張 淼，張艷妍，趙 賀，饒 強(qiáng)
（國(guó)網(wǎng)北京市電力公司 電力科學(xué)研究院，北京100075）
摘 要： 為了解決電力負(fù)荷的電源在切換過(guò)程中存在的短時(shí)停電、電流及電壓沖擊等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于電力電子變流器的電源平滑切換裝置。裝置充分利用了靈活的電力電子電能變換技術(shù)，通過(guò)變流器并網(wǎng)-離網(wǎng)-并網(wǎng)-脫離的過(guò)程，完成舊電源到新電源的不停電、平滑切換。該裝置可以用于變壓器間負(fù)荷的轉(zhuǎn)移以及調(diào)節(jié)三相不平衡負(fù)荷。
關(guān)鍵詞： 電源平滑切換；電力電子變流器；不間斷供電技術(shù)；三相不平衡
0 引言
電力負(fù)荷供電經(jīng)常需要從一個(gè)電源切換到另外一個(gè)電源，一種切換方法是首先斷開(kāi)舊電源供電，然后用新電源給負(fù)荷供電，這種方法會(huì)造成負(fù)荷的短時(shí)停電；另一種方法是首先通過(guò)構(gòu)建聯(lián)絡(luò)，負(fù)荷由新、舊電源同時(shí)供電，然后斷開(kāi)舊電源，負(fù)荷改由新電源供電，此種方法需要兩電源頻率相同，相位、幅值差在一定范圍內(nèi)，合環(huán)沖擊電流滿足要求。本文設(shè)計(jì)了一種基于電力電子變流器的平滑切換裝置，可以在負(fù)荷不停電的情況下完成無(wú)沖擊電流的電源切換操作。
1 主電路拓?fù)?/strong>
本文設(shè)計(jì)的電源平滑切換裝置主電路拓?fù)淙鐖D1所示。
圖1中I、II分別表示I電源和II電源的母線，K1負(fù)載分別通過(guò)s5、s6開(kāi)關(guān)連接于I、II電源，通過(guò)s4連接于變流器J1，變流器J1分別通過(guò)s1、s2連接于I、II電源。同樣的連接方式可以擴(kuò)展到之后的K2等負(fù)載。
2 工作原理
變流器J1是整個(gè)切換裝置的核心部分，通過(guò)利用變流器可靈活調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值、相位、頻率的特點(diǎn)，完成負(fù)載在新、舊電源之間的平滑的功率交接。下面首先通過(guò)介紹裝置的切換流程理解裝置的工作原理，然后具體講解圖1的切換過(guò)程，如圖2所示。
圖2展示了裝置的切換流程，變流器將新電源的交流電通過(guò)整流成直流，再逆變并網(wǎng)到舊電源，此時(shí)構(gòu)建了新、舊電源同時(shí)供電模式。逐漸增大變流器功率輸出，減小舊電源功率輸出，當(dāng)舊電源功率接近零時(shí)，斷開(kāi)舊電源，負(fù)載離網(wǎng)運(yùn)行，由變流器獨(dú)立供電。改變變流器輸出電壓的幅值、相位和頻率，使其與新電源相同，當(dāng)達(dá)到和新電源的并網(wǎng)條件時(shí)并入新電源，變流器再次并網(wǎng)運(yùn)行。逐漸減小變流器輸出，最終閉鎖變流器，并將變流器與電源和負(fù)載斷開(kāi)，平滑切換成功完成。在切換過(guò)程中變流器經(jīng)歷了并網(wǎng)-離網(wǎng)-并網(wǎng)-脫離四個(gè)階段。
3 不同母線電源間的平滑切換應(yīng)用
圖1展示了裝置完成不同母線電源間平滑切換的一種應(yīng)用實(shí)例，假設(shè)K1初始時(shí)工作于I母線，s5處在合位，s6拉開(kāi)，s1、s2、s3、s4為拉開(kāi)狀態(tài)，切換目標(biāo)為K1負(fù)載從I母線切換至II母線供電，則進(jìn)行如下的操作：
