CN114937991A - 一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，包括固态切换开关、柴油发电机、自动切换开关、整流单元、储能单元、逆变单元、滤波单元和控制系统。本发明提供一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统及方法，该系统可在电网故障时加速基于自动切换开关的不间断供电系统经济模式下的强迫换向。与利用LC谐振实现晶闸管的强迫换向相比，该强迫换向方法降低了整个系统的控制复杂性和成本，既考虑电网故障和负载等情况，还考虑电压暂降、非单位功率因数等关键电能质量问题，同时系统只需要一路电源，降低保供电现场的要求，提升整个系统工作的适用性。

Description

一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统及方法
技术领域
本发明涉及电力设备控制技术领域，具体涉及一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统。
背景技术
不间断供电系统已广泛应用在IT企业、商业电话公司、数据中心、云计算中心等工业现场。同时，采用不间断供电系统为关键环节提供更可靠、安全的电力供应已表现出强大的需求。传统的不间断供电系统分为离线式和在线式两种。从基本应用原理上来说，不间断供电系统是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备，主要由整流器、蓄电池、逆变器和固态切换开关等几部分组成，其中：(1)整流器，是将交流转化为直流的整流装置，主要给逆变器供能和蓄电池提供充电电压；(2)蓄电池，是不间断供电系统用来作为储存电能的装置，由若干个电池串联而成，其容量大小决定了其维持放电的时间，市电正常时将电能转换成化学能储存在电池内部，市电故障时将化学能转换成电能提供给逆变器或负载；3)逆变器，是一种将直流电转化为交流电的装置，由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成；4)固态切换开关，是用两个可控硅反向并联组成的一种无触点交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制。
这样的不间断供电系统为客户提供在线模式和经济模式的复杂选择。在线模式，负载是由逆变器供电，因此它提供出色应对电网频率波动的免疫能力，然而这也导致其电力电子开关损耗的增加；经济模式是一种非常经济高效且方便的方法来提升不间断供电系统的效率，因为负载是通过固态切换开关来供电。然后，在电网故障期间固态切换开关的晶闸管换向问题必须得到充分解决才能充分利用该机制。与门关断或集成门极换向晶闸管系统相比，基于晶闸管的固态切换开关具有成本低、传导损耗低等许多优点，但是晶闸管的自然换向机制须要较长的时间才能关断。此外，它受负载和电网故障条件的影响较大，另外一个功率问题，这甚至会延长从经济模式到在线模式的切换过程。但市电扰动发生后，典型离线式不间断供电系统应在1-5ms内接管负载以抵抗任何电压中断，因此自然换向不能满足这些要求，进而降低经济模式的有效性。为解决上述问题，有学者提出一种脉冲换向固态切换开关方法，该方法是利用LC谐振实现晶闸管的强迫换向，然而，额外系统电路的设计增加系统的控制复杂性和成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统及方法，建立一种控制机制来加速基于晶闸管的固态切换开关系统的换向，该方法既考虑电网故障和负载等情况，还考虑电压暂降、非单位功率因数等关键电能质量问题，具体技术方案如下：
一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，包括固态切换开关、柴油发电机、自动切换开关、整流单元、储能单元、逆变单元、滤波单元和控制系统；
所述固态切换开关串联在交流电网和敏感负载之间，输入交流电网，输出至敏感负载；
所述柴油发电机，其输出接入自动切换开关；
所述自动切换开关连接柴油发电机，输入交流电网，输出交流至整流单元；
所述整流单元输入自动切换开关的交流电，输出直流给储能单元；
所述储能单元变量在整流单元和逆变单元之间，用于能量的存储；
所述逆变单元输入储能单元的直流电，逆变输出交流电；
