CN114204664B - 电压源型变换器双电源自动转换电路及其转换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直流自动转换开关技术领域，公开了一种电压源型变换器双电源自动转换电路，其特征在于：包括第一充电开关、第一转换开关、第一旁路开关、第一防反开关、第二充电开关、第二转换开关、第二旁路开关、第二防反开关、平波电抗器及控制上述装置运行的双电源自动转换控制器。本发明还公开了一种电压源型变换器双电源自动转换电路的转换控制方法。本发明电压源型变换器双电源自动转换电路及其转换控制方法，解决现有的二极管比较方案无法根据电源优先级选择性供电的问题。

Description

电压源型变换器双电源自动转换电路及其转换控制方法
技术领域
本发明涉及直流自动转换开关技术领域，具体涉及一种电压源型变换器双电源自动转换电路及其转换控制方法。
背景技术
电压源型变换器(Voltage Source Converter,VSC)是一种应用广泛的电力电子变换器，包括逆变器、直流变换器等，其输入为直流电压源且含有直流母线支撑电容。为保证供电连续性，高可靠性要求的变换器普遍采用双电源供电。
目前，公知的VSC双电源供电常在的输入端使用二极管构成比较电路，在第一直流电源失电且直流母线支撑电容低于第二直流电源之后，第二直流电源所在回路的二极管开通，负荷自动转换至第二直流电源，转换过程中供电不中断。该方案因为具有实现简单，无需主动控制，可实现无缝切换等优势，所以使用较为广泛。然而，上述公知的方案无法实现选择性供电，即VSC由电势较高的电源供电，无法按照电源的优先级选通。在一些双直流源系统中，需要根据电源容量合理配置各电源负荷，而不是简单的让电压高的电源承担全部负荷。
目前，公知的自动转换开关装置(Automatic Transfer Switching Equipment,ATSE)多为交流配电开关装置，由开关本体和控制器两部分组成，用于监测电源，在供电电源发生故障后将负载自动转换至另一个电源。用于直流系统的ATSE较少见诸报道，而且考虑到VSC的控制器可扩展ATSE控制功能，所以将ATSE与VSC结合不仅可以解决双直流电源选择性供电问题，还可提高系统集成度，具有较高的应用价值。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种电压源型变换器双电源自动转换电路及其转换控制方法，解决现有的二极管比较方案无法根据电源优先级选择性供电的问题。
为实现上述目的，本发明所设计的电压源型变换器双电源自动转换电路，包括第一充电开关、第一转换开关、第一旁路开关、第一防反开关、第二充电开关、第二转换开关、第二旁路开关、第二防反开关、平波电抗器及控制上述装置运行的双电源自动转换控制器；
第一充电开关的一端连接第一直流电源的第一直流电源第一极，另一端与平波电抗器连接，平波电抗器的另一端与电压源型变换器的电压源型变换器第一极连接，第一转换开关和第一旁路开关均与第一充电开关并联连接，第一防反开关的一端连接第一直流电源的第一直流电源第二极，另一端连接电压源型变换器的电压源型变换器第二极；
第二充电开关的一端连接第二直流电源的第二直流电源第一极，另一端与平波电抗器连接，第二转换开关和第二旁路开关均与第二充电开关并联连接，第二防反开关的一端连接第二直流电源的第二直流电源第二极，另一端连接电压源型变换器的电压源型变换器第二极；
双电源自动转换控制器包括开关状态、模拟量采样、处理器和开关互锁机构，处理器根据模拟量采样自动判断是否需要电源转换，在电源转换过程中利用各开关辅助触点提供的开关状态信息生成符合时序要求的分、合闸指令并经过开关互锁逻辑最终作用到各开关的控制线圈。
优选地，第一充电开关和第一转换开关均包括充电接触器和充电电阻，充电接触器与充电电阻串联连接，与平波电抗器一起构成阻感电路，用于完成所述电压源型变换器直流母线支撑电容的预充电。
优选地，第一转换开关和第二转换开关均包括晶闸管和转换电阻，晶闸管和转换电阻串联连接，与平波电抗器一起构成阻感电路，用于完成所述电压源型变换器直流支撑电容的供电电源转换，使用晶闸管固态开关保证了电源转换期间供电连续性，转换电阻与平波电抗器可抑制因第一直流电源与第二直流电源电压差带来的转换浪涌电流。
优选地，第一旁路开关和第二旁路开关均包括直流接触器，与充电开关和转换开关短时工作不同，旁路开关需要长时承载电压源型变换器的直流输入电流，而且具备分断该直流电流的能力。
