一種連續供電系統雙電源快速柔性切換方法*

周學斌，李曉明，楊俊杰，路書敏，黃建明，余先勇

（1.武漢大學 電氣工程學院，武漢430072；2.河北旭陽焦化有限公司，河北 定州073000）

0 引 言

焦化生產行業是耗能高、環境污染嚴重的行業，除需要滿足國家環保部門有關正常生產過程的排氣、排水和排塵的環保指標要求外，更重要、更困難的是確保安全、可靠、連續、環保生產，防止煤氣異常排放。煤氣鼓風機擔負著焦爐煤氣的正常輸送和控制焦爐集氣管壓力的任務［1］。

目前在工業領域節能技術種類很多，而液力調速節能實現方便、節能效果顯著而受到廣泛的重視和應用［2-5］。特別在電力、鋼鐵、礦山及石油化工等行業廣泛應用調速型液力偶合器進行調速，在節能降耗方面取得了很好的效果［6-9］。煤氣鼓風機通過液力偶合器進行調速，液力偶合器安裝在異步電動機和鼓風機的增速器之間，可以在電動機速度恒定的情況下無級地調節鼓風機的轉速［1］。調速型液力偶合器的工作液是隨工況的變化需求而調節變化，通過輔助油泵改變偶合器工作腔中充油量，達到調節輸出轉速的目的。當工作腔的進、出口流量qj和qc相等時，液力偶合器工作腔充液量將保持不變，欲使工作腔中的充液量變化，則需使工作腔的進、出口流量qj和qc不相等。

實際焦化生產過程的復雜性以及電網供電質量和企業內部電能質量存在的問題，主要由短路故障、雷擊等引起的電壓跌落，以及電源切換操作不成功，導致煤氣鼓風機輔助油泵電壓保護動作跳閘，工作腔進、出口流量qj和qc將不相等，引起煤氣鼓風機轉速不能適應工況變化需求，引起風機的風量、風壓調節困難，被迫使高電壓、大功率煤氣鼓風機及輔助設備（油泵）系統停機，煤氣鼓風機及輔助設備統恢系復正常工作受工藝流程限制，需要20min～40min左右，在此期間，焦化集氣管壓力過大，解壓閥開啟，煤氣通過非正常排氣管向空中排放，從而污染周邊空氣環境。所以采用有效措施，確保焦化煤氣異常排放控制在國家相關標準和規定的允許范圍內刻不容緩。

一類負荷通常采用雙電源供電［10］，本文采用復合開關（機械開關與電力電子開關并聯）在煤氣鼓風機輔助油泵等低壓一類負荷電源正常或發生電壓跌落時，通過協調控制快速（不斷電）柔性（無電弧、無過電壓、無沖擊電流）自動投入備用電源，解決低壓輔助油泵電源正常切換操作不成功或電源電壓跌落引起高壓大功率煤氣鼓風機及輔助設備停機導致煤氣異常排放的問題。

1 協調控制

協調控制主要涉及煤氣鼓風機輔助油泵的1工1備電源的雙源切換控制。為了實現一類低壓負荷安全可靠雙源切換，傳統的機械開關切換控制自身的缺點，很難保證供電可靠性和電能質量。某機械開關快速聯動特性試驗數據如表1所示。

表1 機械開關快速聯動特性試驗數據Tab.1 Test data ofmechanical switch fast linkage characteristics

表1中的試驗數據是在空載的情況下測出的，三相機械開關聯動切換過程存在的問題：（1）無法同期合閘，系統過電壓和過電流不可控；（2）試驗數據為空載狀態測出，帶實際負荷后分閘時間延長，合閘間隔會縮短，可能導致故障擴大；（3）未考慮故障診斷時間，一般需要一個周期，至少半個周期；（4）機械開關的離散性使分閘和合閘時間準確控制很困難；（5）由于無法準確控制開關合分時刻，當機械開關分閘截流時，di/dt很大，感性負荷產生很高的電壓，可能造成設備的損壞；（6）為了避免故障擴大，先分后合，即使機械開關空載配合加上故障檢測時間至少需要35 ms～42 ms（滅弧暫態時間一般2至3個周期除外）。