所述滤波单元输入逆变单元，输出的交流电经过滤波输出，与固态切换开关输出对应相连接，为三相敏感负荷供电；
所述控制系统为不间断供电系统的控制核心，输入电网侧、负荷侧、逆变输出侧的电压和电流信号，输出固态切换开关、自动切换开关、整流单元和逆变单元的控制信号。
进一步地，所述固态切换开关控制A/B/C三相电压，每相用两个可控硅反向并联组成无触点交流开关。
进一步地，所述整流单元采用三相PWM整流器。
进一步地，所述储能单元采用超级电容和蓄电池组合。
进一步地，所述逆变单元采用三相PWM整流器。
进一步地，所述滤波单元主要滤除逆变单元工作时产生的谐波，所述滤波单元采用LC低通滤波器。
进一步地，所述控制系统把不间断供电系统的控制阶段分为并网运行阶段、故障检测阶段、强迫换向阶段和孤岛运行阶段；
所述并网运行阶段为电网侧正常运行，未发生任何故障，负载电流由电网侧提供的阶段；所述故障检测阶段为电网侧刚发生故障，负载电流由电网侧来提供的阶段；所述强迫换向阶段为电网侧刚发生故障，负载电流由电网侧和逆变单元交流侧来提供的阶段；所述孤岛运行阶段为隔离电网侧发生故障后，负载电流完全由逆变器交流侧来提供的阶段。
一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电方法，使用上述任一所述的基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，步骤包括：
检测电网侧是否发生故障：检测电网侧三相电压uga、ugb、ugc，变换得到同步参考旋转坐标分量ugd、ugq，经过数字滤波器求解得到电压测量值uFd、uFq，电压测量值uFd、uFq与电压阈值uth进行比较，检测电网侧是否发生故障；
启动换向机制：当控制系统检测到故障，强迫换向机制立即被触发，固态切换开关的驱动信号由1变为0，同时柴油发电机自启动，自动切换开关由电网侧切换至柴油发电机来供电。
进一步地，在强迫换向阶段，逆变单元的电流通过预测电流控制跟踪负载电流，而逆变单元的电压作为反馈项，当电流误差降低至电流阈值ith以下时，将转移孤岛运行阶段，当电网故障清除后，孤岛运行阶段才可切换到并网运行阶段。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明提供一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统及方法，该系统可在电网故障时加速基于自动切换开关的不间断供电系统经济模式下的强迫换向。与利用LC谐振实现晶闸管的强迫换向相比，该强迫换向方法降低了整个系统的控制复杂性和成本，既考虑电网故障和负载等情况，还考虑电压暂降、非单位功率因数等关键电能质量问题，同时系统只需要一路电源，降低保供电现场的要求，提升整个系统工作的适用性。不间断供电系统除在系统故障提供电源外，还能在正常运行时提供无功补偿提升负载的功率因数，通过与柴油发电机的配合可实现负载的不间断供电，能为敏感负载提供不间断电源，有助于提升保供供电用户、大公司和居民社区的供电质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统框图；
图2为基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统的检测、控制阶段转换框图；
图3为基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统的强迫换向阶段的各波形；
图4为基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统的强迫换向机制的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
如图1所示，一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，包括固态切换开关、柴油发电机、自动切换开关、整流单元、储能单元、逆变单元、滤波单元和控制系统。
固态切换开关串联在交流电网和敏感负载之间，输入交流电网，输出至敏感负载；柴油发电机，其输出接入自动切换开关；自动切换开关连接柴油发电机，输入交流电网，输出交流至整流单元；整流单元输入自动切换开关的交流电，输出直流给储能单元；储能单元变量在整流单元和逆变单元之间，用于能量的存储；逆变单元输入储能单元的直流电，逆变输出交流电；滤波单元输入逆变单元，输出的交流电经过滤波输出，与固态切换开关输出对应相连接，为三相敏感负荷供电；控制系统为不间断供电系统的控制核心，输入电网侧、负荷侧、逆变输出侧的电压和电流信号，输出固态切换开关、自动切换开关、整流单元和逆变单元的控制信号。