（1）合上s2，啟動(dòng)變流器，調(diào)節(jié)變流器輸出電壓，使其相位、幅值、頻率與I母線電壓相同。
（2）合上s4，K1電流由s5和變流器同時(shí)提供。
（3）增加變流器電流輸出，減少s5上流過(guò)的電流到零附近。
（4）斷開(kāi)s5，負(fù)荷由變流器獨(dú)立供電。
（5）改變變流器L2輸出端的電壓幅值和相位，使其與II母線電壓幅值、相位、頻率相同。
（6）合上s5，K1電流由s6和變流器同時(shí)供電。
（7）閉鎖變流器，斷開(kāi)s4，s2，變流器退出供電，K1線路由I母線獨(dú)立供電，切換完畢。
（8）用同樣的流程可以完成K2在I、II母線之間的平滑切換。
4 解決低壓三相不平衡的方案
低壓三相不平衡的根本原因是接入不同相的負(fù)荷功率不同，通過(guò)切換單相分支的供電相可以達(dá)到調(diào)節(jié)三相負(fù)荷不平衡的目的。傳統(tǒng)的換相裝置首先斷開(kāi)舊相電源再接通新相電源，換相過(guò)程中存在一定時(shí)間的停電，通過(guò)應(yīng)用本文中的平滑切換裝置，可以在保證供電可靠性的情況下，完成不同相電源之間的平滑供電切換。
圖3展示了三相不平衡解決方案的電路拓?fù)鋱D，假設(shè)初始時(shí)刻s4閉合，其他開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，負(fù)荷工作于A相，切換目標(biāo)是將負(fù)荷從A相供電切換至B相供電。切換程序如下：
（1）合上s2，啟動(dòng)變流器，調(diào)節(jié)變流器輸出電壓，使其相位、幅值、頻率與A相電壓相同。
（2）合上s7，負(fù)荷由變流器和s4同時(shí)供電。
（3）增加變流器有功、無(wú)功輸出，減少s4上流過(guò)的電流到零。
（4）斷開(kāi)s4，負(fù)荷由變流器獨(dú)立供電。
（5）改變變流器L2輸出端的電壓幅值和相位，使其接近B相電壓幅值和相位。
（6）合上s5，負(fù)荷由s5和變流器同時(shí)供電。
（7）閉鎖變流器，斷開(kāi)s7，s2，變流器退出供電，負(fù)荷由B相獨(dú)立供電，切換完畢。
5 電源平滑切換裝置的應(yīng)用意義
歸結(jié)起來(lái)，該裝置具有如下的應(yīng)用意義：
（1）減少因電源倒切造成的負(fù)荷停電；
（2）避免了聯(lián)絡(luò)（合環(huán)）操作造成的電源之間及電源對(duì)負(fù)荷的沖擊。
（3）該裝置切換過(guò)程中，在開(kāi)關(guān)每次開(kāi)通和斷開(kāi)時(shí)，兩側(cè)的電壓可以認(rèn)為相同，流過(guò)的電流為零，不會(huì)產(chǎn)生弧光放電，因此切換裝置可以很好地保護(hù)開(kāi)關(guān)，避免弧光放電對(duì)觸頭及絕緣氣體的損傷和消耗，延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)壽命。
（4）通過(guò)該裝置可以完成異步電源甚至不同頻率電源之間的切換。
6 結(jié)論
本文介紹了一種基于電力電子變流器的電源平滑切換裝置，重點(diǎn)介紹了其主電路拓?fù)浼肮ぷ髁鞒毯驮怼Ｆ交袚Q裝置充分利用了變流器輸出的電壓、電流可靈活調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，通過(guò)并網(wǎng)-離網(wǎng)-并網(wǎng)-脫離的工作流程，完成了兩個(gè)電源不間斷供電情況下的平滑切換。該平滑切換裝置可以在變壓器負(fù)荷轉(zhuǎn)移、調(diào)節(jié)三相不平衡等場(chǎng)合下得到應(yīng)用。