專利名稱：一種具有故障環(huán)流抑制作用的固態(tài)開關(guān)切換控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種具有故障環(huán)流抑制作用的固態(tài)開關(guān)切換控制方法，屬于電カ電子在電カ系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和高科技設(shè)備的廣泛應(yīng)用，用戶對(duì)供電質(zhì)量要求不斷提高，電能質(zhì)量問題日益突出。電能質(zhì)量問題直接影響電カ系統(tǒng)的供電安全及用戶設(shè)備的正常運(yùn)行。常見的電能質(zhì)量問題包括電壓跌落及供電短時(shí)中斷，其影響面大和造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，是電カ系統(tǒng)急需解決的問題。固態(tài)開關(guān)利用大功率電カ電子技木，是解決敏感、關(guān)鍵負(fù)荷電カ供應(yīng)最經(jīng)濟(jì)的手段之一。其核心模塊為可控的電カ電子開關(guān)。由于晶閘管具有功率大、性價(jià)比高、穩(wěn)態(tài)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，因此常用于大功率的固態(tài)開關(guān)設(shè)備中。固態(tài)開關(guān)系統(tǒng)根據(jù)電源質(zhì)量的狀態(tài)自動(dòng)將負(fù)載在兩個(gè)電源間進(jìn)行切換。切換的速度決定了負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量。目前ー些敏感負(fù)載要求系統(tǒng)的電壓跌落時(shí)長(zhǎng)不能超過20毫秒，因此切換過程必須在20毫秒內(nèi)完成。但是晶閘管作為半控器件本身不能控制關(guān)斷，只有電流過零后才能關(guān)斷。而電流過零的速度由系統(tǒng)特性決定。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載為感性時(shí)，可能電流過零需要幾秒鐘之久，大大影響切換速度。因此需采用強(qiáng)制切換的控制方法。強(qiáng)制切換方法要求在ー側(cè)電源未關(guān)斷時(shí)即切入另ー側(cè)電源。因?yàn)閮蓚?cè)電源均未和負(fù)載隔離，因而可能發(fā)生電源直連，產(chǎn)生極大故障電流的危險(xiǎn)。若故障電流不可控，很可能導(dǎo)致系統(tǒng)元件永久損壞。本專利提出的切換控制方法可以有效的控制系統(tǒng)電源切換時(shí)因誤判電流狀態(tài)而引起的系統(tǒng)環(huán)流最大值，提高系統(tǒng)安全性和可靠性。固態(tài)開關(guān)是ー種改善供電質(zhì)量的電カ電子設(shè)備，如附圖I所示系統(tǒng)正常時(shí)，負(fù)載在第一電源側(cè)工作；若第一電源發(fā)生故障，則負(fù)載切換到第二電源，當(dāng)?shù)谝浑娫凑?，?fù)載重新切回第一電源。固態(tài)開關(guān)設(shè)備的核心器件為電子開關(guān)Kl和K2。對(duì)于大功率應(yīng)用場(chǎng)合，由于半控型電カ電子器件如晶閘管具有性價(jià)比高，穩(wěn)態(tài)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，因此常被應(yīng)用于該類設(shè)備。晶閘管作為半控器件，其關(guān)斷是不可控的，只有電流過零時(shí)晶閘管才能關(guān)斷。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載為感性時(shí)，由于電流過零較慢，晶閘管關(guān)斷需要較長(zhǎng)時(shí)間，固態(tài)開關(guān)切換時(shí)間也比較長(zhǎng)，從而影響負(fù)載供電質(zhì)量。為了加快切換速度，可采用強(qiáng)制換流控制方法。強(qiáng)制切換控制方法原理為，當(dāng)系統(tǒng)從第一電源切入第二電源時(shí)，首先切斷第一電源側(cè)電子開關(guān)Kl的觸發(fā)信號(hào)，不等第一電源側(cè)供電支路電流過零，即開通第二電源側(cè)電子開關(guān)K2，接入第二電源。