為克服傳統機械開關切換過程中的缺點，低壓輔助油泵雙源切換控制采用復合開關控制技術。利用電力電子開關在機械開關斷開和閉合過程中分流、鉗壓作用，實現機械開關迅速斷開和閉合完成雙電源快速柔性切換，保證用戶設備的正常運行。電力電子開關和機械開關協調控制，電力電子開關用于完成合閘和分閘動作工作狀態，機械開關用于完成正常運行工作狀態，確保在電源正常切換或電壓跌落情況下油泵的工作電源與備用電源快速柔性切換。

雙源切換協調控制采用電力電子開關及智能控制技術，自動檢測工作電源和備用電源的工作狀態，當工作電源電壓跌落時，自動將備用電源不斷電地平穩倒換為工作狀態，而將工作電源退出，故障消除后，可以根據需要進行狀態恢復操作。

1.1 協調控制步驟

煤氣鼓風機輔助油泵雙源切換控制系統結構圖如圖1所示。

圖1 煤氣鼓風機輔助油泵雙源切換控制系統結構圖Fig.1 Structure diagram of double switching control system in gas blower auxiliary oil pump

雙電源為暗備用接線方式向負荷M油泵供電，通過復合開關實現工作電源與備用電源間快速柔性切換。

工作電源正常或電壓跌落切換為備用電源步驟：（1）協調控制器給復合開關1中三相電力電子開關VT12發觸發脈沖，發斷開機械開關QF11命令斷開QF11，停止給 VT12發觸發脈沖；（2）VT12斷開后協調控制器給復合開關2中三相電力電子開關VT22發觸發脈沖閉合VT22；（3）協調控制器發閉合機械開關QF21命令閉合QF21；（4）協調控制器停止給 VT22發觸發脈沖斷開VT22。

協調控制器接收到電源正常切換操作命令或檢測到工作電源電壓跌落，通過協調控制器進行雙源切換控制。首先協調控制器給復合開關1中三相電力電子開關VT12發觸發脈沖，同時發斷開機械開關QF11命令，機械開關QF11一旦斷開，VT12兩端建立起正向電壓立刻導通，工作電源經VT12給負荷M油泵供電，機械開關QF11斷開不會因電流突變產生過電壓。之后，協調控制器停止給VT12發觸發脈沖，VT12三相在電流過零點自動斷開不產生過電壓。三相VT12全部斷開后，協調控制器給復合開關2中三相電力電子開關VT22發觸發脈沖，兩端存在正向電壓立刻導通，但VT22長時間導通發熱嚴重，縮短開關壽命，影響設備正常運行。協調控制器發閉合機械開關QF21命令，機械開關QF21閉合后協調控制器停止給VT22發觸發脈沖，VT22三相在電流過零點自動斷開不產生過電壓，負荷M油泵由備用電源經機械開關QF21供電，切換結束。

1.2 協調控制時間分析

協調控制器控制雙電源切換時間分析，工作電源發生電壓跌落時，協調控制器快速智能算法檢測出電壓跌落所需時間最長為5 ms，復合開關1中三相電力電子開關VT12斷開時間最長為10 ms，工作電源發生電壓跌落到VT12斷開總時間最長為15 ms+機械開關QF11斷開時間（如6 ms）。復合開關2中三相電力電子開關VT22閉合時間為0 ms，斷開時間最長為10 ms，VT22從閉合到斷開所需總時間最長為10 ms+機械開關QF21閉合時間（如16 ms），整個切換過程所需時間最長為25 ms+機械開關QF11斷開時間+機械開關QF21閉合時間=47 ms。負荷M油泵處在電壓不正常狀態時間最長為VT12斷開總時間，即15 ms+機械開關QF11斷開時間=21 ms遠小于機械開關切換時間。工作電源正常切換時，整個切換過程所需時間比工作電源發生電壓跌落時少了5 ms檢測時間，總時間最長為20 ms+機械開關QF11斷開時間+機械開關QF21閉合時間=42 ms。負荷M油泵處在電壓不正常狀態時間最長為10 ms，即VT12最長斷開時間。

1.3 協調控制信息流

為了適應設備間互操作性，面向未來需求的開放性、可擴展性以及海量電物理量輕型傳輸的需要，采用IEC 61850通信標準來描述各信息流的性質與含義。IEC 61850采用面向對象建模、設備間傳輸服務采用抽象通信服務接口和特殊通信服務映射等諸多先進技術。2009年底，IEC 61850第2版發布，至此，IEC 61850成為智能電網技術通信領域最為重要的基礎標準［11］。協調控制器控制雙電源切換各LN協作如圖2所示。

