基于多模式轉換的外部電源自動供電方法研究

張娜

（海南電網有限責任公司信息通信分公司，海南海口 570100）

目前，供電系統的外部電源供電方式已經涉及到城市電網和地鐵系統，國內的城市電網和地鐵系統主要采用集中供電、分散供電和混合供電3 種模式[1]，這3 種不同模式的供電方式使城市電網運行產生較為復雜的供電影響，由于供電模式的不同，因此需要進行不同種類的運營維護，進而產生了更多的投資與設備維護費用[2]。

傳統的電力系統外部電源供電方法只能適應一種模式下的電網供電，不能夠對多種模式下的電網同時進行自動供電，當傳統電力系統對多種模式下的電網進行自動供電時，外部電源與電力系統主電源供電切換時間過長，導致城市電網中產生一系列的供電故障，同時還會產生分壓效果，導致多種設備的電壓穩定性差。為了解決這一問題，提出了基于多模式轉換的外部電源自動供電方法。

1 外部電源自動電容分析

目前，許多用電設備均使用蓄電池作為外部電源，當用電設備自身電源出現故障或者異常時，蓄電池進行自動供電。我國大部分發電廠以及變電站均使用蓄電池作為外部電源，可以有效增強繼電保護的可靠性[3]。但由于發電廠和變電站的地理位置常常處于環境條件較惡劣的狀態下，蓄電池的使用壽命只能達到3 年左右，經過科技人員對事故后電池進行分析，發現作為變電站內的12 V外部電池在發生事故前的輸出電壓值只有8 V，并不能滿足微機保護和繼電器正常運行的要求，最終導致變電站的各級設備不能主動運行。當變電站中的微機保護與繼電器長期不能達到額定電壓時，隨著時間的推移，會導致外部電池的容量大大降低[4]。

綜上所述，若想達到外部電源自動供電方式的電容條件，必須符合快速充電、循環使用壽命長、能夠在最短的時間內釋放出最強電流、具有較高功率密度、不污染環境、維護工作簡便、能夠適應較大的溫度范圍、電容量可以隨時進行檢測識別、外部電源可以被任意電壓進行電位釋放等要求。圖1 為外部電源的具備條件和外部電源的影響關系圖。

圖1 外部電源的具備條件和外部電源的影響關系圖

2 外部電源電壓轉換

在多模式轉換的過程中，由于模式的不同常常會出現外部電壓在進行再次自動供電時，由于電源電壓與用電設備的電機電壓產生過大的相位差，導致用電設備在進行合閘時發生巨大沖擊電流事故，對電力設備的安全產生較大影響，甚至影響到繼電保護裝置的安全動作。因此，在多模式轉換的過程中，需要使外部的電源電壓與即將供電的設備電壓進行無縫隙電壓轉換[5]。

為了滿足這種多模式下的電源電壓相位一致性，在外部電源進行多模式切換的過程中，必須保證外部電源電壓與供電設備電壓同步。在上一級供電模式結束供電后，外部電源需要對下一級模式的供電設備電源進行相序變換，圖2 為外部電源相序變換原理圖。

圖2 外部電源相序變換原理圖

在供電系統的主電源與外部電源信息參數都已知的情況下，兩種電源對設備自動供電所產生的相位差并不會隨著時間的變化而改變。利用這一原理可以在外部電源自動供電之前進行相序連接。假定外部電源超前電力系統主電源的相位角度為x，由于供電系統的主電源與外部電源之間是相互獨立的，所以相位角x的取值范圍在-180°～+180°之間[6]。當x的取值范圍為-180°～-60°時，外部電源可以通過改變角度的取值范圍為-60°～+60°；當x的取值范圍為-60°～+60°時，外部電源可以不進行相序變換；當x取值范圍為60°～180°時，外部電源的角度變換范圍為-60°～+60°[7]。

在城市電網中有許多的電力負荷處于串聯狀態下，隨著用電量的不斷變化，需要對外部電壓的電能質量進行調節。文中應用動態電壓恢復法建立電網與供電設備之間的受控電壓源，當外部電源對供電設備進行供電且處于正常狀態時，動態電壓恢復裝置處于備用狀態，此時產生的損耗較小，當外部電源對供電設備進行過渡狀態下供電時，動態電壓恢復裝置能夠為供電客戶端提供良好的電壓質量調節，有效地補償電壓跌落或提升所造成的相位差，利用動態電壓恢復方法來改變電壓是目前改善電壓的最有效、性價比最高的方法[8]。圖3 為動態電壓恢復裝置的結構示意圖。

分析圖3 可知，動態電壓恢復裝置的結構主要由檢測控制電路、儲能部分、電壓調節部分、電壓耦合部分組成，每一個組成結構在功能上均保持相互獨立，但在電壓的調節工作上需要做到協調統一[9]。

圖3 動態電壓恢復裝置的結構示意圖

3 基于多模式轉換的外部電源自動供電

基于多模式轉換的外部電源自動供電在工作時分為3 個部分來完成供電，分別為旁路部分、自檢部分和運行部分，圖4 為供電3 部分工作模式圖。

圖4 供電3部分工作模式圖

根據圖4 中供電3 部分的狀態可知，隨著開關的閉合與斷開，外部電源的動態電壓調節裝置分別進入備用、空載、運行模式[10]。合理地切換外部電源動態電壓調節裝置的3 種工作狀態，可以保證外部電源對不同模式下的用電設備安全可靠的供電[11]。

