈触点，所述反馈触点与切换单元控制器连接，用于反馈其对应的接触器触点的开关状态。
3.如权利要求1所述的一种节能型应急电源切换系统，其特征在于，所述市电接触器线圈与逆变接触器线圈之间互锁，所述市电可控硅与逆变可控硅之间互锁，实现互锁的器件不会同时导通。
4.一种节能型应急电源切换方法，其特征在于，包括：
检测到市电出现异常时，市电接触器线圈失电，同时逆变可控硅触发开通，输出逆变信号，应急电源供电；
等待市电接触器线圈完全释放，此时市电接触器触点断开，同时逆变接触器线圈得电；
等待逆变接触器线圈完全吸合，此时逆变可控硅失去触发关断；
等待逆变可控硅完全关断，此时逆变接触器触点接通；
其中，对于市电出现异常的检测，包括如下过程：
将当前时刻的市电值与历史平均值进行对比：若两者差值的绝对值超出设定范围，则故障次数加1；否则，将当前时刻的市电变化值与历史平均变化值进行对比：若两者差值的绝对值超出设定范围，则故障次数加1；否则，记录一次正常；
若连续正常次数大于设定值，则判断市电正常，且故障次数清零；若设定时间段内故障次数大于设定值，则判断市电异常；
所述历史平均值为：(U1+U2+…+Un-1)/(n-1)+m*Un，其中，U1,…,Un分别表示历史采样点的电压值，n为历史采样点的个数，m为加权因子。
5.如权利要求4所述的一种节能型应急电源切换方法，其特征在于，还包括：
市电恢复后，进行逆变器的锁频锁相与锁幅控制；
逆变可控硅触发开通，同时逆变接触器线圈关断；
等待逆变接触器线圈完全关断，此时逆变器接触器触点断开，同时逆变可控硅失去触发关断，市电可控硅触发开通；
等待逆变可控硅完全关断，此时应急电源不输出，同时市电接触器线圈得电，市电输出；
等待市电接触器线圈完全吸合，市电可控硅失去触发关断；
等待市电可控硅完全关断，此时市电接触器触点闭合。
6.如权利要求4所述的一种节能型应急电源切换方法，其特征在于，还包括系统自学习的过程，具体为：
进行设定时间段的数据采样，记录N个点的电压值、du/dt瞬时值以及平均值，形成历史平均标准参考值；
在进行电压异常检测时，将历史平均标准参考值与当前计算的历史平均值进行加权平均，作为历史平均变化基准值。
7.如权利要求5所述的一种节能型应急电源切换方法，其特征在于，采用积分法实现逆变器的锁频锁相控制，具体为：
Figure FDA0003318856270000031
其中，w1代表市电角频率，w2代表逆变角频率；当w1>w2时，表示逆变频率过低，当w1<w2时，表示逆变频率过高；
上述计算结果送入PI调节器，进行锁频锁相调节。
8.如权利要求5所述的一种节能型应急电源切换方法，其特征在于，进行逆变器的锁幅控制，具体过程包括：
分别计算三相市电电压有效值的和U1与三相逆变电压有效值的和U2；
计算U1与U2的差值ΔU；
根据所述差值ΔU确定PWM的控制量U，进而计算占空比；
将所述占空比与设定值比较，确定最终的占空比的值。
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