STS斷電快速檢測(cè)方法的研究

張艷軍，楊晟飛，張 榮

· （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

STS斷電快速檢測(cè)方法的研究

張艷軍，楊晟飛，張 榮

· （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

介紹了STS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)闡述了滑動(dòng)窗口模型有效值法、三相絕對(duì)值之和法和dq變換法三種斷電快速檢測(cè)方法的工作原理，并用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)比分析了以上三種斷電快速檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。研制了一臺(tái)120kVA容量的 STS實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)；斷電檢測(cè)；滑動(dòng)窗口模型；dq變換

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的敏感負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量要求越來(lái)越高，尤其對(duì)供電可靠性的要求更為苛刻。機(jī)房電源、精密儀器生產(chǎn)線等重要敏感負(fù)荷供電不能中斷10ms以上，否則會(huì)造成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)丟失，廢品率大增，損失難以估量。自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(automatic transfer switch，ATS)保證了對(duì)重要負(fù)荷供電的連續(xù)性，但ATS是機(jī)械裝置，轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，需要100ms以上，難以滿足敏感負(fù)荷的要求[1]。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)采用電子開關(guān)器件，轉(zhuǎn)換時(shí)間短(約為5～10ms)，越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用，有取代ATS的趨勢(shì)[2-5]。

斷電檢測(cè)的時(shí)間決定了STS轉(zhuǎn)換的快速性，斷電快速檢測(cè)方法是STS研究的重點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了滑動(dòng)窗口模型有效值法、三相絕對(duì)值之和法和dq變換法三種斷電快速檢測(cè)方法的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，并在研制的120kVA三相三線制實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主電路結(jié)構(gòu)

STS是一個(gè)兩輸入一輸出的設(shè)備，兩個(gè)輸入分別與主用電源和備用電源相連，輸出端接用電設(shè)備，STS結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。STS由雙向晶閘管、機(jī)械開關(guān)和檢測(cè)控制驅(qū)動(dòng)電路組成。雙向晶閘管是 STS重要的組成部分，負(fù)責(zé)主/備電源之間的快速切換。機(jī)械開關(guān)在晶閘管維護(hù)時(shí)旁路導(dǎo)通，保證對(duì)負(fù)載不間斷供電。檢測(cè)控制驅(qū)動(dòng)電路完成對(duì)供電狀態(tài)的檢測(cè)、控制分析和驅(qū)動(dòng)晶閘管的功能。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

STS采用主/備用兩路交流供電輸入，當(dāng)它處于“自動(dòng)”工作方式下，正常時(shí)接通主用支路，對(duì)交流重要負(fù)載進(jìn)行供電。一旦主用支路失電，STS控制晶閘管自動(dòng)切換到備用支路供電。當(dāng)備用支供電時(shí)，一旦主用支路得電，STS通過(guò)控制晶閘管能自動(dòng)切換到主用支路供電。當(dāng)晶閘管支路發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)并聯(lián)的接觸器來(lái)完成主/備電切換功能，并可以斷開晶閘管兩端的斷路器，更換晶閘管模塊。

STS的所有的轉(zhuǎn)換都是快速的先斷后合，主/備電源之間不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，所有的轉(zhuǎn)換都在小于10ms的時(shí)間內(nèi)完成。

2 斷電快速檢測(cè)的方法

STS是當(dāng)主電斷電或者故障后，快速切換到備用電源，保證重要負(fù)載不間斷供電?？焖贆z測(cè)斷電是保證快速切換的前提，檢測(cè)斷電時(shí)間越短，切換時(shí)間就越短，對(duì)負(fù)載的影響就越小，因此突破斷電快速檢測(cè)技術(shù)勢(shì)在必行。下面對(duì)滑動(dòng)窗口模型有效值法、三相絕對(duì)值之和法和dq變換法三種常用的斷電快速檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 滑動(dòng)窗口模型有效值法

通常采用有效值計(jì)算法判斷是否斷電，常用的交流有效值計(jì)算是在一個(gè)工頻周期內(nèi)完成的，至少有20ms延時(shí)，不能滿足斷電判斷的要求。利用滑動(dòng)窗口模型計(jì)算瞬時(shí)有效值，運(yùn)算速度快，對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，是比較理想的瞬時(shí)斷電檢測(cè)方案?；瑒?dòng)窗口模型見(jiàn)圖2。任一時(shí)刻，滑動(dòng)窗口向右滑動(dòng)一個(gè)元素，有一個(gè)新的元素進(jìn)入滑動(dòng)窗口，同時(shí)有一個(gè)最先進(jìn)來(lái)的元素滑出窗口?；瑒?dòng)窗口數(shù)N越大，處理的結(jié)果越精確，N很大時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)存儲(chǔ)資源的浪費(fèi)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用合理取值。

