三相双电源切换开关综诉.docx

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三相双电源切换开关综诉

双电源固体静态切换开关（SSTS）

、三相双路供电SSTS的电路拓扑结构

图一：

双电源开关电路拓扑结构

PP1

IEpsa

PN1

Z<3

AP1

AN1

负载

图二：

双电源开关电路简图注：

高压每个隔离刀处要加接地刀、每组可控硅要加避雷器。

、需要实现的基本功能

1、常用电源三相电流、三相电压的检测。

2、备用电源三相电流、三相电压的检测。

3、常用电源与备用电源的电压相位跟踪。

4、常用电源与备用电源状态判断及触发逻辑判断。

5、当常用电源故障时切换到备用电源。

6当常用电源恢复正常时切回常用电源。

7、常用电源与备用电源开关投切互锁功能。

8、各开关状态指示，电源故障状态指示。

注：

电源状态（电压的暂降、短时中断和电流的幅值等）判断要多判断几个点防止误判及暂态过程。

二、状态转移过程

常

慚常用

源状态

停川

麥

血续便川常川电i^卜7一^^

两个41源都恢kiFffi

切换到备用电源

常用电檬故障,备用电源片帘

.徧用电源正常启用

图三、状态转移图

四、控制系统框图

图四、控制系统框图

注：

晶闸管驱动对其还要有保护功能？

硬件互锁？

对采样信号滤波?

五、投切策略介绍

方法一（电流为0后切，较慢）：

图二出示了固态切换开关的结构。

它主要由并联高速机械开关KM1、KM2反并联的晶闸管开关以及隔离开关K1、K2、K3等组成。

以常用电源供电时为例，正常运行时，电流被KM1旁路掉，晶闸管支路没有电流流过。

需要切换到备用电源时，KM1打开，同时触发导通晶闸管，电流转移至晶闸管支路。

在KM1打开时，几乎不会有电弧，即使有也会因为晶闸管的导通而迅速熄灭。

之后撤销触发命令，在随后的第一次电流过零点，晶闸管自然关断。

一定延时后触发备用电源侧的晶闸管开关，再闭合KM2晶闸管被旁路而

断开，完成整个切换过程。

同时，当常用电源恢复正常时在电流过零点切回。

方法二（电流不为0就切，较快，比方法一控制麻烦）：

常用电源故障时当

电流转到晶闸管支路后通过监测晶闸管模块M中各晶闸管的端电压，判断晶闸管中电流的极性，然后根据电流极性触发晶闸管模块N中对应的晶闸管，最后将电流转移到KM支路停止触发与其并联的晶闸管。

切换过程完成之后，敏感负荷由备用电源供电。

本切换控制方法是对各相分别进行控制，以A相切换为例说明，BC控制方式相同。

SSTS切换控制系统接收到电压检测系发出的切换指令后，切换控制系统判断备用电源的电压是否正常。

当备用电源电压正常时，切换控制系统封锁晶闸管PP1/PN1的门极控制信号，而后根据PP1/PN1的端电压Epsa极性，触发备用电源侧晶闸管AP1或AN1如果Epsa大于零，说明电流是由电源流向负荷，流经晶闸管PP1,此时触发晶闸管AP1。

触发晶闸管AP1后，若备用电源电压的瞬时值高于主电源，那么在主、备用电源共同作用下晶闸管PP1上会被施加一个反向电压，强制晶闸管PP1中的电流减小，缩短了切换时间。

当晶闸管PP1中的电流减小到零，主电源A相被断开时，触发晶闸管AN1,完成负荷的切换过程。

如果Epsa小于零时，控制方式相似。

值得一提的是，本控制方式，在切换的过程中，各相电压的瞬时值等于主、备用电源电压瞬时值的平均值。

六、各检测算法介绍

为了保障装置快速可靠的动作，对于电网中的电压事件，即暂降、凸起、谐波、不平衡、闪变等，所选择的检测算法必须综合考虑。

对于电压暂降的幅值检测，一般有以下方法：

1、查正弦表法。

2、有效值计算法。

3、峰值电压计算法。

4、基波分量法。

5、单相电压变换平均值法。

6瞬时电压d-q分解法。

上面提到的检测方法中，1、准确度不高，2、3、4三种只能检测出电压暂降的幅值，后两种则即可以检测出幅值也可以检测出相位的变化。

各种检测方法有

不同的使用场合，对于双电源装置来说，在后备式运行方式下，要求快速确定是否发生电压暂降，同时要求对暂降幅值和相位跳变能快速、准确的检测。

因此可采用周期单相电压变换平均值法、瞬时电压d-q分解法或者采用电压平均值检测法与缺损电压法相结合的方法。

但是考虑到相位跳变的影响和实时性要求，以采用单相电压变换平均值法和瞬时电压d-q分解法最为合适，其中瞬时电压d.q分解法动态性能最好。

（1）有效值计算法（均方根值法）

电压有效值法是利用时域一个周期数值均方根运算来实现的。

为了实时检测

电压有效值的变化，实际中常采用一个周期数据序列的滑动平均计算。

当采集到新的样本点时，顺序将最早采集的样本点去除，然后用最新得到的一个周期采样值进行均方根运算，即可求出一个新的均方根值。

因此使用该检测方法，在每个采样瞬间都可得到一个新的均方根值。

如果电压暂降的发生与终止是瞬时的，那么利用上述的有效值计算法检测电压暂降事件，需要1个周期的过渡时间。

过渡时间是由于滑动平均值法中近1个周期的“历史”数据所引起的。

为加速检测过程，实用的简便办法是取半个周期的采样数据量进行滑动平均处理。

但是，这种半个周期的算法仍存在上述整周期算法的不足；此外，这种算法只能取半个周期整数倍的采样数据，否则将受到频移振荡分量影响。

该方法只注重对电压幅值的监测，且至少需要半个周期的历史数据，将引起一定的时延，因此它不能准确地给出电压骤降的起止时刻，更不能反映电压暂降时可能出现的相角跳变和不对称。