优选地，第一防反开关和第二防反开关可以为二极管、单向晶闸管或双向晶闸管中的一种，二极管作为公知的防反元件，其优点在于实现简单，不需要驱动电路，但存在第一直流电源第二极与第二直流电源第二极通过二极管始终并联，无法分断的问题，这可能因一路电源对地绝缘低引起另一路也出现问题，导致双电源系统可靠性降低，而使用晶闸管作为防反元件，需要增加触发电路，但配合电流流向与旁路开关的分断可以阻断电流，降低两电源间电路耦合程度，使用双向晶闸管作为防反元件，通过适当的触发控制，可以兼具防止电源接入时防反接与运行时电压源型变换器直流能量双向流动的功能。
优选地，所述第一直流电源、第二直流电源和电压源型变换器的第一极极性相同，其电压极性可为正极或负极；第一直流电源、第二直流电源和电压源型变换器的第二极极性相同，其电压极性可为负极或正极。
优选地，所述双电源自动转换控制器包含双电源自动转换控制程序，可根据电源电压采样值，自动判断是否需要电源转换并按照合理的时序生成分闸、合闸指令或晶闸管的触发信号。
优选地，所述第一旁路开关和第二旁路开关为机械开关，所述第一转换开关和第二转换开关为固态开关，二者并联连接交替工作：稳态时由机械开关工作导通，其导通电阻小，运行效率高，发生转换时，固态开关动作，其开通速度远快于机械的合闸时间，可快速导通负载电流，具有良好的电源转换性能。
一种电压源型变换器双电源自动转换电路的转换控制方法，双电源自动转换电路充电时，处理器根据第一直流电源和第二直流电源电压的模拟量采样自动选择合适的电源充电，当第一直流电源的优先级高于第二直流电源时，若第一直流电源电压正常则电压源型变换器从第一直流电源充电启动，否则若第二直流电源电压正常则从第二直流电源充电启动，若第一直流电源和第二直流电源均不正常，则等待直至有一路电源恢复正常，充电启动时，处理器发出充电开关合闸、防反开关触发的使能信号，等待电压源型变换器的直流支撑电容充电完成，然后发出旁路开关合闸使能信号，待检测到旁路开关合闸的开关状态后转入对应直流电源供电状态；
当电压源型变换器处于第一直流电源供电状态时，若第一直流电源欠压而第二直流电源不欠压，则处理器根据模拟量采样自动将供电电源转换至第二直流电源，其电源转换流程为：首先发出第二转换开关触发、第二防反开关触发信号，将第二直流电源投入供电且，接着使能第一旁路开关分闸并撤销第一防反开关触发，当检测到第一旁路开关分闸的开关状态后，发出第二旁路开关合闸使能信号，当检测到第二旁路开关合闸的开关状态后，撤销第二转换开关触发，双电源自动转换电路进入第二直流电源供电状态。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、解决现有的二极管比较方案无法根据电源优先级选择性供电的问题；
2、可在电压源型变换器的主用、备用电源之间可逆切换；
3、可满足双电源输入的电压源型变换器自动转换供电电源的需求，较易实现，采用固态开关与机械开关并联的混合式开关结构，兼具机械开关导通电阻小、固态开关动作速度快的优势。
附图说明
图1为本发明电压源型变换器双电源自动转换电路的电路结构示意图；
图2为本发明中充电开关的电路结构示意图；
图3为本发明中转换开关的电路结构示意图；
图4为本发明中旁路开关的电路结构示意图；
图5为本发明中防反开关的第一实施例电路结构示意图；
图6为本发明中防反开关的第二实施例电路结构示意图；
图7为本发明中防反开关的第三实施例电路结构示意图；
图8为本发明电压源型变换器双电源自动转换电路的充电控制算法流程图；
图9为本发明电压源型变换器双电源自动转换电路的转换控制算法流程图。
图中各部件标号如下：
第一直流电源10、第一直流电源第一极11、第一直流电源第二极12、第二直流电源20、第二直流电源第一极21、第二直流电源第二极22、电压源型变换器30、电压源型变换器第一极31、电压源型变换器第二极32、双电源自动转换电路40、第一充电开关41、第一转换开关42、第一旁路开关43、第一防反开关44、第二充电开关45、第二转换开关46、第二旁路开关47、第二防反开关48、平波电抗器49、双电源自动转换控制器50、开关状态51、模拟量采样52、处理器43、开关互锁54。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一种电压源型变换器双电源自动转换电路，包括第一充电开关41、第一转换开关42、第一旁路开关43、第一防反开关44、第二充电开关45、第二转换开关46、第二旁路开关47、第二防反开关48、平波电抗器49及控制上述装置运行的双电源自动转换控制器50。
其中，第一充电开关41的一端连接第一直流电源10的第一直流电源第一极11，另一端与平波电抗器49连接，平波电抗器49的另一端与电压源型变换器30的电压源型变换器第一极31连接，第一转换开关42和第一旁路开关43均与第一充电开关41并联连接，第一防反开关44的一端连接第一直流电源10的第一直流电源第二极12，另一端连接电压源型变换器30的电压源型变换器第二极32。