在本实施例中，固态切换开关控制A/B/C三相电压，每相用两个可控硅反向并联组成无触点交流开关。根据不间断供电系统的额定容量为250kVA，计算采用可集成底盘400A机芯，完全满足设计要求。
在本实施例中，柴油发电机主要提供不间断供电系统的后备电源。根据不间断供电系统的额定容量，设计采用柴油发电机组，其额定容量为250kVA，额定电流为360A，稳态电压调整率不超过±1％，电压波动率不超过±0.5％，电压稳定时间不超过1s，频率稳定时间不超过3s，频率波动率不超过±0.5。柴油发电机工作时，无需与不间断供电系统进行同步操作即可并入整流单元上。
在本实施例中，自动切换开关用于交流电网和柴油发电机切换之间切换，采用自动切换开关，其额定电流为400A，转换时间为800ms，配NSX塑壳、NS大塑壳或MT框架开关。考虑柴油发电机启动到稳定输出需要一定的时间，与自动切换开关的时间配合完全可满足不间断供电系统的要求。
在本实施例中，整流单元采用三相PWM整流器，方便与储能单元等其它电气设备进行连接，并实现网侧电流正弦化和功率因数可调整。检测到储能单元的电压不满足要求，就可启动整流单元，控制输出直流电压为储能单元进行充电。为降低不间断供电系统的开关损耗，本不间断供电系统的开关频率采用5kHz。
在本实施例中，储能单元采用超级电容和蓄电池组合，主要基于不间断供电系统的性价比进行考虑的。当电网侧发生故障时，超级电容和蓄电池同时启动通过逆变单元为负载提供电源，同时强迫换向，并进入孤岛运行，同步启动柴油发电机，将自动切换开关切换至柴油发电机供电，柴油发出电经过整流单元为储能单元充电，待柴油发电机稳定后退出蓄电池供能，实现蓄电池离线运行，以提高蓄电池的寿命。当不间断供电系统故障消失后，关闭逆变单元的输出，触发固态切换开关使不间断供电系统重新进入并网运行。
在本实施例中，逆变单元采用三相PWM整流器，采用与整流单元相同参数的设备。逆变单元除在电网故障时为敏感负载和固态切换开关强迫换向提供电源外，还可在不间断供电系统正常运行时为敏感负载提供无功补偿，用于提供敏感设备的功率因数。为降低不间断供电系统的开关损耗，本不间断供电系统的开关频率采用5kHz。
在本实施例中，滤波单元主要滤除逆变单元工作时产生的谐波。在大功率不间断供电系统中，通常需设计成低开关频率以满足开关损耗的要求，因此无源的滤波单元设计LC低通滤波器。其中，滤波电感L在传统电压源型逆变器按5％标准单位进行设计，以实现调制利用率和电流输出质量之间的最大平衡；滤波电容一般较大，与负载并联，并产生补偿电流，为解决这个问题，额外的电容器电流指令的计算如下：
Figure BDA0003703589620000071
式中，Δul是负载电压变化量；ΔT是各相的电压和电流的瞬时值变化量；k是一常数，主取决于滤波器的电容器，若其参数不详时可取为0.9；本不间断供电系统采用600uF滤波电容和0.162mH滤波电感。
因此，逆变器的整体指令可获得为：
i* inv＝i* c+il；
式中，il是负载电流。
在本实施中，控制系统把不间断供电系统的控制阶段分为并网运行阶段、故障检测阶段、强迫换向阶段和孤岛运行阶段。
在经济模式下，逆变器独立运行并网阶段，直到检测到电网故障。控制系统的控制器能在5ms内确认故障检测的结果，通过强迫换向机制加速整个转移过程。
并网运行阶段为电网侧正常运行，未发生任何故障，负载电流由电网侧提供的阶段，il＝ig。
故障检测阶段为电网侧刚发生故障，负载电流扔由电网侧来提供的阶段，il＝ig。
强迫换向阶段为电网侧刚发生故障，负载电流由电网侧和逆变单元交流侧来提供的阶段，il＝ig+ii。
孤岛运行阶段为隔离电网侧发生故障后，负载电流完全由逆变器交流侧来提供的阶段，il＝ii。
一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电方法，详细步骤如下：
并网运行阶段为电网侧正常运行，未发生任何故障，负载电流由电网侧提供的阶段，il＝ig。
故障检测阶段为电网侧刚发生故障，负载电流仍由电网侧来提供的阶段，il＝ig。如图2可知，通过检测电网侧三相电压uga、ugb、ugc，变换得到同步参考旋转坐标分量ugd、ugq，经过数字滤波器求解得到电压测量值uFd、uFq，接着电压测量值uFd、uFq与电压阈值uth进行比较，检测电网侧是否发生故障。