圖2 協調控制器控制雙電源切換各LN協作圖Fig.2 LN collaboration diagram of the coordinated controller controls the double power switch

協作圖括號中數字代表協調控制器操作順序及信息類別，電力電子開關沒有切斷短路電流的能力，用邏輯接點XSWI表示。協調控制器控制類模型采用帶增強安全機制的選擇后操作（SBOW）防止＂防空程＂發生，確保控制操作正確執行。

TVTR和TCTR用STIM來實現同步采樣信息（Ⅰ），MMXU測量電壓和電流模擬量信息（Ⅱ）SV報文，經過海量電物理量輕型傳輸機制處理，將反映電物理量的特征信息信息（Ⅲ）MMS報文傳輸給IHMI，大大減少了傳輸數據量，減輕了網絡負擔，通過特征信息向量編碼可以節省存儲空間，對數據存取非常方便。

工作電源電壓跌落切換為備用電源主要信息流分析，欠電壓保護PTUV接收TVTR1采集的電壓模擬量信息（1）SV報文，PTUV中快速智能算法檢測出電壓跌落主要特征參數：電壓暫降幅值、持續時間和相位跳變。PTUV發出信息（2）MMS報文啟動GAPC進行順序過程控制GAPC.SPCSO.ctlVal=on。GAPC發出控制信息（4）MMS報文發出控制信息（5）GOOSE報文XSWI12.Pos.ctlVal=on，給三相電力電子開關VT12發觸發脈沖，觸發脈沖參數設置為：pulseConfig.cmdQual=persistent，停止給VT12發觸發脈沖條件是XCBR11位置狀態為斷開，即XCBR11位置狀態信息（8）GOOSE報文XCBR11.Pos.stVal=off。GAPC在發出控制信息（4）同時發出控制信息（6）MMS報文發出控制信息（7）GOOSE報文XCBR11.Pos.ctlVal=off斷開機械開關QF11，機械開關QF11位置斷開狀態信息（8）GOOSE報文傳輸給GAPC，三相電力電子開關VT12位置閉合狀態信息（10）GOOSE報文XSWI12.Pos.stVal=on傳輸給GAPC。GAPC發控制信息（12）MMS報文ctlVal=off，CSWI12發出控制信息（13）GOOSE報文XSWI12.Pos.ctlVal=off，停止給VT12發觸發脈沖，電力電子開關VT12三相在電流過零點自動斷開，位置斷開狀態信息（14）GOOSE報文XSWI12.Pos.stVal=off傳輸給GAPC。GAPC發控制信息（16）MMS報文而CSWI22發出控制信息給XSWI22需進行互鎖檢查CSWI22.Pos.Check.interlockcheck=TRUE，即當機械開關QF6位置狀態信息（17）GOOSE報文XCBR6.Pos.stVal=on時，聯鎖信息（18）GOOSE報文CILO.EnaCls.stVal=TRUE，當機械開關QF6位置狀態信息（17）GOOSE報文XCBR6.Pos.stVal=off時，聯鎖信息（18）GOOSE報文 CILO.EnaCls.stVal=FALSE，同時CALH發出報警信號信息（20）MMS報文用于提醒工作人員。互鎖檢查CILO.EnaCls.stVal=TRUE時，CSWI22.Op-Cls.general=TURE，CSWI22發控制信息（21）GOOSE報文XSWI22.Pos.ctlVal=on，給三相電力電子開關VT22發觸發脈沖，停止給VT22發觸發脈沖條件是XCBR21位置狀態為閉合，即XCBR21位置狀態信息（28）GOOSE報文XCBR21.Pos.stVal=on，XSWI22位置閉合狀態信息（22）GOOSE報文 XSWI22.Pos.stVal=on傳輸給 GAPC。GAPC發控制信息（24）MMS報文發報警信號信息（27）MMS報文用于提醒工作人員。電力電子開關長時間導通發熱嚴重，正常運行工作狀態時切換為機械開關導通而電力電子開關斷開。機械開關QF21位置閉合狀態信息（28）GOOSE報文XCBR21.Pos.stVal=on傳輸給GAPC，同時CALH撤銷報警信號信息（30）MMS報文GAPC發控制信息（32）MMS報文斷開電力電子開關VT22，XSWI22位置斷開狀態信息（34）GOOSE報文XSWI22.Pos.stVal=off傳輸給GAPC切換結束。

