一种连续供电系统双电源快速柔性切换方法*

周学斌，李晓明，杨俊杰，路书敏，黄建明，余先勇

（1.武汉大学 电气工程学院，武汉430072；2.河北旭阳焦化有限公司，河北 定州073000）

0 引 言

焦化生产行业是耗能高、环境污染严重的行业，除需要满足国家环保部门有关正常生产过程的排气、排水和排尘的环保指标要求外，更重要、更困难的是确保安全、可靠、连续、环保生产，防止煤气异常排放。煤气鼓风机担负着焦炉煤气的正常输送和控制焦炉集气管压力的任务［1］。

目前在工业领域节能技术种类很多，而液力调速节能实现方便、节能效果显著而受到广泛的重视和应用［2-5］。特别在电力、钢铁、矿山及石油化工等行业广泛应用调速型液力偶合器进行调速，在节能降耗方面取得了很好的效果［6-9］。煤气鼓风机通过液力偶合器进行调速，液力偶合器安装在异步电动机和鼓风机的增速器之间，可以在电动机速度恒定的情况下无级地调节鼓风机的转速［1］。调速型液力偶合器的工作液是随工况的变化需求而调节变化，通过辅助油泵改变偶合器工作腔中充油量，达到调节输出转速的目的。当工作腔的进、出口流量qj和qc相等时，液力偶合器工作腔充液量将保持不变，欲使工作腔中的充液量变化，则需使工作腔的进、出口流量qj和qc不相等。

实际焦化生产过程的复杂性以及电网供电质量和企业内部电能质量存在的问题，主要由短路故障、雷击等引起的电压跌落，以及电源切换操作不成功，导致煤气鼓风机辅助油泵电压保护动作跳闸，工作腔进、出口流量qj和qc将不相等，引起煤气鼓风机转速不能适应工况变化需求，引起风机的风量、风压调节困难，被迫使高电压、大功率煤气鼓风机及辅助设备（油泵）系统停机，煤气鼓风机及辅助设备统恢系复正常工作受工艺流程限制，需要20min～40min左右，在此期间，焦化集气管压力过大，解压阀开启，煤气通过非正常排气管向空中排放，从而污染周边空气环境。所以采用有效措施，确保焦化煤气异常排放控制在国家相关标准和规定的允许范围内刻不容缓。

一类负荷通常采用双电源供电［10］，本文采用复合开关（机械开关与电力电子开关并联）在煤气鼓风机辅助油泵等低压一类负荷电源正常或发生电压跌落时，通过协调控制快速（不断电）柔性（无电弧、无过电压、无冲击电流）自动投入备用电源，解决低压辅助油泵电源正常切换操作不成功或电源电压跌落引起高压大功率煤气鼓风机及辅助设备停机导致煤气异常排放的问题。

1 协调控制

协调控制主要涉及煤气鼓风机辅助油泵的1工1备电源的双源切换控制。为了实现一类低压负荷安全可靠双源切换，传统的机械开关切换控制自身的缺点，很难保证供电可靠性和电能质量。某机械开关快速联动特性试验数据如表1所示。

表1 机械开关快速联动特性试验数据Tab.1 Test data ofmechanical switch fast linkage characteristics

表1中的试验数据是在空载的情况下测出的，三相机械开关联动切换过程存在的问题：（1）无法同期合闸，系统过电压和过电流不可控；（2）试验数据为空载状态测出，带实际负荷后分闸时间延长，合闸间隔会缩短，可能导致故障扩大；（3）未考虑故障诊断时间，一般需要一个周期，至少半个周期；（4）机械开关的离散性使分闸和合闸时间准确控制很困难；（5）由于无法准确控制开关合分时刻，当机械开关分闸截流时，di/dt很大，感性负荷产生很高的电压，可能造成设备的损坏；（6）为了避免故障扩大，先分后合，即使机械开关空载配合加上故障检测时间至少需要35 ms～42 ms（灭弧暂态时间一般2至3个周期除外）。