三相電源支路的控制方法相同，因此這里以A相為例，如附圖I所示，首先關(guān)斷TA觸發(fā)信號(hào)，若此時(shí)系統(tǒng)電流方向?yàn)閳D中IAl所示，則打開備用側(cè)A相晶閘管AP。當(dāng)AP電壓正向偏置時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，此時(shí)主側(cè)晶閘管TA將承受反壓從而很快關(guān)斷。顯然，這種切換方法由于無(wú)需等待電流自然過零，切換可以很快完成。但是該切換方法要求對(duì)電流過零狀態(tài)以及電流的方向進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。實(shí)際的系統(tǒng)由于傳感器精度、調(diào)理電路濾波性能等因素影響，往往在電流零點(diǎn)附近有一定采樣誤差，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確判斷電流的方向以及電流過零狀態(tài)。而當(dāng)系統(tǒng)對(duì)電流狀態(tài)發(fā)生誤判時(shí)，切換過程中會(huì)導(dǎo)致電源一和電源二直接相連，產(chǎn)生極大故障電流。例如，如附圖I所示，若系統(tǒng)電流方向發(fā)生誤判，實(shí)際電流方向與圖中Iai方向相反，卻打開了第二電源側(cè)的晶閘管AP2，第一電源和第二電源幾乎直接相連，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)很大故障電流導(dǎo)致器件和設(shè)備永久性損毀。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明公開了ー種具有故障環(huán)流抑制作用的固態(tài)開關(guān)切換控制方法，該方法是在傳統(tǒng)的強(qiáng)制切換控制方法基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)新后提出的，能夠?qū)ο到y(tǒng)潛在的故障環(huán)流最大值進(jìn)行控制，確保系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)殡娏鞣较蚝瓦^零狀態(tài)的誤判而發(fā)生破壞性損毀，在電カ電子設(shè)備控制領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明在傳統(tǒng)固態(tài)開關(guān)切換方法的基礎(chǔ)之上，提出了基于電壓的觸發(fā)安全區(qū)切換方法，能夠在高速切換的基礎(chǔ)上，對(duì)潛在的故障環(huán)流最大值進(jìn)行控制，確保系統(tǒng)在電流方向誤判條件下，不會(huì)產(chǎn)生破壞性的影響，對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性和安全性有重大意義。技術(shù)方案本發(fā)明公開了ー種具有故障環(huán)流抑制作用的固態(tài)開關(guān)切換控制方法。固態(tài)開關(guān)的原理如附圖I所示，初始時(shí)，第一電源無(wú)電能質(zhì)量問題，電子開關(guān)Kl導(dǎo)通，負(fù)載在第一電源側(cè)工作；當(dāng)?shù)谝浑娫从须娔苜|(zhì)量問題時(shí)，將負(fù)載從第一電源支路Ml切換到第二電源支路M2 ;所述電子開關(guān)Kl和K2相同且都是由晶閘管構(gòu)成，對(duì)于ー相電路，由正向連接的晶閘管xPn和反相連接的晶閘管xNn構(gòu)成，其中，X表示A相、B相或C相；n取值為I或2，分別表示電源I側(cè)的晶閘管或電源2側(cè)的晶閘管。切換過程如下所述首先撤銷第一電源側(cè)電子開關(guān)Kl觸發(fā)信號(hào)，并讀取該時(shí)刻第一電源側(cè)支路Ml各相的電流方向，根據(jù)該電流方向決定第二電源側(cè)電カ電子開關(guān)K2各相正反向晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻；對(duì)于任一相X相,觸發(fā)時(shí)刻的選取原則如下首先撤銷電子開關(guān)Kl中晶閘管TX觸發(fā)信號(hào)，記錄當(dāng)前電流方向?yàn)镮xl ;測(cè)量第二電源側(cè)電カ電子開關(guān)xP2/xN2兩端電壓，當(dāng)兩端電壓處于xP2或xN2安全觸發(fā)區(qū)時(shí)，給出晶閘管xP2/xN2的觸發(fā)信號(hào)；xP2安全觸發(fā)區(qū)域的設(shè)定原則為晶閘管兩端電壓小于系統(tǒng)限流安全電壓Uk且大于零，電壓?jiǎn)握{(diào)遞減，逼近零值；xN2安全觸發(fā)區(qū)域的設(shè)定原則為晶閘管兩端電壓大于系統(tǒng)限流安全電壓-Uk且小于零，電壓?jiǎn)握{(diào)遞增，逼近零值；xP2安全觸發(fā)區(qū)選取的原因是當(dāng)在安全區(qū)給出xP2/xN2的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)首先接入晶閘管xP2，此時(shí)即使發(fā)生電流誤判，第一電源和第二電源直接相連，線路中的故障電流應(yīng)小于或等于第一、ニ電源電壓差即晶閘管兩端電壓除以線路阻杭。