雙電源正常切換是人機接口IHMI發出的控制操作命令信息（1'）啟動GAPC順序過程控制，其余信息流過程與工作電源電壓跌落切換為備用電源相同。

2 實例分析

用Matlab中的Simulink工具包仿真協調控制器進行工作電源電壓跌落快速柔性切換為備用電源操作，確保低壓一類負荷正常連續供電。電壓跌落發生具有不確定性，且持續時間較短，因此快速、準確的檢測出電壓跌落要求檢測算法具有較高實時性。一般來講電壓跌落的定義是：供電電壓有效值快速下降到額定值的90% ～10%，持續時間為10 ms～1 min［12］。目前電力系統電壓跌落的檢測方法主要包括有效值法、峰值電壓法等時域檢測方法和基于變換域dq變換、αβ變換方法等［13］。有效值法和峰值法因為需要半周期數據，實時性最差，αβ變換法有1/4周期延時，實時性較差，但有效值法、峰值法和αβ變換法抗干擾性能好，效果最穩定，而改進αβ變換法和改進能量算子法的實時性最好但抗噪性能差，本文電壓跌落檢測算法選用αβ變換法［14-15］。

從圖中知t=0.083 28 s時，αβ變換法檢測出工作電源電壓U=198 V，檢測出工作電源發生電壓跌落所需時間t=3.28 ms。機械開關斷開所用時間t=6 ms，機械開關合閘所用時間t=16 ms，機械開關在t=0.105 28 s合閘于備用電源，用機械開關進行工作電源電壓跌落切換為備用電源負荷側A相電流、電壓波形如圖4所示。

圖3 αβ變換法檢測工作電源電壓跌落Fig.3 Alpha beta test the voltage drop of power supply

圖4 機械開關進行工作電源電壓跌落切換為備用電源負荷側A相電流、電壓波形Fig.4 Load side A phase current，voltage waveform of power supply voltage drop switch to emergency power supply with mechanical switch

從圖知機械開關斷開時，因iA≠0 A，uA產生約8倍過電壓，同理B相和C相也不同程度產生過電壓，嚴重損壞電氣設備絕緣、縮短電氣壽命，影響設備正常運行。為了防止機械開關斷開時產生過電壓，采用復合開關（機械開關與電力電子開關并聯）中電力電子開關在電流過零點時自動斷開，t=0.089 28 s停止給三相電力電子開關VT12發觸發脈沖，當i=0 A時自動斷開后立刻觸發三相電力電子開關VT22，由備用電源經VT22給負荷供電，用復合開關進行工作電源電壓跌落切換為備用電源負荷側電流、電壓波形如圖5所示。

從圖知t=0.097 08 s時，VT12斷開沒有產生過電壓，斷開總耗時t=0.097 08-0.089 28=7.8 ms＜10 ms。t=0.097 08 s VT22瞬間合閘，沒有產生沖擊電流、過電壓。之后，將機械開關閉合，正常運行工作狀態由機械開關導通，斷開VT22，避免電力電子開關長時間導通，發熱嚴重損壞設備。工作電源電壓跌落負荷電壓處于不正常狀態時間是t1=0.097 08-0.08=17.08 ms。工作電源正常切換為備用電源負荷電壓處于缺相狀態時間是t2=0.097 08-0.092 09=4.99 ms。

3 結束語

提出了一種連續供電系統雙電源快速柔性切換方法，該方法利用電力電子開關在機械開關斷開和閉合過程中分流、鉗壓作用，實現機械開關迅速斷開和閉合完成雙電源快速柔性切換，保證用戶設備的正常運行。電力電子開關用于完成合閘和分閘動作工作狀態，機械開關用于完成正常運行工作狀態。協調控制器利用IEC 61850信息模型協調控制實現雙電源快速柔性切換，適應電網未來發展。實例分析結果表明，利用復合開關進行雙電源快速切換，切換過程中不產生沖擊電流、過電壓，保證設備正常運行。所述方法對實際雙電源快速切換具有一定指導意義。