为克服传统机械开关切换过程中的缺点，低压辅助油泵双源切换控制采用复合开关控制技术。利用电力电子开关在机械开关断开和闭合过程中分流、钳压作用，实现机械开关迅速断开和闭合完成双电源快速柔性切换，保证用户设备的正常运行。电力电子开关和机械开关协调控制，电力电子开关用于完成合闸和分闸动作工作状态，机械开关用于完成正常运行工作状态，确保在电源正常切换或电压跌落情况下油泵的工作电源与备用电源快速柔性切换。

双源切换协调控制采用电力电子开关及智能控制技术，自动检测工作电源和备用电源的工作状态，当工作电源电压跌落时，自动将备用电源不断电地平稳倒换为工作状态，而将工作电源退出，故障消除后，可以根据需要进行状态恢复操作。

1.1 协调控制步骤

煤气鼓风机辅助油泵双源切换控制系统结构图如图1所示。

图1 煤气鼓风机辅助油泵双源切换控制系统结构图Fig.1 Structure diagram of double switching control system in gas blower auxiliary oil pump

双电源为暗备用接线方式向负荷M油泵供电，通过复合开关实现工作电源与备用电源间快速柔性切换。

工作电源正常或电压跌落切换为备用电源步骤：（1）协调控制器给复合开关1中三相电力电子开关VT12发触发脉冲，发断开机械开关QF11命令断开QF11，停止给 VT12发触发脉冲；（2）VT12断开后协调控制器给复合开关2中三相电力电子开关VT22发触发脉冲闭合VT22；（3）协调控制器发闭合机械开关QF21命令闭合QF21；（4）协调控制器停止给 VT22发触发脉冲断开VT22。

协调控制器接收到电源正常切换操作命令或检测到工作电源电压跌落，通过协调控制器进行双源切换控制。首先协调控制器给复合开关1中三相电力电子开关VT12发触发脉冲，同时发断开机械开关QF11命令，机械开关QF11一旦断开，VT12两端建立起正向电压立刻导通，工作电源经VT12给负荷M油泵供电，机械开关QF11断开不会因电流突变产生过电压。之后，协调控制器停止给VT12发触发脉冲，VT12三相在电流过零点自动断开不产生过电压。三相VT12全部断开后，协调控制器给复合开关2中三相电力电子开关VT22发触发脉冲，两端存在正向电压立刻导通，但VT22长时间导通发热严重，缩短开关寿命，影响设备正常运行。协调控制器发闭合机械开关QF21命令，机械开关QF21闭合后协调控制器停止给VT22发触发脉冲，VT22三相在电流过零点自动断开不产生过电压，负荷M油泵由备用电源经机械开关QF21供电，切换结束。

1.2 协调控制时间分析

协调控制器控制双电源切换时间分析，工作电源发生电压跌落时，协调控制器快速智能算法检测出电压跌落所需时间最长为5 ms，复合开关1中三相电力电子开关VT12断开时间最长为10 ms，工作电源发生电压跌落到VT12断开总时间最长为15 ms+机械开关QF11断开时间（如6 ms）。复合开关2中三相电力电子开关VT22闭合时间为0 ms，断开时间最长为10 ms，VT22从闭合到断开所需总时间最长为10 ms+机械开关QF21闭合时间（如16 ms），整个切换过程所需时间最长为25 ms+机械开关QF11断开时间+机械开关QF21闭合时间=47 ms。负荷M油泵处在电压不正常状态时间最长为VT12断开总时间，即15 ms+机械开关QF11断开时间=21 ms远小于机械开关切换时间。工作电源正常切换时，整个切换过程所需时间比工作电源发生电压跌落时少了5 ms检测时间，总时间最长为20 ms+机械开关QF11断开时间+机械开关QF21闭合时间=42 ms。负荷M油泵处在电压不正常状态时间最长为10 ms，即VT12最长断开时间。

1.3 协调控制信息流

为了适应设备间互操作性，面向未来需求的开放性、可扩展性以及海量电物理量轻型传输的需要，采用IEC 61850通信标准来描述各信息流的性质与含义。IEC 61850采用面向对象建模、设备间传输服务采用抽象通信服务接口和特殊通信服务映射等诸多先进技术。2009年底，IEC 61850第2版发布，至此，IEC 61850成为智能电网技术通信领域最为重要的基础标准［11］。协调控制器控制双电源切换各LN协作如图2所示。

