雙電源一用一備系統(tǒng)的快速切換技術(shù)研究

李福榮

（中石化石油工程設(shè)計有限公司）

0 引言

目前，工業(yè)企業(yè)解決供電可靠性的主要辦法是一次系統(tǒng)采用雙路或多路供電，二次系統(tǒng)采用備自投裝置。對一般工業(yè)企業(yè)而言，備自投裝置已經(jīng)可以滿足要求。而在石化、冶金等要求連續(xù)供電的企業(yè)，備自投動作時間長，導(dǎo)致很多電動機被切除或無法維持正常工作，影響生產(chǎn)的連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量，因此使用效果并不理想。

為克服備自投裝置存在的問題，需要實現(xiàn)備用電源的快速切換。這就要求在切換過程控制在幾十毫秒以內(nèi)，而且希望切換裝置能夠?qū)崟r跟蹤開關(guān)兩側(cè)電源的電壓、頻率和相位，并提供多種可靠的起動方式和切換實現(xiàn)方式，從而保證快速安全的投入備用電源，同時不會對電動機造成大的沖擊。此外，還要具有較高的靈活性，適應(yīng)多種現(xiàn)場運行方式，僅需更改部分定值即可滿足多種現(xiàn)場工程實施需求。

本文首先介紹備用電源切換原理，然后以某石化輸氣工程的35kV電驅(qū)壓氣站為例進(jìn)行建模和仿真，以兩路電源進(jìn)線的場景，對傳統(tǒng)備自投和備用電源快速切換兩種方案進(jìn)行對比分析。

1 備用電源切換原理

對于如圖1所示的供電系統(tǒng)，采用一用一備供電方式時，正常運行時1DL和3DL合，2DL分。當(dāng)進(jìn)線1發(fā)生故障失電后，必須先跳開1DL，然后合2DL恢復(fù)供電；反之亦然。

圖1 備用電源切換原理圖

備用電源切換裝置的實現(xiàn)方式有快速切換、殘壓切換、延時切換，同期捕捉切換等。

1）快速切換。快速切換是速度最快的合閘方式，一般要求母線和待并側(cè)電源壓差|du|、頻差|df|、相差|dq|都小于預(yù)設(shè)閾值。

2）殘壓切換。當(dāng)母線電壓衰減到20%～40%實現(xiàn)的切換稱為殘壓切換。殘壓切換的停電時間過長，電動機自起動成功與否、自起動時間等會受到較大限制。

3）延時切換。當(dāng)備用側(cè)容量不足以承擔(dān)全部負(fù)載，甚至不足以承擔(dān)通過殘壓切換過去的負(fù)載的自起動，只能考慮長延時切換。長延時切換的實現(xiàn)條件為：裝置起動后延時t>“長延時整定值”。

4）同期捕捉切換。同期捕捉切換的原理是實時跟蹤母線電壓和備用電壓的頻差和角差變化，以同相點作為合閘目標(biāo)點。

2 某壓氣站的切換方案對比分析

2.1 壓氣站電氣系統(tǒng)簡介

某輸氣工程中的35kV電驅(qū)壓氣站的主接線如圖2所示。該壓氣站正常運行時，兩路進(jìn)線電源采用一用一備用模式供電，即正常時只用進(jìn)線1供電，斷路器1DL和3DL合，2DL分。根據(jù)此接線，搭建Matlab/Simulink仿真模型如圖3所示。其中，三相電機采用Asynchronous Machine SI Units模型。

2.2 壓氣站短時失電且300ms后恢復(fù)供電的仿真分析

對上一節(jié)的電驅(qū)壓氣站進(jìn)行仿真，設(shè)在1s時進(jìn)線1失電，在300ms后合上2DL通過進(jìn)線2恢復(fù)供電，在此過程中的系統(tǒng)10kV母線I的電氣參數(shù)變化如圖4所示。

由圖4可見，在進(jìn)線1失電后，母線I電壓下降，電流減小到0，系統(tǒng)頻率也嚴(yán)重下降；在1.3s恢復(fù)供電時，系統(tǒng)頻率已下降到接近46Hz，然后頻率需要較長一段時間才恢復(fù)到額定值。

2.3 壓氣站短時失電且快速切換恢復(fù)供電的仿真分析

設(shè)進(jìn)線1在1s時失電，通過快切裝置在10ms后合上2DL通過進(jìn)線2恢復(fù)供電，在此過程中的系統(tǒng)10kV母線I的電氣參數(shù)變化如圖5所示。

圖2 電驅(qū)壓氣站電氣主接線圖（雙路電源，一用一備）

圖4 母線I的電氣參數(shù)變化

圖5 快速切換時母線I的電氣參數(shù)變化

由圖可見，在進(jìn)線1失電后，母線I電壓和電流減小，系統(tǒng)頻率也下降。但是由于快速合閘，系統(tǒng)頻率下降比較小（不超過0.5Hz），恢復(fù)供電后頻率迅速回升，因此對生產(chǎn)過程影響比較小。

3 結(jié)束語

在提高電驅(qū)壓氣站的供電可靠性和生產(chǎn)連續(xù)性方面，備用電源快速切換方案與傳統(tǒng)的備自投方案相比，具有優(yōu)點如下：

1）減少停電時間。傳統(tǒng)的備自投方案需要秒級時間進(jìn)行切換，而快速切換裝置只需要幾十毫秒甚至更短時間，從而減少停電時間。

2）提高生產(chǎn)可靠性和連續(xù)性。由于切換迅速，母線電壓有效值和頻率下降不多，對于生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量的影響較小。