新型電源快速切換方法的研究與實現(xiàn)

秦雷鳴 曹 禎 高迪軍 繆秋滾

（西門子電力自動化有限公司，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機母線供電。如果發(fā)電機停機或系統(tǒng)故障導致工作電源失電，則快切裝置快速動作將電動機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。快速切換在理論上是最優(yōu)的切換方法。快速切換的切換速度最快，電動機斷電時間最短，切換時對備用電源和電動機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，包括電動機的容量、電動機的類型、電動機負載的特性等。在實際應(yīng)用時，很難獲得實際的殘壓衰減特性，而且系統(tǒng)配置發(fā)生變化時，殘壓衰減特性也會改變，這都導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往往錯過快速切換的時機。

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時快速切換的方法。實時快速切換在電源切換過程中實時計算殘壓的衰減特性，自動計算最佳合閘時間，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時快速切換算法。

1 母線殘壓衰減特性分析

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

下文以單一電動機為例分析正常情況下斷開工作電源斷路器時殘壓衰減特性。

1.1 殘壓初始幅值、初始相角和初始頻率

圖2是簡化的異步電動機等效電路。

圖2 異步電動機等效電路

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

對于異步電機，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。因為轉(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（衰減時間常數(shù)τ）。

圖4描述了轉(zhuǎn)子電流從電動機起動到失去供電后的變化特性。電動機起動過程中轉(zhuǎn)子電流很大而且變化劇烈，電動機起動后運行在穩(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（衰減時間常數(shù)τ）。

圖4 異步電動機轉(zhuǎn)子電流衰減特性

圖5描述了電動機機端線電壓從電動機起動到失去供電后的變化特性。當外部供電消失后，電動機機端電壓即為轉(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為殘壓衰減時間常數(shù)。

需要注意的是，當工作電源斷路器因工作電源故障跳開時，隨故障類型及故障持續(xù)時間的不同，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，電動機會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對母線上的電動機造成損害，而且會拉低母線電壓，導致電動機重起動失敗。因此如何盡可能降低合備用電源時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，對電動機的沖擊，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為母線上所有電動機和負載的等效阻抗；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。當備用電源斷路器合閘時，根據(jù)圖6電源切換系統(tǒng)的等效電路，電動機沖擊電流可表示為

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，當相角差為180°時，壓差達到最大。

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 實時快速切換的研究與實現(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的沖擊電流和沖擊扭矩，即如何保證母線合于備用電源時的壓差、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，合于備用電源時電動機的機端電壓是

Um不能超過電動機耐受電壓（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ΔU小于最大允許值，則電動機是安全的。

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間內(nèi)并能保證電動機及其負載不會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，失去快速切換的時機后同相捕捉切換將被啟動，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為實時的測量值，而ΔφFTparameter和ΔfFTparameter為工作電源斷路器斷開時的瞬時值并由用戶來設(shè)定。用戶要確保備用電源斷路器合上時，ΔU小于最大允許值。

圖10 傳統(tǒng)快切動作區(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?shù)卮_定參數(shù)ΔφFTparameter和ΔfFTparameter的值。同時，理論上講，當電動機群的任何一個參數(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)果導致快速切換不能充分發(fā)揮作用，進而喪失了重新為與母線連接的電動機供電和維持運行連續(xù)性的最佳時機，而等待同相切換做出反應(yīng)需要數(shù)百毫秒的時間。這一延遲將延長切換時間，并增加沖擊電流和沖擊力矩。

當快速切換不成功時，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′為斷路器合閘時間；(Δφ)為相角差變化率；(Δφ)為相角差二次變化率。

3.2 實時快速切換算法分析

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時快速切換方法。其動作區(qū)域示于圖11。

圖11 實時快速切換動作區(qū)域

對于異步電機，只要合上備用電源時施加在電動機上的電壓不超過耐受電壓，即ΔU小于最大允許值，異步電機就是安全的。實時快速切換實時計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，則可以起動實時快切合備用電源。

實時快速切換的核心是如何快速而且準確地預(yù)測出斷路器合上時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，默認備用電源電壓是穩(wěn)定的，因此UA是當前時刻由傅里葉變換求得的實時值，Δφforecast可以由3.1中的式（5）求得。因此如何計算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時刻的幅值為U1，t2時刻的幅值為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 實時快速切換算法的優(yōu)缺點

實時快速切換算法通過實時計算殘壓衰減特性，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電壓差的極限值就可方便地實現(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，實時快速切換需要額外的時間來計算殘壓衰減特性。因此實時快速切換不能單獨使用，只能作為快速切換的后備。

4 結(jié)論

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

如果在快切裝置中加入實時快速切換，在快速切換失敗時，實時快速切換可以在同相捕捉切換之前動作，從而縮短供電中斷的時間，減小對電動機和備用電源的沖擊，提高系統(tǒng)運行的可靠性。

[1] 李瑞生,王義平,熊章學,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,康小寧,郭峰.廠用電電源切換時的相位差問題探討[J].電力系統(tǒng)保護與控制,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措施[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2007,35(10):70-71,75.