第二充电开关45的一端连接第二直流电源20的第二直流电源第一极21，另一端与平波电抗器49连接，第二转换开关46和第二旁路开关47均与第二充电开关45并联连接，第二防反开关48的一端连接第二直流电源20的第二直流电源第二极22，另一端连接电压源型变换器30的电压源型变换器第二极32。
双电源自动转换控制器50包括开关状态51、模拟量采样52、处理器53和开关互锁机构54，处理器53根据模拟量采样52自动判断是否需要电源转换，在电源转换过程中利用各开关辅助触点提供的开关状态51信息生成符合时序要求的分、合闸指令并经过开关互锁54逻辑最终作用到各开关的控制线圈。
另外，本实施例中，如图2所示，第一充电开关41和第一转换开关42均包括充电接触器KC和充电电阻RC，充电接触器KC与充电电阻RC串联连接，与平波电抗器49一起构成阻感电路。
本实施例中，如图3所示，第一转换开关42和第二转换开关46均包括晶闸管SCR和转换电阻RS，晶闸管SCR和转换电阻RS串联连接，与平波电抗器49一起构成阻感电路。
本实施例中，如图4所示，第一旁路开关43和第二旁路开关47均包括直流接触器KM。
同时，第一防反开关44和第二防反开关48可以为如图5所示的二极管D，如图6所示的单向晶闸管SCRn，或如图7所示的双向晶闸管SCRaSCRb。
另外，第一直流电源10、第二直流电源20和电压源型变换器30的第一极极性相同，其电压极性可为正极或负极；第一直流电源10、第二直流电源20和电压源型变换器30的第二极极性相同，其电压极性可为负极或正极。双电源自动转换控制器50包含双电源自动转换控制程序，可根据电源电压采样值，自动判断是否需要电源转换并按照合理的时序生成分闸、合闸指令或晶闸管的触发信号。第一旁路开关43和第二旁路开关47为机械开关，第一转换开关42和第二转换开关46为固态开关。
本实施例电压源型变换器双电源自动转换电路使用时，如图8所示，双电源自动转换电路40充电时，处理器53根据第一直流电源10和第二直流电源20电压的模拟量采样52自动选择合适的电源充电，当第一直流电源10的优先级高于第二直流电源20时，若第一直流电源10电压正常则电压源型变换器30从第一直流电源10充电启动，否则若第二直流电源20电压正常则从第二直流电源20充电启动，若第一直流电源10和第二直流电源20均不正常，则等待直至有一路电源恢复正常，充电启动时，处理器53发出充电开关合闸、防反开关触发的使能信号，等待电压源型变换器30的直流支撑电容充电完成，然后发出旁路开关合闸使能信号，待检测到旁路开关合闸的开关状态51后转入对应直流电源供电状态。
如图9所示，当电压源型变换器30处于第一直流电源10供电状态时，若第一直流电源10欠压而第二直流电源20不欠压，则处理器53根据模拟量采样52自动将供电电源转换至第二直流电源20，其电源转换流程为：首先发出第二转换开关46触发、第二防反开关48触发信号，将第二直流电源20投入供电且，接着使能第一旁路开关43分闸并撤销第一防反开关44触发，当检测到第一旁路开关43分闸的开关状态51后，发出第二旁路开关47合闸使能信号，当检测到第二旁路开关47合闸的开关状态51后，撤销第二转换开关46触发，双电源自动转换电路40进入第二直流电源20供电状态。
本发明电压源型变换器双电源自动转换电路及其转换控制方法，解决现有的二极管比较方案无法根据电源优先级选择性供电的问题；可在电压源型变换器30的主用、备用电源之间可逆切换；可满足双电源输入的电压源型变换器自动转换供电电源的需求，较易实现，采用固态开关与机械开关并联的混合式开关结构，兼具机械开关导通电阻小、固态开关动作速度快的优势。

Claims (9)

1.一种电压源型变换器双电源自动转换电路，其特征在于：
包括第一充电开关(41)、第一转换开关(42)、第一旁路开关(43)、第一防反开关(44)、第二充电开关(45)、第二转换开关(46)、第二旁路开关(47)、第二防反开关(48)、平波电抗器(49)及控制上述装置运行的双电源自动转换控制器(50)；
所述第一充电开关(41)的一端连接第一直流电源(10)的第一直流电源第一极(11)，另一端与所述平波电抗器(49)连接，所述平波电抗器(49)的另一端与电压源型变换器(30)的电压源型变换器第一极(31)连接，所述第一转换开关(42)和第一旁路开关(43)均与所述第一充电开关(41)并联连接，所述第一防反开关(44)的一端连接所述第一直流电源(10)的第一直流电源第二极(12)，另一端连接所述电压源型变换器(30)的电压源型变换器第二极(32)；
