新型電源快速切換方法的研究與實(shí)現(xiàn)

秦雷鳴 曹 禎 高迪軍 繆秋滾

（西門子電力自動(dòng)化有限公司，南京 211100）

電源快速切換裝置（簡稱快切裝置）主要用于電廠用電和工業(yè)企業(yè)的輔助電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作電源和備用電源的快速切換，以保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性。

隨應(yīng)用的不同，系統(tǒng)接線各不相同。圖1是熱電廠的典型接線方式。正常情況下，斷路器1在合位，斷路器2在分位，工作電源通過輔助變壓器向電動(dòng)機(jī)母線供電。如果發(fā)電機(jī)停機(jī)或系統(tǒng)故障導(dǎo)致工作電源失電，則快切裝置快速動(dòng)作將電動(dòng)機(jī)母線切換到備用電源。

快切裝置支持不同的切換方法：快速切換，同相捕捉切換，殘壓切換等?？焖偾袚Q在理論上是最優(yōu)的切換方法?？焖偾袚Q的切換速度最快，電動(dòng)機(jī)斷電時(shí)間最短，切換時(shí)對備用電源和電動(dòng)機(jī)造成的電流沖擊和扭矩沖擊最小。

快速切換的定值整定依賴于母線殘壓的衰減特性。殘壓衰減特性取決于系統(tǒng)配置，包括電動(dòng)機(jī)的容量、電動(dòng)機(jī)的類型、電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性等。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，很難獲得實(shí)際的殘壓衰減特性，而且系統(tǒng)配置發(fā)生變化時(shí)，殘壓衰減特性也會(huì)改變，這都導(dǎo)致快速切換的定值難以整定。不合適的定值使得電源切換時(shí)往往錯(cuò)過快速切換的時(shí)機(jī)。

圖1 熱電廠典型接線

為了提高快速切換的成功率，本文提出一種新的實(shí)時(shí)快速切換的方法。實(shí)時(shí)快速切換在電源切換過程中實(shí)時(shí)計(jì)算殘壓的衰減特性，自動(dòng)計(jì)算最佳合閘時(shí)間，從而避免了用戶整定快速切換定值的問題[1]。

本文將基于對切換過程中母線殘壓特性以及合閘時(shí)刻沖擊響應(yīng)的分析，介紹國內(nèi)常用的快速切換算法，并且提出一種新的實(shí)時(shí)快速切換算法。

1 母線殘壓衰減特性分析

以圖1所示系統(tǒng)模型為例，當(dāng)電動(dòng)機(jī)母線的工作電源斷電后，母線上的電動(dòng)機(jī)會(huì)倒送電，在母線上感應(yīng)出電壓。這個(gè)感生的電壓被稱作殘壓（Residual Voltage）。殘壓的幅值和頻率隨時(shí)間不斷衰減。衰減的趨勢和速度取決于母線上電動(dòng)機(jī)群的整體特性。在電動(dòng)機(jī)群中，帶較大慣性負(fù)載的大容量電動(dòng)機(jī)將會(huì)作為發(fā)電機(jī)向小容量電動(dòng)機(jī)供電。電動(dòng)機(jī)群的殘壓衰減曲線介于單一大容量電動(dòng)機(jī)和單一小容量電動(dòng)機(jī)的殘壓衰減曲線之間。

下文以單一電動(dòng)機(jī)為例分析正常情況下斷開工作電源斷路器時(shí)殘壓衰減特性。

1.1 殘壓初始幅值、初始相角和初始頻率

圖2是簡化的異步電動(dòng)機(jī)等效電路。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)等效電路

從方程式（1）可以看出，感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值小于機(jī)端電壓，相位滯后于機(jī)端電壓。因此，在工作電源斷電的瞬間，母線電壓從機(jī)端電壓變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢，母線電壓的幅值和相角都會(huì)跳變，跳變的大小取決于電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。圖3給出了一個(gè)母線殘壓幅值和相角跳變的Matlab仿真結(jié)果。

對于異步電機(jī)，正常情況下定子電流的磁場和轉(zhuǎn)子電流的磁場是同步的。定子電流的頻率等于供電電源頻率f1，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率為(1-s)×f1,轉(zhuǎn)子電流頻率為s×f1，s是轉(zhuǎn)差率。

