基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統的思考

許峰

摘要：內部發電機的啟動需要蓄電池供電才能夠正常開啟，當蓄電池損壞或電力耗盡后，發電機就無法啟動，此時可能會導致長時間的停工。因此只能夠通過設計一套簡單的自動調換控制設備從而實現發主用電池和備用電池的自動切換。

關鍵詞：ATS;發電機主備電池;自動切換;控制系統

近些年來隨著我國工業水平的不斷提升，工業自動化、智能化水平越來越高，多數大型電氣設備已經基本實現自動化控制。電力系統作為工業生產最重要的環節，但是外部供電容易受到雷電天氣等外部因素的影響，因此內部發電機需要在外電中斷時啟用。

一、基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統設計

1.設計原理

發電機啟動之后蓄電池的電壓會略微下降，一般來說12V電壓降低幅度不會低于10V，因此在啟動瞬間可以通過電壓評估來判斷發電機是否需要更換備用電池。本次研究提出的基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統能夠通過以下流程確定是否需要更滑備用電池：①若電池的電壓<10V，系統延遲20s啟動，若發電機正常啟動則主電池系統復位。②若20s后發電機無輸出，則更換備用電池。③發電機再次啟動，判斷備用電池電壓情況并延遲20s啟動，若發電機正常啟動則備用電池復位。④若20s后發電機無輸出，則切換至并聯模式，蓄電池并聯能夠提高其容量，但是并聯在一定程度上會造成電池損耗，甚至引起短路的問題，因此并聯時間不能過長，并聯2min后切斷復位。總體來說，基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統主要是通過電壓評估以及自動化控制來實現主備電池的切換。

2.設計方法

基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統具體的控制方案為：①使用單片機實現，包括AD轉換器、時鐘及繼電器等模版;②采用定時開關與比較器的組合方式。第一種方法需要編制特定的程序，而第二種方法可以使用市場中現有的定時開關與比較器組合的方式，成本相對較低且無需編程，通過按鍵即可進行控制，因此本次研究主要是采用第二種方法。

一般情況下發電機蓄電池的電壓為12V，但是發電器啟動時需要的瞬間電流為1000A，因此可以采取不同的方法：①使用繼電器，但是繼電器的電壓不穩定，且繼電器故障發生后不便更換;②使用自動轉換開關電器，即ATS，可以將ATS裝在應急供電系統中，將負荷電路從主電源切換至備用電源開關電器。ATS切斷主電路之后能夠自行切換至備用電路。因此本次研究中主要是使用ATS設備完成電池切換和緊急并聯功能。

二、基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統結構

基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統主要是由ATS切換模版、定時開關與電壓比較器的組合控制模版以及電源模版組成。

1.ATS切換模版

發電機組是確保生產安全的重要設備，為了確保發電機啟動時有足夠的電能供應，每個發電機組通常都配備了主蓄電池和備用蓄電池，當主蓄電池無法正常供電時會影響發電機的啟動，此時就需要切換至備用電池進行供電。但是目前大多數發電機組主備用電池切換通常是采用雙向閘刀實現，需要工作人員判斷是否為蓄電池故障，若確定為蓄電池故障，需要手動切換電池再開啟發電機，這種方法無疑增加了工作人員的工作量，對生產也造成了一定的影響。因此本次研究主要是通過設計基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統，其中ATS切換模版主要是由主備用電池、防反二極管、兩個ATS切換開關組成，其中一個ATS切換開關主要是用于主備用電池的切換，另一個則是用于電池的應急并聯，防反二極管則主要是為了預防人為操作不當導致主備電池并聯引起的電池損傷。