圖2 滑動(dòng)窗口模型

數(shù)字系統(tǒng)的交流采樣信號(hào)的有效值計(jì)算公式為：

式中：VRMS是交流信號(hào)的有效值；ν(i)是經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的離散化采樣數(shù)據(jù)；N是采樣周期點(diǎn)數(shù)。

因DSP計(jì)算平方根運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，為簡(jiǎn)化運(yùn)算，這里按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

式中：V*RMS是交流信號(hào)有效值的等效值；ν(i)是經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的離散化采樣數(shù)據(jù)；N是采樣周期點(diǎn)數(shù)；α是為防止計(jì)算值溢出而添加的調(diào)節(jié)系數(shù)。

正弦信號(hào)對(duì)稱性較好，每個(gè)正弦半波的有效值是相同的，周期采樣點(diǎn)可以減小到半個(gè)工頻周期(10ms)。采樣頻率為10kHz，那么采樣周期點(diǎn)數(shù)只需要100個(gè)點(diǎn)，滑動(dòng)窗口大小設(shè)置為N=100。

本系統(tǒng)連續(xù)取100個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為100，這100個(gè)數(shù)使用式(2)進(jìn)行處理，得到的結(jié)果稱為交流信號(hào)的瞬時(shí)有效值。每次采樣到的一個(gè)新數(shù)據(jù)就放入隊(duì)列的隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則)，重新對(duì)新的隊(duì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到新的瞬時(shí)有效值，以此遞推。每個(gè)DSP中斷周期都會(huì)得到一次計(jì)算結(jié)果，若持續(xù)n次計(jì)算的瞬時(shí)有效值小于設(shè)定的閥值，就認(rèn)為斷電發(fā)生。斷電檢測(cè)的時(shí)間取決于n的值，n越小檢測(cè)速度越快，但易受干擾，因此該值要根據(jù)實(shí)際調(diào)整。

滑動(dòng)窗口模型有效值法采用滑動(dòng)窗口模型計(jì)算有效值，有效縮短了計(jì)算有效值的時(shí)間，對(duì)三相電壓進(jìn)行有效值檢測(cè)，可以檢測(cè)出一相、兩相和三相斷電情況。

2.2 三相絕對(duì)值之和法

三相對(duì)稱的工頻交變電源，每一相都是周期的正弦波，相電壓瞬時(shí)值是正弦交變的，難以根據(jù)單相的瞬時(shí)電壓值判斷是否斷電。三相瞬時(shí)電壓的絕對(duì)值之和波動(dòng)比較小，可以作為斷電檢測(cè)的方法。下面詳細(xì)介紹三相絕對(duì)值之和法判斷斷電的原理：

三相對(duì)稱的電壓為：

式中：Vm電壓峰值。三相電壓絕對(duì)值之和為：

三相絕對(duì)值之和法檢測(cè)迅速，計(jì)算量小，但由于計(jì)算的是三相電壓的信息，沒(méi)有對(duì)各相進(jìn)行分別檢測(cè)判斷，因此不能快速檢測(cè)一相或二相斷電；兩相或一相斷電后，檢測(cè)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，且當(dāng)閥值設(shè)置比較大的情況下，可能不能檢測(cè)出斷電的狀態(tài)。

2.3 dq變換法

三相abc靜止對(duì)稱坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系即為dq變換，dq變換的突出優(yōu)點(diǎn)是將abc坐標(biāo)系中的基波正弦變量變換成dq坐標(biāo)系的直流分量，直流分量便于計(jì)算與比較，為快速斷電檢測(cè)提供方便。dq變換法檢測(cè)斷電原理如下：

abc-αβ變換：

αβ-dq變換：

abc-dq變換為：

式中：νd和νq為直流電壓，當(dāng)斷電發(fā)生時(shí)，Vdq瞬時(shí)值會(huì)馬上下降，與設(shè)定的閥值進(jìn)行比較，迅速檢測(cè)出斷電狀態(tài)的發(fā)生。閥值可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，閥值越大越靈敏，但容易誤判斷；閥值越小越可靠，但檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，需要折中選取。

可以看出三相絕對(duì)值之和法和dq變換法是同一種檢測(cè)方法的不同坐標(biāo)系下表現(xiàn)形式。dq變換法檢測(cè)迅速、靈敏，但也由于將三相電壓進(jìn)行綜合檢測(cè)判斷，因此不能區(qū)分出其中一相或兩相斷電，當(dāng)其中一相或兩相斷電時(shí)，檢測(cè)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。

3 斷電快速檢測(cè)方法對(duì)比分析

滑動(dòng)窗口模型有效值法、三相絕對(duì)值之和法和dq變換法都能較快地檢測(cè)出斷電的發(fā)生，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。以下仿真分析此三種斷電快速檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)：

