基于LC橋式換流的船用靜態切換開關設計

陳海濤等

摘 要：為了滿足船舶設備對供電質量的苛刻要求，研發設計了一種針對雙路電源切換的船用靜態切換開關系統。靜態切換開關裝置由LC諧振換電流模塊、數字觸發模塊、DSP數字控制系統模塊等組成。設計了一套全新的LC橋式諧振輔助換電流電路，為了避免諧振旁路上的多余電量流入負載，利用主用晶閘管吸收多余電量，同時不必串聯反饋二極管但是卻又能達到饋能的效果，降低了系統的功耗；為了避免諧振電流急速上升，將一個適當阻值的功率電阻串聯在諧振旁路電容與電感之間。通過大量的實驗證明，系統切換工作完全可以控制在8 ms以內，完成了連續供電的要求。

關鍵詞：靜態切換開關 LC 換流 船舶

中圖分類號：TP273.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0072-03

Abstract：In order to meet severe requirements of ship for power quality， static transfer switch （STS） is a dual power switching system. STS mainly contains the LC bridge-type auxiliary resonant convertor circuit， the circuit of digital trigger and the control circuit of DSP. This paper puts forward a new LC bridge-type auxiliary convertor circuit. To prevent the injection of remaining power on resonant bypass into the load， the main SCR is used to absorb excess power on the resonant capacitor， and without using serial feedback diode， the feedback of power can be executed which reduces the power consumption. In order to avoid the rapid rise in the resonant current， a proper power resistor is added between capacitor and inductor on the resonant bypass of the circuit. A large number of experiments show that the design can complete the switch within 8 ms and it can be up to a continuous power supply requirements.

Key Words：Static Transfer Switch；LC；Convertor Circuit；Ship

普通的靜態切換開關[1-4] 換電流方式采用電流自然過零的切換方式，這種不使用任何輔助關斷電路的換流方式在切換過程中不會有環流產生，但是兩路電源切換時所需的時間較長，難以滿足敏感負載對連續供電的苛刻要求；采用饋能二極管的換電流方式[5]采用了一組無源LC輔助元件，能夠滿足雙向換電流的要求，此種換電流方式缺點是需要饋能二極管串聯在主回路中，不僅需要解決散熱問題，還增加了系統的功耗；LC諧振輔助換電流方式在雙電源切換過程中，電容上的殘余電量會注入至負載，導致負載要承受巨大的電壓尖峰沖擊，這將會對負載等設備造成難以預測的后果；強制換電流方式因為受到負載功率因數以及兩路電源相位、幅值等多方面因素的影響，雙電源切換時間最大可能大于10 ms，供給電源的實時性很難達到要求，這就導致難以滿足敏感負載對電源連續供電的要求。基于此，有必要研究一種新的換電流方式解決已有換電流方式存在的種種問題。該文提出了一種改進的LC橋式諧振輔助換流方式。

1 靜態切換開關系統

如圖1所示，靜態切換開關系統框架。該系統主要由LC諧振換流模塊、數字觸發模塊、DSP數字控制系統模塊以及信號檢測模塊等組成。系統對兩路電源進行實時檢測，DSP對采集的信號進行一系列的數學處理，實時監測主用電源異常變化，如果某一時刻檢測出異常，第一時間觸發相應的數字脈沖，該脈沖信號觸發LC換流電路中相應的晶閘管門極，這樣主用電源首先換電流至LC橋式諧振旁路，然后通過LC橋式諧振旁路換電流至備用電源。由于完成整個切換過程的時間非常短，因此，電源電壓與負載電流可以看作近似不變。在此期間，DSP控制系統時刻保持與外部通信，同時發出相應的狀態報警信號。