其中，变换参考旋转坐标分量的公式如下：
Figure BDA0003703589620000091
Figure BDA0003703589620000092
式中，x为g/i/l，g代表电网侧，i代表逆变输出侧，l代表负载侧，
Figure BDA0003703589620000093
代表电网频率，uxa、uxb、uxc代表x侧的三相电压，ixa、ixb、ixc代表x侧的三相电流，uxα、uxβ分别代表电压的α、β分量，ixα、ixβ分别代表电流的α、β分量，uxd、uxq分别代表电压的d、q分量，ixd、ixq分别代表电流的d、q分量。
其中，数字滤波器主要用于衰减瞬态电压和由不平衡序分量引起的120Hz电压纹波,电压测量值uFd、uFq转换为uM，与电压阈值uth进行比较。电网侧正常运行时电压阈值uth是上限值
Figure BDA0003703589620000094
和下限值
Figure BDA0003703589620000095
之间。电压阈值uth的计算公式为：
Figure BDA0003703589620000096
式中，
Figure BDA0003703589620000097
upred、upreq、upre分别为电网侧故障前的电压d、q分量及合成值。
强迫换向阶段为电网侧刚发生故障，负载电流由电网侧和逆变单元交流侧来提供的阶段，il＝ig+ii。如图3可知，阶段1和阶段2，负载电流主要有电网侧提供il＝ig，一旦检测到故障，强迫换向机制立即被触发，固态切换开关的驱动信号由1变为0，同时柴油发电机自启动，自动切换开关由电网侧切换至柴油发电机来供电。由于晶闸管的半控型特性，固态切换开关只有流过其自身的电流降低为零才能关断，逆变单元生成的电流可加速内晶闸管的关断。
如图4所示，负载电压、负载电流和逆变电流分别转化成对应的同步旋转分量，sw为从强迫换向阶段转换至孤岛运行阶段的控制信号。在sw＝0时，即强迫换向阶段，逆变单元的电流通过预测电流控制跟踪负载电流，而逆变单元的电压作为反馈项，当电流误差降低至电流阈值ith以下时，不间断供电系统将转移sw＝1，即孤岛运行阶段，具体控制过程如图2所示。
强迫换向的性能完全取决于逆变单元瞬时电流输出容量。基于基尔霍夫电压定律KVL，逆变单元瞬时电流误差可表示为：
Figure BDA0003703589620000101
式中，ui为逆变器输出电压参考值，ΔT为采样间隔，L为滤波单元的电感。
假定采样延迟和切换误差均可忽略，逆变器的输出电压ul为：
Figure BDA0003703589620000102
式中，K为补偿系数，一般取0.9。
逆变单元的动态补偿性能可表示为：
Δi＝K(il-ii)；
式中，负载电流il表示为负载电压ul的函数关系il＝f(ul)。
从式负载电流il表示为负载电压ul的函数关系可知，强迫换向性能受负载电压和电流影响较大。在三相系统中，各相的电压和电流的瞬时值并不相同，因此得到固态切换开关的关闭驱动信号存在不一致。基于此关系，强迫换向可分两种阶段进行讨论：
阶段1：固态切换开关由三相导通变成一相关断、剩余两相导通，强迫换向早期需电流补偿的优越性能，以减少通过固态切换开关的电流，这时逆变单元必须承受调整带来的沉重负担，它甚至需触发线性调制的幅度边缘。以B相关断为例，基于基尔霍夫电流定律KCL可得到：
Figure BDA0003703589620000111
此时，这阶段所需的时间表示为T1。
阶段2：固态切换开关由一相关断、剩余两相导通变成两相关断、剩余一相导通，以B相和C相关断为例，基于基尔霍夫电流定律KCL可得到：
iia＝iga+ila；
此时，这阶段所需的时间表示为T2。
那么强迫换向的总时间可表示为：tcom＝T1+T2；
孤岛运行阶段为隔离电网侧发生故障后，负载电流完全由逆变器交流侧来提供的阶段，il＝ii。敏感负荷与故障的交流电网进行隔离，因此逆变单元作为备用电源，调节负载电压运行在额定幅值和频率上。图4显示孤岛运行阶段的控制框图(sw＝1)，全部变量转换到同步参考坐标下，传统PI控制器用于调节电压整定值u* idq和反馈的负载电压信号uldq之间的误差，随后产生的电流指令输入到预测电流控制器内获得调制信号，并输出相应的门极驱动信号。孤岛运行阶段须运行到电网故障清除后才可切换到正常并网运行阶段。