图2 协调控制器控制双电源切换各LN协作图Fig.2 LN collaboration diagram of the coordinated controller controls the double power switch

协作图括号中数字代表协调控制器操作顺序及信息类别，电力电子开关没有切断短路电流的能力，用逻辑接点XSWI表示。协调控制器控制类模型采用带增强安全机制的选择后操作（SBOW）防止＂防空程＂发生，确保控制操作正确执行。

TVTR和TCTR用STIM来实现同步采样信息（Ⅰ），MMXU测量电压和电流模拟量信息（Ⅱ）SV报文，经过海量电物理量轻型传输机制处理，将反映电物理量的特征信息信息（Ⅲ）MMS报文传输给IHMI，大大减少了传输数据量，减轻了网络负担，通过特征信息向量编码可以节省存储空间，对数据存取非常方便。

工作电源电压跌落切换为备用电源主要信息流分析，欠电压保护PTUV接收TVTR1采集的电压模拟量信息（1）SV报文，PTUV中快速智能算法检测出电压跌落主要特征参数：电压暂降幅值、持续时间和相位跳变。PTUV发出信息（2）MMS报文启动GAPC进行顺序过程控制GAPC.SPCSO.ctlVal=on。GAPC发出控制信息（4）MMS报文发出控制信息（5）GOOSE报文XSWI12.Pos.ctlVal=on，给三相电力电子开关VT12发触发脉冲，触发脉冲参数设置为：pulseConfig.cmdQual=persistent，停止给VT12发触发脉冲条件是XCBR11位置状态为断开，即XCBR11位置状态信息（8）GOOSE报文XCBR11.Pos.stVal=off。GAPC在发出控制信息（4）同时发出控制信息（6）MMS报文发出控制信息（7）GOOSE报文XCBR11.Pos.ctlVal=off断开机械开关QF11，机械开关QF11位置断开状态信息（8）GOOSE报文传输给GAPC，三相电力电子开关VT12位置闭合状态信息（10）GOOSE报文XSWI12.Pos.stVal=on传输给GAPC。GAPC发控制信息（12）MMS报文ctlVal=off，CSWI12发出控制信息（13）GOOSE报文XSWI12.Pos.ctlVal=off，停止给VT12发触发脉冲，电力电子开关VT12三相在电流过零点自动断开，位置断开状态信息（14）GOOSE报文XSWI12.Pos.stVal=off传输给GAPC。GAPC发控制信息（16）MMS报文而CSWI22发出控制信息给XSWI22需进行互锁检查CSWI22.Pos.Check.interlockcheck=TRUE，即当机械开关QF6位置状态信息（17）GOOSE报文XCBR6.Pos.stVal=on时，联锁信息（18）GOOSE报文CILO.EnaCls.stVal=TRUE，当机械开关QF6位置状态信息（17）GOOSE报文XCBR6.Pos.stVal=off时，联锁信息（18）GOOSE报文 CILO.EnaCls.stVal=FALSE，同时CALH发出报警信号信息（20）MMS报文用于提醒工作人员。互锁检查CILO.EnaCls.stVal=TRUE时，CSWI22.Op-Cls.general=TURE，CSWI22发控制信息（21）GOOSE报文XSWI22.Pos.ctlVal=on，给三相电力电子开关VT22发触发脉冲，停止给VT22发触发脉冲条件是XCBR21位置状态为闭合，即XCBR21位置状态信息（28）GOOSE报文XCBR21.Pos.stVal=on，XSWI22位置闭合状态信息（22）GOOSE报文 XSWI22.Pos.stVal=on传输给 GAPC。GAPC发控制信息（24）MMS报文发报警信号信息（27）MMS报文用于提醒工作人员。电力电子开关长时间导通发热严重，正常运行工作状态时切换为机械开关导通而电力电子开关断开。机械开关QF21位置闭合状态信息（28）GOOSE报文XCBR21.Pos.stVal=on传输给GAPC，同时CALH撤销报警信号信息（30）MMS报文GAPC发控制信息（32）MMS报文断开电力电子开关VT22，XSWI22位置断开状态信息（34）GOOSE报文XSWI22.Pos.stVal=off传输给GAPC切换结束。