2.定時開關與電壓比較器的組合控制模版

電壓比較器有兩個輸入端和一個輸出端，輸入端用“+”表示，輸出端用“-”表示。在比較兩個電壓時，參考電壓為任意輸入端加固定電壓，另一端則加比較電壓。當輸出端電壓高于輸入端電壓時，則斷開輸出管。當輸入端電壓高出輸出端時，輸出管處于飽和狀態，相當于接低電壓，若輸入端電壓差>10mV即可進行自動切換。因此，使用電壓比較器進行弱電信號檢測具有較好的應用效果。控制器是最核心的元件，主要負責電池數據采集，比較輸出量和輸出量，繼電器則負責線路的通斷，從而完成主電池與備用電池的切換，繼電器負責控制面板并顯示電池指示燈;控制器能夠通過向控制機發送設備狀態、參數、性能以及故障情況。當自動控制系統發生故障之后能夠快速切換至備用電池，ATS能夠實現電路的切換，二極管則主要是為了避免線路過壓造成的設備損壞。電池在工作狀態下控制器能夠對供電電壓進行采集，電壓若處于預設數值范圍內，輸出口則處于低電平狀態，繼電器則不工作。當需要啟動發電機時，控制器輸出高電平，發電機組打開后，斷開電源并連接主蓄電池。若控制器輸出高電平，繼電器接觸線包通電之后，發電機與電池接通完成啟動。控制器若采集到電壓超限時會輸出高電平，繼電器通電后常開點關閉，若需要啟動發電機，需要控制機輸出高電平，繼電器線包通電并接通電池，發電機即可啟動。若連接線路損壞無法進行自動切換，或手動切換開關無法進行自動切換時，可以將ATS開關置于備用電池端，直接將備用蓄電池電能供應給發電機，從而完成發電機的啟動，能夠達到快速響應的要求。發電機啟動電流相對較高，且發電機功率越高，電流越大，因此在其他設備選擇方面需要滿足電流容量要求，要能夠滿足發電機線路容量。

ATS切換開關采用220V交流電，功率相對較低，可以直接將主電路切換至備用電路供電。當主電路供電切斷后，ATS切換開關會自行切換至備用電路。因此只需要中斷主電路，就能夠進行ATS切換，實現主備用電路的切換。當檢測到主電池電壓<10V時，定時開關控制繼電器延遲20s啟動，若發電機此時有輸出即可復位，若沒有輸出則切斷主電路并切換至備用電路。應急并聯的啟動需要在自動切換的基礎上加入外接繼電器實現，只有主備電池自動切換后才能夠緊急并聯2min后斷開繼電器，恢復正常運行狀態，避免電池損傷。

2.3電源模塊

主要是由主電池和備用電池組成。基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統能夠實現自動和手動切換電池，同時具有電池故障警告以及電池電壓顯示功能，能夠警示工作人員。

三、 結束語

急供電設備ATS柜能夠確保在市電供出現故障時，發電機組會自起動并在要求的時間（3-10S可調）內對負載供電，當市電恢復后，又自動地切換為市電供電，發電機組則經過一冷機時間自動停機。機組自啟動控制系統及與市電轉換功能：在備用待命狀態下（即平時市電供電），市電接入自啟動控制屏，自動控制屏內的自動浮充電器保持機組啟動蓄電池正常的充電狀態，使其能夠隨時隨刻啟動機組。在電網斷電或臨時故障時，自啟動控制屏起動發電機組，發電機組起動成功后，自啟動控制屏控制自動切換柜（ATS）的轉換開關，切換供電電路。在市電恢復正常后，自動控制屏控制自動切換柜再次切換供電電路，恢復由電網供電，同時控制發動機空載運行至發動機溫度平衡并降低后，自動控制發電機組停機。基于ATS的發電機主備電池自動切換控制系統能夠實現發電機組主備用電池的自動切換，從而提高備用電池供電的自動化與智能化水平，利用ATS技術對現有的切換控制模版進行改造，對于優化發電機自動化控制系統具有重要意義，從而完善現有遠程監控系統。

參考資料：

1 唐釀;盛超;陳萌;翁洪杰;陳銳;陶順;; ATS的發電機主備電池自動切換控制系統綜述[J];南方電網技術;2016年11期

2 孫彤;;分布式發電中的虛擬同步發電機技術探討[J];中國高新技術企業;2017年02期