本发明提供一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统及方法，该系统可在电网故障时加速基于自动切换开关的不间断供电系统经济模式下的强迫换向。与利用LC谐振实现晶闸管的强迫换向相比，该强迫换向方法降低了整个系统的控制复杂性和成本，既考虑电网故障和负载等情况，还考虑电压暂降、非单位功率因数等关键电能质量问题，同时系统只需要一路电源，降低保供电现场的要求，提升整个系统工作的适用性。不间断供电系统除在系统故障提供电源外，还能在正常运行时提供无功补偿提升负载的功率因数，通过与柴油发电机的配合可实现负载的不间断供电，能为敏感负载提供不间断电源，有助于提升保供供电用户、大公司和居民社区的供电质量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，包括固态切换开关、柴油发电机、自动切换开关、整流单元、储能单元、逆变单元、滤波单元和控制系统；
所述固态切换开关串联在交流电网和敏感负载之间，输入交流电网，输出至敏感负载；
所述柴油发电机，其输出接入自动切换开关；
所述自动切换开关连接柴油发电机，输入交流电网，输出交流至整流单元；
所述整流单元输入自动切换开关的交流电，输出直流给储能单元；
所述储能单元变量在整流单元和逆变单元之间，用于能量的存储；
所述逆变单元输入储能单元的直流电，逆变输出交流电；
所述滤波单元输入逆变单元，输出的交流电经过滤波输出，与固态切换开关输出对应相连接，为三相敏感负荷供电；
所述控制系统为不间断供电系统的控制核心，输入电网侧、负荷侧、逆变输出侧的电压和电流信号，输出固态切换开关、自动切换开关、整流单元和逆变单元的控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，所述固态切换开关控制A/B/C三相电压，每相用两个可控硅反向并联组成无触点交流开关。
3.根据权利要求1所述的基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，所述整流单元采用三相PWM整流器。
4.根据权利要求1所述的基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，所述储能单元采用超级电容和蓄电池组合。
5.根据权利要求1所述的基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，所述逆变单元采用三相PWM整流器。
6.根据权利要求1所述的基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，所述滤波单元主要滤除逆变单元工作时产生的谐波，所述滤波单元采用LC低通滤波器。
7.根据权利要求1所述的基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，所述控制系统把不间断供电系统的控制阶段分为并网运行阶段、故障检测阶段、强迫换向阶段和孤岛运行阶段；
所述并网运行阶段为电网侧正常运行，未发生任何故障，负载电流由电网侧提供的阶段；所述故障检测阶段为电网侧刚发生故障，负载电流由电网侧来提供的阶段；所述强迫换向阶段为电网侧刚发生故障，负载电流由电网侧和逆变单元交流侧来提供的阶段；所述孤岛运行阶段为隔离电网侧发生故障后，负载电流完全由逆变器交流侧来提供的阶段。
8.一种基于固态切换开关强迫换向的不间断供电方法，其特征在于，使用如权利要求1-7任一所述的基于固态切换开关强迫换向的不间断供电系统，其特征在于，步骤包括：
检测电网侧是否发生故障：检测电网侧三相电压uga、ugb、ugc，变换得到同步参考旋转坐标分量ugd、ugq，经过数字滤波器求解得到电压测量值uFd、uFq，电压测量值uFd、uFq与电压阈值uth进行比较，检测电网侧是否发生故障；
启动换向机制：当控制系统检测到故障，强迫换向机制立即被触发，固态切换开关的驱动信号由1变为0，同时柴油发电机自启动，自动切换开关由电网侧切换至柴油发电机来供电。
9.根据权利要求8所述的基于固态切换开关强迫换向的不间断供电方法，其特征在于，在强迫换向阶段，逆变单元的电流通过预测电流控制跟踪负载电流，而逆变单元的电压作为反馈项，当电流误差降低至电流阈值ith以下时，将转移孤岛运行阶段，当电网故障清除后，孤岛运行阶段才可切换到并网运行阶段。
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