双电源正常切换是人机接口IHMI发出的控制操作命令信息（1'）启动GAPC顺序过程控制，其余信息流过程与工作电源电压跌落切换为备用电源相同。

2 实例分析

用Matlab中的Simulink工具包仿真协调控制器进行工作电源电压跌落快速柔性切换为备用电源操作，确保低压一类负荷正常连续供电。电压跌落发生具有不确定性，且持续时间较短，因此快速、准确的检测出电压跌落要求检测算法具有较高实时性。一般来讲电压跌落的定义是：供电电压有效值快速下降到额定值的90% ～10%，持续时间为10 ms～1 min［12］。目前电力系统电压跌落的检测方法主要包括有效值法、峰值电压法等时域检测方法和基于变换域dq变换、αβ变换方法等［13］。有效值法和峰值法因为需要半周期数据，实时性最差，αβ变换法有1/4周期延时，实时性较差，但有效值法、峰值法和αβ变换法抗干扰性能好，效果最稳定，而改进αβ变换法和改进能量算子法的实时性最好但抗噪性能差，本文电压跌落检测算法选用αβ变换法［14-15］。

从图中知t=0.083 28 s时，αβ变换法检测出工作电源电压U=198 V，检测出工作电源发生电压跌落所需时间t=3.28 ms。机械开关断开所用时间t=6 ms，机械开关合闸所用时间t=16 ms，机械开关在t=0.105 28 s合闸于备用电源，用机械开关进行工作电源电压跌落切换为备用电源负荷侧A相电流、电压波形如图4所示。

图3 αβ变换法检测工作电源电压跌落Fig.3 Alpha beta test the voltage drop of power supply

图4 机械开关进行工作电源电压跌落切换为备用电源负荷侧A相电流、电压波形Fig.4 Load side A phase current，voltage waveform of power supply voltage drop switch to emergency power supply with mechanical switch

从图知机械开关断开时，因iA≠0 A，uA产生约8倍过电压，同理B相和C相也不同程度产生过电压，严重损坏电气设备绝缘、缩短电气寿命，影响设备正常运行。为了防止机械开关断开时产生过电压，采用复合开关（机械开关与电力电子开关并联）中电力电子开关在电流过零点时自动断开，t=0.089 28 s停止给三相电力电子开关VT12发触发脉冲，当i=0 A时自动断开后立刻触发三相电力电子开关VT22，由备用电源经VT22给负荷供电，用复合开关进行工作电源电压跌落切换为备用电源负荷侧电流、电压波形如图5所示。

从图知t=0.097 08 s时，VT12断开没有产生过电压，断开总耗时t=0.097 08-0.089 28=7.8 ms＜10 ms。t=0.097 08 s VT22瞬间合闸，没有产生冲击电流、过电压。之后，将机械开关闭合，正常运行工作状态由机械开关导通，断开VT22，避免电力电子开关长时间导通，发热严重损坏设备。工作电源电压跌落负荷电压处于不正常状态时间是t1=0.097 08-0.08=17.08 ms。工作电源正常切换为备用电源负荷电压处于缺相状态时间是t2=0.097 08-0.092 09=4.99 ms。

3 结束语

提出了一种连续供电系统双电源快速柔性切换方法，该方法利用电力电子开关在机械开关断开和闭合过程中分流、钳压作用，实现机械开关迅速断开和闭合完成双电源快速柔性切换，保证用户设备的正常运行。电力电子开关用于完成合闸和分闸动作工作状态，机械开关用于完成正常运行工作状态。协调控制器利用IEC 61850信息模型协调控制实现双电源快速柔性切换，适应电网未来发展。实例分析结果表明，利用复合开关进行双电源快速切换，切换过程中不产生冲击电流、过电压，保证设备正常运行。所述方法对实际双电源快速切换具有一定指导意义。