由于在xP2觸發(fā)安全區(qū)中，電壓均小于Uk，因此故障電流有限，且在xP2觸發(fā)安全區(qū)之后，會(huì)進(jìn)入xP2的反向 電壓偏置區(qū)，此時(shí)晶閘管xP2會(huì)因承受反壓而關(guān)斷，故障電流將消失。同時(shí)由于系統(tǒng)給出了xN2觸發(fā)信號(hào)，在xP2的反向電壓偏置區(qū)內(nèi)xN2將承受正向電壓而導(dǎo)通，可以抑制Ml側(cè)支路的電流，使得電子開關(guān)Kl側(cè)X相晶閘管斷開，系統(tǒng)切換完成。本發(fā)明提出的這種新的切換控制方法，可以通過觀測(cè)晶閘管兩端電壓，選擇適當(dāng)?shù)耐肚悬c(diǎn)，使得即使發(fā)生電源相連的故障，故障環(huán)流最大值有限，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生永久性損壞。具體來(lái)說，有益效果如下
I.該切換方法可以有效控制系統(tǒng)可能產(chǎn)生的故障環(huán)流最大值。提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。2.該切換方法僅需要觀測(cè)系統(tǒng)支路的電流和晶閘管兩端電壓。該電壓可由負(fù)載側(cè)和電源側(cè)電壓間接得到。這些傳感器屬于固態(tài)開關(guān)的基本配置。因此實(shí)現(xiàn)此功能系統(tǒng)不需要増加額外測(cè)量電路和傳感器。3.切換方法的實(shí)現(xiàn)只需要簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高。4.安全觸發(fā)區(qū)在每周波內(nèi)都存在，因此幾乎不影響系統(tǒng)的切換速度，可以保證電源切換在單周波內(nèi)完成。5.在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，由于電流動(dòng)態(tài)范國(guó)大。如果只加一級(jí)電流傳感器常常無(wú)法精確采樣低至幾百毫安的晶閘管維持電流，也就意味著很難精確判斷晶閘管的關(guān)斷狀態(tài)。采用該切換控制方法，可以使得系統(tǒng)在只有一級(jí)電流傳感器的條件下，仍有很高的可靠性。降低了系統(tǒng)硬件成本。6.該切換控制方法適用于所有晶閘管或其他半控器件需要切換的應(yīng)用場(chǎng)合，有廣泛的應(yīng)用前景。


附圖I現(xiàn)有技術(shù)中，固態(tài)開關(guān)不意圖；附圖2晶閘管開通時(shí)刻電壓參考示意圖；附圖3晶閘管A相切換過程示意圖；附圖4是本方法的固態(tài)開關(guān)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本技術(shù)方案進(jìn)ー步說明如下本發(fā)明提出一種新的切換控制方法，可以通過觀測(cè)晶閘管兩端電壓，選擇適當(dāng)?shù)耐肚悬c(diǎn)，使得即使發(fā)生電源相連的故障，故障環(huán)流最大值有限，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生永久性損壞。當(dāng)從第一電源切換到第二電源吋，首先切斷電源支路電子開關(guān)Kl的觸發(fā)信號(hào)，并讀取該支路當(dāng)前的電流方向。根據(jù)電流方向決定第二電源開通的晶閘管順序。第二電源晶閘管的開通順序?yàn)?，?dāng)切斷Kl觸發(fā)信號(hào)時(shí)，對(duì)于A相，若Ml支路電流方向如圖中Iai所示，貝U開通晶閘管AP2，若電流方向與Iai相反，則開通晶閘管AN2。AP2或AN2開通的時(shí)刻由晶閘管AP2(AN2)兩端電壓決定。第二電源晶閘管開通時(shí)刻的選取原則如附圖2所示。