圖3 母線殘壓跳變的波形

工作電源斷電瞬間，定子電流回路開路，定子電流為0，轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出衰減的直流電流以維持磁通量不突變，轉(zhuǎn)子直流電流以指數(shù)曲線衰減。因?yàn)檗D(zhuǎn)子直流電流頻率為0，由轉(zhuǎn)子直流電流感應(yīng)出的殘壓頻率就等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率。斷電瞬間，由于慣性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不會(huì)跳變，因此殘壓的初始頻率為(1-s)×f1，斷電瞬間母線電壓頻率從f1跳變到(1-s)×f1。通常情況下s在0.02～0.05之間。對于額定頻率為50Hz的系統(tǒng)，工作電源斷電后，母線殘壓的頻率跳變大概在1～2.5Hz之間。

1.2 殘壓衰減時(shí)間常數(shù)

失去外部供電后，殘壓是轉(zhuǎn)子電流感應(yīng)出來的，因此殘壓的衰減特性和轉(zhuǎn)子直流電流的衰減特性一致，按指數(shù)衰減（衰減時(shí)間常數(shù)τ）。

圖4描述了轉(zhuǎn)子電流從電動(dòng)機(jī)起動(dòng)到失去供電后的變化特性。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子電流很大而且變化劇烈，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)，外部供電消失后，轉(zhuǎn)子電流變?yōu)橹绷麟娏鳎乙灾笖?shù)曲線衰減（衰減時(shí)間常數(shù)τ）。

圖4 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流衰減特性

圖5描述了電動(dòng)機(jī)機(jī)端線電壓從電動(dòng)機(jī)起動(dòng)到失去供電后的變化特性。當(dāng)外部供電消失后，電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓即為轉(zhuǎn)子電流感應(yīng)出的電壓（殘壓），因此殘壓的衰減特性與轉(zhuǎn)子電流衰減特性一致，以指數(shù)曲線衰減（衰減時(shí)間常數(shù)τ）。

圖5 殘壓衰減特性

綜上所述，殘壓衰減特性可以用下式表示：

式中，U0為殘壓初始幅值；0φ 為殘壓初始相角；τ為殘壓衰減時(shí)間常數(shù)。

需要注意的是，當(dāng)工作電源斷路器因工作電源故障跳開時(shí)，隨故障類型及故障持續(xù)時(shí)間的不同，母線殘壓的初始值及衰減特性也不相同。

2 沖擊響應(yīng)分析

合備用電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)受到電流和電磁扭矩的沖擊。大的沖擊電流和沖擊扭矩不僅會(huì)對母線上的電動(dòng)機(jī)造成損害，而且會(huì)拉低母線電壓，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)重起動(dòng)失敗。因此如何盡可能降低合備用電源時(shí)的沖擊電流和沖擊扭矩是電源切換裝置需要解決的核心問題。

為了分析備用電源合閘時(shí)，對電動(dòng)機(jī)的沖擊，將圖1的電源切換系統(tǒng)用簡化的等效電路表示，如圖6所示。

圖6中，Zm為母線上所有電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的等效阻抗；Zs為備用電源側(cè)的系統(tǒng)阻抗；Um為母線殘壓；Us為備用電源電壓；ΔU＝-為母線殘壓和備用電源電壓之間的電壓矢量差。

圖6 電源切換系統(tǒng)等效電路

2.1 沖擊電流分析

工作電源斷開后，在合備用電源前，備用電源斷路器兩側(cè)是母線殘壓和備用電源電壓。隨著母線殘壓幅值和相角的變化，備用斷路器兩端的壓差也在變化。當(dāng)備用電源斷路器合閘時(shí)，根據(jù)圖6電源切換系統(tǒng)的等效電路，電動(dòng)機(jī)沖擊電流可表示為

由式（3）可以看出沖擊電流取決于ΔU和Zm。

圖7舉例給出了ΔU的變化軌跡，最上面是母線殘壓和備用電源電壓，其中實(shí)線代表備用電源電壓，虛線代表母線殘壓；中間是母線殘壓和備用電源電壓相角差變化軌跡；最下面是母線殘壓和備用電源電壓壓差變化軌跡。

圖7 壓差和相角差變化軌跡

可以看出，當(dāng)相角差為180°時(shí)，壓差達(dá)到最大。

2.2 沖擊扭矩分析

圖8和圖9分別給出了不同相角差和不同頻差下沖擊扭矩的仿真結(jié)果。圖8所示的仿真是在壓差和頻差都為0的情況下進(jìn)行的，圖9所示的仿真是在壓差和相角差都為0的情況下進(jìn)行的。