所述第二充电开关(45)的一端连接第二直流电源(20)的第二直流电源第一极(21)，另一端与所述平波电抗器(49)连接，所述第二转换开关(46)和第二旁路开关(47)均与所述第二充电开关(45)并联连接，所述第二防反开关(48)的一端连接所述第二直流电源(20)的第二直流电源第二极(22)，另一端连接所述电压源型变换器(30)的电压源型变换器第二极(32)；
所述双电源自动转换控制器(50)包括开关状态(51)、模拟量采样(52)、处理器(53)和开关互锁机构(54)，所述处理器(53)根据模拟量采样(52)自动判断是否需要电源转换，在电源转换过程中利用各开关辅助触点提供的开关状态(51)信息生成符合时序要求的分、合闸指令并经过开关互锁(54)逻辑最终作用到各开关的控制线圈。
2.根据权利要求1所述电压源型变换器双电源自动转换电路，其特征在于：所述第一充电开关(41)和第一转换开关(42)均包括充电接触器(KC)和充电电阻(RC)，所述充电接触器(KC)与充电电阻(RC)串联连接，与所述平波电抗器(49)一起构成阻感电路。
3.根据权利要求1所述电压源型变换器双电源自动转换电路，其特征在于：所述第一转换开关(42)和第二转换开关(46)均包括晶闸管(SCR)和转换电阻(RS)，所述晶闸管(SCR)和转换电阻(RS)串联连接，与所述平波电抗器(49)一起构成阻感电路。
4.根据权利要求1所述电压源型变换器双电源自动转换电路，其特征在于：所述第一旁路开关(43)和第二旁路开关(47)均包括直流接触器(KM)。
5.根据权利要求1所述电压源型变换器双电源自动转换电路，其特征在于：所述第一防反开关(44)和第二防反开关(48)可以为二极管(D)、单向晶闸管(SCRn)或双向晶闸管(SCRaSCRb)中的一种。
6.根据权利要求1所述电压源型变换器双电源自动转换电路，其特征在于：所述第一直流电源(10)、第二直流电源(20)和电压源型变换器(30)的第一极极性相同，其电压极性可为正极或负极；第一直流电源(10)、第二直流电源(20)和电压源型变换器(30)的第二极极性相同，其电压极性可为负极或正极。
7.根据权利要求1所述电压源型变换器双电源自动转换电路，其特征在于：所述双电源自动转换控制器(50)包含双电源自动转换控制程序，可根据电源电压采样值，自动判断是否需要电源转换并按照合理的时序生成分闸、合闸指令或晶闸管的触发信号。
8.根据权利要求1所述电压源型变换器双电源自动转换电路，其特征在于：所述第一旁路开关(43)和第二旁路开关(47)为机械开关，所述第一转换开关(42)和第二转换开关(46)为固态开关。
9.一种如权利要求1～8任一种所述电压源型变换器双电源自动转换电路的转换控制方法，其特征在于：双电源自动转换电路(40)充电时，所述处理器(53)根据所述第一直流电源(10)和第二直流电源(20)电压的模拟量采样(52)自动选择合适的电源充电，当所述第一直流电源(10)的优先级高于所述第二直流电源(20)时，若所述第一直流电源(10)电压正常则电压源型变换器(30)从所述第一直流电源(10)充电启动，否则若第二直流电源(20)电压正常则从所述第二直流电源(20)充电启动，若所述第一直流电源(10)和第二直流电源(20)均不正常，则等待直至有一路电源恢复正常，充电启动时，所述处理器(53)发出充电开关合闸、防反开关触发的使能信号，等待电压源型变换器(30)的直流支撑电容充电完成，然后发出旁路开关合闸使能信号，待检测到旁路开关合闸的开关状态(51)后转入对应直流电源供电状态；
当所述电压源型变换器(30)处于所述第一直流电源(10)供电状态时，若所述第一直流电源(10)欠压而所述第二直流电源(20)不欠压，则所述处理器(53)根据模拟量采样(52)自动将供电电源转换至所述第二直流电源(20)，其电源转换流程为：首先发出第二转换开关(46)触发、第二防反开关(48)触发信号，将所述第二直流电源(20)投入供电且，接着使能第一旁路开关(43)分闸并撤销第一防反开关(44)触发，当检测到第一旁路开关(43)分闸的开关状态(51)后，发出第二旁路开关(47)合闸使能信号，当检测到第二旁路开关(47)合闸的开关状态(51)后，撤销第二转换开关(46)触发，双电源自动转换电路(40)进入第二直流电源(20)供电状态。
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变电站监控系统中逆变电源的实际应用与维护;仲浩;李健;;电工电气(第06期);全文 *

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