對(duì)于エ頻系統(tǒng)，假設(shè)晶閘管AP2 (AN2)未導(dǎo)通時(shí)，電子開關(guān)K2的A相兩端電壓如附圖2所示。當(dāng)需要AP2導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)刻的選取原則為，晶閘管兩端電壓應(yīng)處于AP2正向電壓偏置區(qū)間內(nèi)的AP2安全觸發(fā)區(qū)域中。AP2安全觸發(fā)區(qū)域的設(shè)定原則為晶閘管兩端電壓小于系統(tǒng)安全電壓Uk且大于零，電壓?jiǎn)握{(diào)遞減，逼近零值。AN2安全觸發(fā)區(qū)域的設(shè)定原則為晶閘管兩端電壓大于系統(tǒng)安全電壓-Uk且小于零，電壓?jiǎn)握{(diào)遞增，逼近零值。這樣選取的原因是，當(dāng)系統(tǒng)在安全區(qū)接入晶閘管AP2時(shí)，若由于電流誤判，第一電源和第二電源直接相連，線路中的故障電流等于第一電源、第二電源的電壓差即晶閘管兩端電壓除以線路阻抗r。由附圖2可見，在AP2安全區(qū)中，電壓均小于UK，因此故障電流小于隊(duì)/r。且安全區(qū)之后，系統(tǒng)會(huì)馬上進(jìn)入晶閘管AP2的反向電壓偏置區(qū)，此時(shí)AP2會(huì)因承受反壓而關(guān)斷，故障電流將消失。安全電壓Uk，是根據(jù)系統(tǒng)中元件如晶閘管、電源等能承受的電流值Imax以及第一電源、第二電源發(fā)生直連時(shí)的線路阻抗r換算得到的，精簡(jiǎn)的換算公式為UK = KXI_/r。K為冗余系數(shù),0 < K≤I。切換過程，若系統(tǒng)在安全區(qū)導(dǎo)通AP2后發(fā)現(xiàn)第一電源側(cè)晶閘管TAl電流變大，則說明TAl的電流發(fā)生誤判，其實(shí)際方向與附圖I中Iai相反，當(dāng)系統(tǒng)接入AP2時(shí)，將產(chǎn)生故障環(huán)流，其最大值小于UK/r。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入AP2反向電壓偏置區(qū)吋，由于系統(tǒng)給出了晶閘管AN2觸發(fā)信號(hào)，AP2將關(guān)斷、AN2將導(dǎo)通，從而抑制電流Iai，使得TAl關(guān)斷，切換完成。A相的切換流程如附圖3所示。對(duì)于三相系統(tǒng)，B相和C相同時(shí)做同樣操作。本例中，設(shè)計(jì)了ー個(gè)380V的固態(tài)開關(guān)三相電カ系統(tǒng)，系統(tǒng)線路阻抗為5ohm左右，負(fù)載大小為50ohm。根據(jù)晶閘管電流參數(shù)，線路電流耐受值等參數(shù)，設(shè)定安全電壓限值Uk為50V。當(dāng)電源ー側(cè)電壓跌落40%時(shí)，進(jìn)行切換，負(fù)載從第一電源切換到第二電源。實(shí)驗(yàn)ー在切斷電源ー側(cè)晶閘管Kl的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，測(cè)得電流方向?yàn)檎螂娏?，如圖4中IA1、IB1、Ia所不。同時(shí)測(cè)量第二電源側(cè)各相晶閘管兩端電壓Ua2、Ub2、11。2。對(duì)于第二電源A相，當(dāng)其電壓位于小于30V大于0，且單調(diào)遞減吋，同時(shí)給出電子開關(guān)K2中A相對(duì)應(yīng)晶閘管TA2觸發(fā)信號(hào)。對(duì)于第二電源B相，當(dāng)其電壓位于小于30V大于0，且單調(diào)遞減吋，同時(shí)給出電子開關(guān)K2中B相對(duì)應(yīng)晶閘管TB2觸發(fā)信號(hào)。對(duì)于第二電源C相，當(dāng)其電壓位于大于-30V大于0，且單調(diào)遞減時(shí)，同時(shí)給出電子開關(guān)K2中C相對(duì)應(yīng)晶閘管TC2觸發(fā)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明20ms內(nèi)切換完成，第一電源側(cè)電流快速減小，第二電源側(cè)電流穩(wěn)步増大。實(shí)驗(yàn)ニ，假設(shè)對(duì)C相電流方向誤判。電源切斷時(shí)，三相電流如附圖4所示，TA2，TB2打開時(shí)刻正確。TC2本應(yīng)在晶閘管TC2-N的安全觸發(fā)區(qū)中打開，實(shí)際在晶閘管TC2-P的安全觸發(fā)區(qū)打開。