圖8 不同相角差對應(yīng)的沖擊扭矩

圖9 不同頻差對應(yīng)的沖擊扭矩

由以上仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1）合于備用電源時(shí)的沖擊電流主要取決于母線殘壓和備用電源之間的相角差。

2）合于備用電源時(shí)的沖擊扭矩取決于母線殘壓和備用電源之間的相角差和頻差。

3 實(shí)時(shí)快速切換的研究與實(shí)現(xiàn)

基于以上理論分析，快切算法需要解決的核心問題是：如何盡可能降低母線合于備用電源時(shí)的沖擊電流和沖擊扭矩，即如何保證母線合于備用電源時(shí)的壓差、相角差和頻差在允許范圍內(nèi)。

根據(jù)圖6電源切換系統(tǒng)的等效電路可以得到，合于備用電源時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)端電壓是

Um不能超過電動(dòng)機(jī)耐受電壓（例如1.1倍的額定電壓值），則ΔU的最大允許值是即若合于備用電源時(shí)ΔU小于最大允許值，則電動(dòng)機(jī)是安全的。

3.1 傳統(tǒng)快切算法分析

目前國內(nèi)常用的快切算法由快速切換和同相捕捉切換組成，其動(dòng)作區(qū)域如圖10所示。 理論上快速切換可以將母線上的電力中斷保持在最短的時(shí)間內(nèi)并能保證電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載不會(huì)受到過度的或累積的損害，所以優(yōu)選選擇快速切換。如果快速切換的判據(jù)沒有得到滿足，失去快速切換的時(shí)機(jī)后同相捕捉切換將被啟動(dòng)，即同相捕捉切換是快速切換的后備。

快速切換的判據(jù)如下，

這里Δφ為衰減的母線電壓和備用電源電壓之間的相角差，Δf為衰減的母線電壓和備用電源電壓之間的頻率差。ΔφFTparameter和ΔfFTparameter是需要用戶整定的定值。Δφ和Δf為實(shí)時(shí)的測量值，而ΔφFTparameter和ΔfFTparameter為工作電源斷路器斷開時(shí)的瞬時(shí)值并由用戶來設(shè)定。用戶要確保備用電源斷路器合上時(shí)，ΔU小于最大允許值。

圖10 傳統(tǒng)快切動(dòng)作區(qū)域

舉例說明：假定某殘壓特性，在最初的0.2s 之內(nèi)，電壓、頻率衰減較小, 頻差平均為1Hz，相角差在60°以內(nèi)ΔU小于最大允許值。假定備用電源斷路器合閘時(shí)間為100ms。則100ms內(nèi)母線與備用電源向量夾角增大36°，因此在發(fā)合閘命令時(shí)測得的相角差應(yīng)小于24°。所以根據(jù)此殘壓衰減特性，頻差定值整定為1Hz，角差定值整定為20°左右。

由于設(shè)定參數(shù)的前提是全面地分析殘壓特性，用戶難以恰當(dāng)?shù)卮_定參數(shù)ΔφFTparameter和ΔfFTparameter的值。同時(shí)，理論上講，當(dāng)電動(dòng)機(jī)群的任何一個(gè)參數(shù)變化后，殘壓特性也將改變，ΔφFTparameter和ΔfFTparameter也需要相應(yīng)地予以重新確定，而這是十分困難的。為此，用戶通常將ΔφFTparameter和ΔfFTparameter確定為較小的值，以免快速切換超出允許范圍，結(jié)果導(dǎo)致快速切換不能充分發(fā)揮作用，進(jìn)而喪失了重新為與母線連接的電動(dòng)機(jī)供電和維持運(yùn)行連續(xù)性的最佳時(shí)機(jī)，而等待同相切換做出反應(yīng)需要數(shù)百毫秒的時(shí)間。這一延遲將延長切換時(shí)間，并增加沖擊電流和沖擊力矩。

當(dāng)快速切換不成功時(shí)，同相捕捉切換是其后備切換方式[3]。同相捕捉切換指的是相角差接近于零時(shí)合上備用電源開關(guān)，其判據(jù)如下，

Δφforecast為預(yù)測值，指的是合于備用電源時(shí)的角差。通常預(yù)測Δφforecast的方法是將相角差的變化軌跡近似看作二次曲線，則有：