為了實現多模式的無縫外部電源自動供電轉換，文中將動態電壓恢復方法引入到外部電源切換模式自動供電方式中，采用外部電源與動態電壓恢復方法結合，既可以做到不同模式的快速轉換，又能做到外部電源對供電設備的平穩自動供電[12]。圖5 為基于多模式轉換的外部電源自動供電結構圖。

圖5 基于多模式轉換的外部電源自動供電結構圖

在文中所研究的結構圖中，主要包括外部電源、變電所主電源、整流器、逆變器、動態電壓調節裝置等元件。動態電壓調節裝置主要由外部電源對其進行供電，因此不需要對動態電壓調節裝置單獨安裝儲能結構[13]。在實際的外部電源自動供電工作中，電網的電源線會對外部電源自動供電產生一定的干擾，因此在對外部電源供電方法進行研究時，需要將這種電源線的干擾降到最低，對于電源線干擾區域較大的外部供電設備，采用不同電壓的相線進行供電[14]。多模式下的外部電源供電還需要具備測控功能，為了滿足測控設備的供電需求大多數外部電源供電需要采用交流電源[15]。交流電網中諧波、雷擊、高頻等因素會對外部電源的供電質量產生影響，應用PLC 控制系統將外部電源的測控裝置與外部電源獨立，可以明顯地降低影響因素的干擾。目前國外研制出NTN 技術對外部噪聲電壓與共模電壓進行有效切斷，該技術可以隔離電源與設備，是一種理想的隔離變壓器[16]。

4 實驗研究

為了驗證文中方法是否能夠有效地進行多模式轉換外部電源自動供電、解決傳統方法中外部電源對多模式設備進行供電中存在的問題，進行對比實驗。

實驗參數設置為：變電所與外部電源均為三相交流電壓源，用電設備的額定電壓為8 000 V，外部電源的中性接地方式為星形接地方式，城市電網中的并聯變壓器變比為8 000 V/4 000 V，城市電網中串聯變壓器變比為4 000 V/8 000 V，外部電源的直流穩定電容為560 μF，外部電壓的濾波電感為2 mH，濾波電容120 μF，外部電源的交流電壓為220 V。圖6為基于多模式轉換的外部電源自動供電方法仿真模型圖。

圖6 基于多模式轉換的外部電源自動供電方法仿真模型圖

設定文中方法變電所的主電源初相位角度為0°，外部電源的初相位為60°，在主電源進行供電的過程中，0.35 s 時發生三相短路時用電設備的電機繞組中會產生巨大的沖擊電流，在0.36 s 時三相短路故障開始逐漸減輕，大約在0.37 s 時，三相短路故障完全清除，此時用電設備的電機繞組產生的沖擊電流為零，在0.38 s 時外部電源開始進行供電。在主電源與外部電源切換的過程中。引發出的沖擊電流大約為60 A，而額定的電流幅值為12 A（在用電設備電極啟動過程中，沖擊電流大約為額定電流幅值的10 倍，因此文中方法產生的沖擊電流較小），在主電源與外部電源切換的過程中沖擊較小。

動態電壓調節裝置在0.36 s 時啟動并在短時間內對外部電源電壓進行調節，當三相短路故障清除時動態電壓調節裝置會產生電壓輸出干擾，之后動態電壓調節裝置隨時間逐漸減小，在0.43 s 時動態電壓調節裝置電壓為零，退出供電流程。在0.38 s 時外部電源投入后，動態電壓調節裝置中才有電流通過，0.35 s時發生三相短路故障后，變電所的主電源進行合閘，此時合閘點的電壓為零，在0.36 s 時三相短路故障開始清除，同時預備向動態電源裝置進行輸出電流開始進行電壓補償，在0.38 s 時主電源合閘點的電壓與外部供電電源電壓相同。設定傳統方法主電源初相位角度為0°，外部電源初相位角度為30°，主電源在進行供電的過程中，在0.3 s 秒時發生三項短路故障，在0.37 s 時三相短路故障消除，由于傳統的方法中不具備電壓調節功能，外部電源在對用電設備進行供電前需要適應原主電源對用電設備的供電電壓，在0.4 s時外部電源才開始對用電設備進行自動供電。圖7為兩種方法下的變電所主電源切換到外部電源對設備進行供電時產生的定子三相電流波形對比圖。

圖7 定子三相電流波形對比圖

通過實驗對比圖可知，文中基于多模式轉換的外部電源自動供電方法在主電源故障后30 ms 內將外部電源投入并使設備的供電模式進行轉換，與傳統的外部電源同步。通過比較不同模式轉換裝置可知，外部電源的模式切換時間顯著減少。當主電源對用電設備進行集中供電時，首先應用傳統方法將外部電源引入到用電設備的供電模式中，通過驗電器對外部電源的電流進行檢測，當外部電源對用電設備的供電達到穩定狀態時，對用電設備的整體電壓進行測定。通過對比兩種方法下的用電設備電壓，確定兩種方法下的電壓穩定性差距，圖8 為兩種方法下的電壓穩定性對比圖。

圖8 兩種方法下的電壓穩定性對比圖

通過圖8 可知，文中方法在模式轉換過程中對用電設備的供電穩定性較好，傳統方法中經過模式轉換的外部電源采用分散式供電，當城市電網中用戶較多時導致用電設備的電壓變化幅度大。而對于文中方法，外部電源進行分散式供電，應用動態電壓調節方法對用電設備的電壓進行改變，顯著提高了用電設備的電壓穩定性。

5 結束語

隨著社會的不斷進步，整個電網體系的用電模式顯著增加，為了適應電網體系的發展，文中對多模式轉換的外部電源自動供電方法進行研究，文中方法通過對電壓的轉換達到了多模式無縫隙轉換的要求，極大地提高了外部電源自動供電效率。