2 改進的LC橋式諧振輔助換流原理

各類LC諧振輔助換電流方式中，防止強制換電流時諧振電流出現電壓尖峰，沖擊晶閘管，導致其損壞，旁路電感L阻抗諧振電流的沖擊率（di/dt），但由于在現實使用中，因為性價比、額定電流、封裝大小等各方面原因，難以選取到較合適的電感。基于此，該文提出了一種改進的LC橋式諧振輔助換流方式：利用主用晶閘管吸收多余電量，同時不必用串聯反饋二極管但是卻又能達到饋能的效果；為了避免諧振電流急速上升，將一個適當阻值的功率電阻串聯于諧振旁路電容與電感之間，詳見如圖2所示。主用電源Vpri無故障時，負載由Vpri通過晶閘管T1P和T1N供電，其它晶閘管處于關閉狀態。某一時刻DSP控制系統檢測出主用電源Vpri異常變化，根據電流ipri判定當前導通的晶閘管。不妨假定此時T1P導通，DSP控制系統同時觸發T11與T22，這時諧振旁路電感L與電容C進行諧振放電，此時主用電源換流至LC旁路，然后再由LC諧振旁路換流至備用電源Valt；如果故障切換時T1N導通，則開通T21和T12，原理相同。

2.1 諧振旁路模型

建立LC橋式諧振旁路的模型如圖3所示。

當情況（4）時，曲線上升變化率降低明顯。所以將一個適當阻值的功率電阻串聯于諧振旁路電容與電感之間，選取電阻主要兼顧下列幾個方面。

（1）結合負載設備特性。

（2）電阻值過小達不到顯著的效果。

（3）電阻值過大導致晶閘管不能夠有效導通。

2.2 電壓異常切換方式

如圖2，DSP控制系統在某一時刻監測到主用電源出現異常變化，由主用電源切換至LC橋式換電流支路，然后再通過LC換電流支路切換到備用電源的工作流程，如圖5所示。軟件系統初始化變量見表1所示。

切換分為以下幾個步驟。

（1） DSP控制系統檢測主用電源為正常時，開通T1P和T1N，即將T1P和T1N置1。

（2）某時刻DSP控制系統檢測到主用電源異常時，將switch_flag置1，系統切換函數switch（）被調用。同時DSP檢測主用電源u_i的正負號，判定此時在T1P和T1N兩只晶閘管中哪一只導通，同時關掉主用電源，即關閉觸發晶閘管T1P和T1N的脈沖信號。

（3）開通正向旁路還是負向旁路取決于u_i，兩條旁路切換原理一樣。不妨假定u_i為正，將標志位T11_flag與T22_flag置1，即開通正向諧振旁路T11與T22，函數trigger（）被調用，一次觸發脈沖只有幾個，脈沖結束后自動關閉，LC諧振放電。為了保證T11與T22不會被誤觸發，可將標志位switching_plus_flag置1，警示已開通相應的LC諧振旁路。

（4）DSP系統檢測備用電壓u_by是否大于v_by_offset_minimum，即是否大于零。假設備用電壓u_by此刻為負，檢測主用電流i1P是否小于極小偏移量u_i_minimum，即i1P是否過零，如果T1P過零關斷，那么為了吸取諧振電容上的殘余電量，則開通T1N晶閘管，起到反饋電能的作用；假設u_by此刻為正，那么將T2P_flag置1，開通T2P，同時為了下次調用函數switch（），將switching_plus_flag置0，并且將switch_flag置0，此次調用函數switch（）結束，至此整個切換過程結束。

3 實驗結果

如圖6所示，DSP軟件控制上測試沒有回流，沒有功率電阻R，故障切換時的電壓尖峰非常嚴重，這將對負載造成嚴重損壞。

圖7所示采用改進的LC橋式電路，避免了電壓尖峰。當DSP偵測系統檢測到三相電壓出現故障時，由主用電源換流至LC諧振旁路，再由LC諧振旁路換流至備用電源的捕獲波形。根據波形，切換過程時間小于8 ms，切換過后負載由備用電源供電，系統恢復正常供電。

4 結語

大量地實驗表明，該LC橋式諧振輔助換流策略能夠在8 ms內完成切換工作，完成了連續供電的各項指標，能夠滿足敏感負載對連續供電的要求。此靜態切換開關切實可行，性能較為完善，實用價值較高，有望應用于船舶電力設備。

參考文獻

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