仿真1：三相電源電壓突然同時(shí)斷電，仿真中閥值都設(shè)為0.5p.u.，三種檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，其中上欄為三相電網(wǎng)電壓波形，下欄為斷電檢測(cè)信號(hào)，低電平表示斷電，以下仿真波形中不再贅述?；瑒?dòng)窗口模型有效值法斷電檢測(cè)時(shí)間為5.6ms，三相絕對(duì)值之和法和dq變換法為瞬時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間約為零。

仿真2：a相突然斷電，閥值都設(shè)為0.5p.u.,三種檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。滑動(dòng)窗口模型有效值法斷電檢測(cè)時(shí)間為6.2ms；三相絕對(duì)值之和法由于閥值設(shè)置過(guò)大，未能檢測(cè)出a相斷電；dq變換法檢測(cè)時(shí)間為6.2ms。

仿真3：ab相同時(shí)斷電，閥值都設(shè)為0.5p.u.，三種檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5?；瑒?dòng)窗口模型有效值法斷電檢測(cè)時(shí)間為5.6ms；三相絕對(duì)值之和法和dq變換法檢測(cè)時(shí)間都為1.7ms。

以上仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，滑動(dòng)窗口模型有效值法對(duì)三相電壓進(jìn)行有效值檢測(cè)，可以檢測(cè)出一相、兩相和三相斷電情況，但較dq變換法的檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)；三相絕對(duì)值之和法檢測(cè)時(shí)間短，但存在不能檢測(cè)一相斷電的情況；dq變換法能瞬時(shí)檢測(cè)三相同時(shí)斷電，但檢測(cè)一相或兩相斷電檢測(cè)延時(shí)大。

圖3 三種斷電快速檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果(三相電源同時(shí)斷電)

圖4 三種斷電快速檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果(a相電源斷電)

圖5 三種斷電快速檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果(ab相電源斷電)

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

為了驗(yàn)證以上理論分析，研制了一臺(tái)120kVA的STS實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電網(wǎng)電源，兩路輸入斷路器，STS和電阻負(fù)載柜構(gòu)成。兩路斷路器開通和關(guān)斷模擬主用電或備用電的斷電情形，當(dāng)主用電支路的斷路器斷開，則認(rèn)為主用電斷電，備用電亦然。

圖6 STS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)條件如下：

電網(wǎng)電壓：380V；電網(wǎng)頻率：50Hz；負(fù)載：1?功率電阻；測(cè)量?jī)x器：TDS 2024C示波器；驅(qū)動(dòng)方式：全脈沖驅(qū)動(dòng)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

額定狀態(tài)下，主線路斷電后負(fù)載電流波形見(jiàn)圖7。由圖可以看出，在主電斷電后，STS能迅速檢測(cè)到主電斷電并切換到備用電供電，切換時(shí)間約為3ms，滿足切換時(shí)間不大于10ms的要求。

圖7 負(fù)載電流切換波形

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了滑動(dòng)窗口模型有效值法、三相絕對(duì)值之和法和dq變換法三種斷電快速檢測(cè)方法，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。滑動(dòng)窗口模型有效值法對(duì)三相電壓進(jìn)行有效值檢測(cè)，可以檢測(cè)出一相、兩相和三相斷電情況，較三相絕對(duì)值之和法和dq變換法的檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)；三相絕對(duì)值之和法檢測(cè)時(shí)間短，但存在不能檢測(cè)一相斷電的情況；dq變換法能瞬時(shí)檢測(cè)三相同時(shí)斷電，但檢測(cè)一相或兩相斷電檢測(cè)延時(shí)大。本文研究為STS新型斷電快速檢測(cè)打下了理論基礎(chǔ)，提供了新的思路，具有一定的實(shí)際意義。

[1]葉智俊,吳建德,何湘寧.UPS并聯(lián)系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù)學(xué)報(bào),2007,5(2):137-142.

[2]袁義生,鄒 娟,程良濤.一種無(wú)環(huán)流數(shù)字控制 STS模塊的研制[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,26(6):31-34.

[3]James M Galm.Static switch method and apparatus:US,RE38625E[P].2004-10-19．

[4]Hyun-Chul Jung.Static transfer switch device,power supply apparatus using the switch device and switching method Therrof:US,2010/0264743 A1[P].2010-8-21.

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Research on Fast Detection Method of STS Power Cut

ZHANG Yan-jun,YANG Sheng-fei,ZHANG Rong
(No.704 Research Institute of CSIC,Shanghai 200031,China)

Static transfer switch (STS)topology and working principle are introduced.Three kinds of rapid detection method of power cut (sliding window RMS method,absolute value of the three phase method and dq transform method)are elaborated.Advantages and disadvantages of the above three detection methods are contrasted by computer simulation.STS experimental prototype with 120kVA capacity is developed.And confirmatory experiment is carried out.The experimental results verify the correctness of the theory analysis.

static transfer switch (STS); power cut detection; sliding window model; dq transformation

TM564

A

張艷軍（1988-），男，河南柘城人，碩士研究生，主要研究電力電子及電能質(zhì)量治理。