式中，′Δφ為初始相角差；Δ′T′為斷路器合閘時(shí)間；(Δφ)為相角差變化率；(Δφ)為相角差二次變化率。

3.2 實(shí)時(shí)快速切換算法分析

為了降低快速切換定值整定的難度，提高快速切換的成功率，本文提出了一種新的實(shí)時(shí)快速切換方法。其動(dòng)作區(qū)域示于圖11。

圖11 實(shí)時(shí)快速切換動(dòng)作區(qū)域

對于異步電機(jī)，只要合上備用電源時(shí)施加在電動(dòng)機(jī)上的電壓不超過耐受電壓，即ΔU小于最大允許值，異步電機(jī)就是安全的。實(shí)時(shí)快速切換實(shí)時(shí)計(jì)算母線殘壓衰減特性以及母線殘壓和備用電源相角差的變化特性預(yù)測到合于備用電源時(shí)母線殘壓與備用電源電壓矢量差。如果預(yù)測的ΔU小于最大允許值，則可以起動(dòng)實(shí)時(shí)快切合備用電源。

實(shí)時(shí)快速切換的核心是如何快速而且準(zhǔn)確地預(yù)測出斷路器合上時(shí)刻的母線殘壓與備用電源電壓矢量差ΔUforecast。如圖12所示，ΔUforecast可通過余弦定理計(jì)算得到：

圖12 ΔU forecast 矢量圖

式中，UMforecast為母線殘壓的預(yù)測值；UA為備用電源電壓；Δφforecast為相角差的預(yù)測值。

在電源切換的過程中，默認(rèn)備用電源電壓是穩(wěn)定的，因此UA是當(dāng)前時(shí)刻由傅里葉變換求得的實(shí)時(shí)值，Δφforecast可以由3.1中的式（5）求得。因此如何計(jì)算UMforecast是最關(guān)鍵的。由1.2中的式（2）可知，母線殘壓的幅值為

假設(shè)母線殘壓在t1時(shí)刻的幅值為U1，t2時(shí)刻的幅值為U2，則有

由式（8）和式（9）可得

根據(jù)泰勒公式，式（10）可以變換為

求解：

由式（12）求出殘壓衰減時(shí)間常數(shù)τ之后，便可帶入式（7）求得UMforecast，其中t為備用電源斷路器合閘時(shí)間，由用戶整定。求出UMforecast后，便可連同UA，Δφforecast一起帶入式（6）求出ΔUforecast。

3.3 實(shí)時(shí)快速切換算法的優(yōu)缺點(diǎn)

實(shí)時(shí)快速切換算法通過實(shí)時(shí)計(jì)算殘壓衰減特性，用戶不必全面了解不同情況下的殘壓衰減特性而只須設(shè)定備用電源斷路器閉合時(shí)電壓差的極限值就可方便地實(shí)現(xiàn)快速切換，且無須因殘壓特性的改變而調(diào)整先前的設(shè)定，從而方便了用戶的操作，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

但是，相比快速切換，實(shí)時(shí)快速切換需要額外的時(shí)間來計(jì)算殘壓衰減特性。因此實(shí)時(shí)快速切換不能單獨(dú)使用，只能作為快速切換的后備。

4 結(jié)論

隨著機(jī)組容量的增大和自動(dòng)化水平的提高，快切裝置應(yīng)用的越來越廣泛?？烨醒b置的應(yīng)用對于保障系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。但在實(shí)際應(yīng)用中，快速切換的定值難以整定，往往導(dǎo)致快速切換不動(dòng)作，同相捕捉切換動(dòng)作[4]。

如果在快切裝置中加入實(shí)時(shí)快速切換，在快速切換失敗時(shí)，實(shí)時(shí)快速切換可以在同相捕捉切換之前動(dòng)作，從而縮短供電中斷的時(shí)間，減小對電動(dòng)機(jī)和備用電源的沖擊，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

[1] 李瑞生,王義平,熊章學(xué),姚晴林.廠用電快速切換應(yīng)用與研究[J].繼電器,2005,33(10):79-81.

[2] 李經(jīng)升,王舜,韓學(xué)義.廠用電快速切換裝置的應(yīng)用研究[J].繼電器,2002,30(7):37-39.

[3] 劉增遠(yuǎn),康小寧,郭峰.廠用電電源切換時(shí)的相位差問題探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2007,35(11):60-64.

[4] 古衛(wèi)婷,劉曉波,古衛(wèi)濤.變電站備自投裝置存在問題及改進(jìn)措施[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2007,35(10):70-71,75.