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，給出第二電源側(cè)晶閘管觸發(fā)后，第一電源側(cè)C相電流從4A增大到9A后迅速減小直至關(guān)斷。之后正常完成切換，切換時(shí)長(zhǎng)在20ms左右。實(shí)驗(yàn)三，采用普通的強(qiáng)制切換方法，不對(duì)故障電流進(jìn)行控制，切換時(shí)刻隨機(jī)。對(duì)C相電流誤判后，觸發(fā)第二電源側(cè)的晶閘管，C相電流從4A増大到40A后觸發(fā)電流保護(hù)開關(guān)跳閘，系統(tǒng)產(chǎn)生的故障電流比安全區(qū)切換控制時(shí)(9A)要大很多。由此可見，采用具有環(huán)流抑制作用的切換控制方法可以有效地控制故障電流的最大值，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性和安全性意義重大。
權(quán)利要求
1.ー種具有故障環(huán)流抑制作用的固態(tài)開關(guān)切換控制方法，在電カ系統(tǒng)中，負(fù)載分別通過電子開關(guān)Kl和電子開關(guān)K2接到第一電源和第二電源的輸出端；第一電源無(wú)電能質(zhì)量問題時(shí)，電子開關(guān)Kl導(dǎo)通，負(fù)載在第一電源側(cè)工作；當(dāng)?shù)谝浑娫从须娔苜|(zhì)量問題時(shí)，將負(fù)載從第一電源支路Ml切換到第二電源支路M2 ;所述電子開關(guān)Kl和K2相同且都是由晶閘管構(gòu)成；對(duì)于X相電路，電子開關(guān)K2由正向連接的晶閘管xP2和反相連接的晶閘管xN2構(gòu)成；x表示A相、B相或C相；其特征在于切換過程如下所述 首先撤銷電子開關(guān)Kl中晶閘管Txl觸發(fā)信號(hào)，記錄當(dāng)前電流方向?yàn)镮xl ； 當(dāng)Ixl為正向，即自第一電源側(cè)流向負(fù)載側(cè)，則測(cè)量第二電源側(cè)電カ電子開關(guān)K2晶閘管xP2/xN2兩端電壓，當(dāng)兩端電壓處于xP2安全觸發(fā)區(qū)域時(shí)，給出K2晶閘管xP2/xN2的觸發(fā)信號(hào); 當(dāng)Ixl為反向，即電流自負(fù)載側(cè)流向第一電源側(cè)，則測(cè)量第二電源側(cè)電カ電子開關(guān)K2晶閘管xP2/xN2兩端電壓，當(dāng)兩端電壓處于xN2安全觸發(fā)區(qū)域時(shí)，給出晶閘管xP2/xN2的觸發(fā)信號(hào); xP2安全觸發(fā)區(qū)域的設(shè)定原則為晶閘管兩端電壓小于電カ系統(tǒng)限流安全電壓Uk且大于零，電壓?jiǎn)握{(diào)遞減，逼近零值； xN2安全觸發(fā)區(qū)域的設(shè)定原則為晶閘管兩端電壓大于電カ系統(tǒng)限流安全電壓-Uk且小于零，電壓?jiǎn)握{(diào)遞增，逼近零值； 所述電カ系統(tǒng)限流安全電壓計(jì)算公式為UK = KXI_/r，其中Imax為電カ系統(tǒng)中元件能承受的最大電流值，r為第一電源經(jīng)開關(guān)K1、K2至第二電源線路的線路阻杭，K為冗余系數(shù)，O < K彡I。
全文摘要
一種具有故障環(huán)流抑制作用的固態(tài)開關(guān)切換控制方法，當(dāng)從第一電源切換到第二電源時(shí)，首先切斷電源支路電子開關(guān)K1的觸發(fā)信號(hào)，并讀取該支路當(dāng)前的電流方向。根據(jù)電流方向決定第二電源開通的晶閘管順序。第二電源晶閘管的開通時(shí)刻的選取原則為，當(dāng)切斷K1觸發(fā)信號(hào)時(shí)，對(duì)于x相，若M1支路電流從第一電源流向負(fù)載，則在xP2的觸發(fā)安全區(qū)觸發(fā)晶閘管xP2/xN2，反之則在xN2的觸發(fā)安全區(qū)觸發(fā)晶閘管xP2/xN2。觸發(fā)安全區(qū)由晶閘管xP2/xN2兩端電壓決定。本方法可以通過觀測(cè)晶閘管兩端電壓，選擇適當(dāng)?shù)耐肚悬c(diǎn)，使得固態(tài)開關(guān)切換過程中即使發(fā)生電源相連的故障，產(chǎn)生故障環(huán)流，其最大值也有限，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生永久性損壞。
文檔編號(hào)H03K17/72GK102624081SQ20121008384
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者姚佳, 趙劍鋒 申請(qǐng)人:東南大學(xué)