有效值计算法既不能准确检测暂降的起止时刻，也无法检测暂降中的相位跳变，不适合实时性要求高的场合。

但是该方法算法简单，计算速度快，由于采用的是滑动平均处理，本身就带有滤波的作用，可以省去滤波环节，因此有效值计算法对于电流和直流电压等不需要快速检测的变量来说是一种较好的检测方法。

（2）瞬时电压d-q分解法

（A）基于瞬时无功功率理论的dqO变换方法。

三相电路瞬时无功理论是由S.Fryze、WQuad（和赤木泰文等先后提出，随后得到广泛深入地研究并逐步完善，并在许多方面得到了成功的应用。

该理论突破了传统以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。

基于瞬时无功功率理论的dqO变换方法首先在有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应用，也是目前DV中最常采用的算法，很多

其它算法也是在其基础上的改进。

其基本原理是对abc坐标系下的三相电量（电压或电流）进行Park变换，将abc坐标系下的三相电量转换成dqO坐标系下的相应分量，即

式中

17

cosfi^tcos（（»t'2n/3）co$@t+2刀3）

-sin®t-sin（«?

t^2n/3）-sin（（»t+2W3）

l>■■

■

假设待检测电压为us（t）=u1+uh，其中ul=Usin（31+B）为基波分量，uh为含有谐波、电压波动、高频振荡等成分的畸变分量。

经过Park变换后，abc坐标系下uh中第n次正序分量将变成dqO坐标系下的第n-1次分量，而第n次负序分量将变换成第n+1次分量，只有abc坐标系下的基波正序分量u1通过变换才变换成dqO坐标系下的直流分量。

运用这一变换特点，将系统三相交流电压（Ua，Ub，Uc）经过dqO变换后，其中的基波分量在dqO坐标系中表现为直流量。

利用低通滤波器滤除变换后的非直流分量，得到对应系统基波正序的直流量u，u。

得到dqO

d0qO

坐标系下的直流分量后再经过Park反变换:

j-Tcostot-sinfit

C）=J-cos（«-2^/3）-sinfor亠2推⑶

[cos（iir+2肝3）fin仙+2^/3）

即可得到所需的电压骤降基波特征量，但上诉方法只适用于三相平衡电路，同时没有考虑电压骤降时可能随之出现的相位跳变问题。

由于滤波器通带和阻带之间的频率间隔较小，所以滤波器的设计比较困难，且时延较大，对该方法的实时性会带来影响。

（B）用于单相电路的瞬时电压dqO变换方法

基于瞬时无功功率理论的dqO变换方法只适用于三相对称电力系统电压扰动进行检测，对于单相故障引起的电压暂降则不能直接使用该方法。

对于单相事件，可根据三相三线制特点，以单相电压为参考构造出一个虚拟三相系统。

以A相电

压Ua为例，首先将屮延时6。

°得到-匕，然后由屮二Ua—-UC得到Ub。

将此虚拟三相坐标变换到dqO坐标系，用低通滤波器提取dqO坐标系下电压中的直流分量Udo和Uqo，可得到：

基波电压的幅值和相位跳变为:

（P

viz

该方法可对任意相电压进行检测，并且能检测出电压暂降时可能发生的相位跳变。

仿真表明，它在电压暂降幅值、持续时间及相位跳变角的检测中，相对于电压峰值法和有效值法具有更高的精确性、快速性。

但该方法所用的数据不具有同时性，无法正确分析扰动发生最初60°相移时间段内的、具有多个过渡段的扰动和短时扰动。

此外，它需要先构造出虚拟三相系统，原理上相对复杂，且计算量也较大。

（C）改进的“abc—dqO'变换算法。

传统的dqC变换法需要通过低通滤波器或滑动窗来分离直流分量都难以保证实时性。

由于滤波器的响应延时是不可避免的，求平均值的方法也需要半个周期的历史数据，因此也会引起一定的时延存在延时。

为提高系统的实时性，可采用下式来计算dq轴上的直流分量。

屮L屮1

42U{sin®

Ia」加卜"仁

■一J2Z7icos^j^

式中Ud，Uq为对W，Uq求微分。

由上式很容易得到基波正序分量的相角信息为:

COS®]=

该方法不仅能准确检测出电压骤降发生的起止时刻和电压幅值骤降的深度，

而且可以准确检测出基波正序分量相角的跳变，具有准确、实时的特点。

但由于

引入了微分算子，对电压采样值的准确度要求较高，且当电压中含有谐波时，同样无法避免由于加入滤波器所带来的延时。

综合考虑各种检测方法的实时性、有效性和实现的复杂性，本文确定了以广义瞬时无功功率理论为基础的瞬时电压d-q分解变换算法作为电压暂降的检测方法。

三相电压如下：

=42Usma）t

fl

ub=V2（7sin（6）/-年）

二y/2Usin（^t+—）

将abc三相电压变换到d-q轴的关系式为：

［叫川J［叫吧吧］丁

式中变换因子矢量：

/TrsinQfsin（

V3-cose?

/-cos（£y/-27i/3）-cos（dJ^+2?

c/3）

用低通滤波器滤除变换后的非直流分量可得到基波的变换结果，其为直流量:

只要将Urms的值与设定的电压最低门限值进行比较就可判断电压是否跌落从而决定是否切换电源。

切换指令获取过程框图如下。

注：

1不适用于单相电压跌落。

2、没有考虑电压跌路时可能出现的相位跳变

3、滤波器会有一些延时。