一种抑制变压器励磁涌流的双电源切换装置及其切换方法与流程

本发明涉及电力变换领域，具体涉及一种抑制负载侧变压器励磁涌流的双电源切换装置及其切换方法。

背景技术：

对敏感负载供电时，为了保证供电可靠性，常使用双电源切换装置对负载进行供电。常用电源正常时，常用电源通过常用电源侧开关对负载供电，当常用电源发生故障时，常用电源侧开关断开，备用电源侧开关闭合，备用电源通过备用电源侧开关对负载供电。而负载侧常有变压器，由于在双电源装置切换过程中，负载侧变压器会产生磁通饱和，从而产生励磁涌流，对电力系统产生冲击。

而现有的双电源切换方法中无法解决此问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对双电源切换装置对负载变压器供电结构，提供一种可以抑制切换过程中负载变压器中产生的励磁涌流的双电源装置切换方法。具体而言，本发明提供了一种双电源切换装置，所述双电源切换装置通过负载侧变压器(9)对负载进行供电，其特征在于，所述包括双电源切换装置包括常用电源(1)、备用电源(2)、所述常用电源(1)输出侧a相连接至常用电源a相晶闸管(3)的输入侧，常用电源(1)输出侧b相连接至常用电源b相晶闸管(4)的输入侧，常用电源(1)输出侧c相连接至常用电源c相晶闸管(5)的输入侧；所述备用电源(2)输出侧a相连接至备用电源a相晶闸管(6)的输入侧，备用电源(2)输出侧b相连接至备用电源b相晶闸管(7)的输入侧，备用电源(2)输出侧c相连接至备用电源c相晶闸管(8)的输入侧；所述常用电源a相晶闸管(3)输出侧与备用电源a相晶闸管(6)输出侧并联后连接至所述负载侧变压器(9)输入侧a相，常用电源b相晶闸管(4)输出侧与备用电源b相晶闸管(7)输出侧并联后连接至负载侧变压器(9)输入侧b相，常用电源c相晶闸管(5)输出侧与备用电源c相晶闸管(8)输出侧并联后连接至负载侧变压器(9)输入侧c相；负载侧变压器(9)输出侧a相连接至负载(10)输入侧a相，负载侧变压器(9)输出侧b相连接至负载(10)输入侧b相，负载侧变压器(9)输出侧c相连接至负载(10)输入侧c相；还包括控制模块，所述控制模块用于计算常用电源开关断开时刻的负载侧变压器(9)各铁心柱磁通与负载侧变压器(9)各铁心柱预期磁通的差值，当所述差值小于预定值时，闭合该铁心柱相对应的备用电源(2)的两相开关。

进一步地，所述常用电源a相晶闸管(3)、常用电源b相晶闸管(4)、常用电源c相晶闸管(5)、备用电源a相晶闸管(6)、备用电源b相晶闸管(7)、备用电源c相晶闸管(8)均为反并联的两个晶闸管组成的开关模块。

进一步地，所述负载侧变压器(9)是降压变压器或升压变压器或隔离变压器，所述负载(10)为交流负载。

进一步地，所述常用电源(1)和备用电源(2)输出工频或高频三相交流电。

进一步地，所述的常用电源a相晶闸管(3)、常用电源b相晶闸管(4)、常用电源c相晶闸管(5)导通时，常用电源(1)对负载侧变压器(9)进行供电，备用电源a相晶闸管(6)、备用电源b相晶闸管(7)、备用电源c相晶闸管(8)须处于关断状态；备用电源a相晶闸管(6)、备用电源b相晶闸管(7)、备用电源c相晶闸管(8)导通时，备用电源(2)对负载侧变压器(9)进行供电，常用电源a相晶闸管(3)、常用电源b相晶闸管(4)、常用电源c相晶闸管(5)须处于关断状态。

进一步地，所述一种双电源切换装置的切换方法包括下述步骤：

步骤s1、检测常用电源(1)是否发生故障，如果常用电源(1)没有发生故障，则继续检测；如果常用电源(1)发生故障，则发出常用电源a相晶闸管(3)、常用电源b相晶闸管(4)、常用电源c相晶闸管(5)断开信号，进入步骤s2；

步骤s2、检测常用电源a相晶闸管(3)、常用电源b相晶闸管(4)、常用电源c相晶闸管(5)是否完全断开，如果检测到未完全断开，则继续检测，如果检测到完全断开，则计算并记录下此刻变压器各铁心柱的磁通，做为各铁心柱的剩磁，进入步骤s3；

步骤3、实时计算各铁心柱的预期磁通和剩磁的差值，进入流程4；

步骤4、对比此刻ab相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果小于等于设定值，则进入步骤7；如果大于设定值，则进入步骤5；

步骤5、对比此刻bc相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果小于等于设定值，则进入步骤10；如果大于设定值，则进入步骤6；

步骤6、对比此刻ca相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果小于等于设定值，则进入步骤13；如果大于设定值，则返回步骤4；

步骤7、发出备用电源a相晶闸管(6)、备用电源b相晶闸管(7)的合闸信号，进入步骤8；

步骤8、对比此刻bc相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，对比此刻ca相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果两者同时小于等于设定值，则进入步骤9；如果其中之一仍大于设定值，则返回步骤7；

步骤9、发出备用电源c相晶闸管8合闸信号，切换步骤结束；

步骤10、发出备用电源b相晶闸管7、备用电源c相晶闸管8的合闸信号，进入步骤11；

步骤11、对比此刻ca相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，对比此刻ab相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果两者同时小于等于设定值，则进入步骤12；如果其中之一仍大于设定值，则返回步骤10；

步骤12、发出备用电源a相晶闸管6合闸信号，切换步骤结束；

步骤13、发出备用电源a相晶闸管6、备用电源c相晶闸管8的合闸信号，进入步骤14；

步骤14、对比此刻ab相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，对比此刻bc相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果两者同时小于等于设定值，则进入步骤15；如果其中之一仍大于设定值，则返回步骤13；

步骤15、发出备用电源b相晶闸管7合闸信号，切换步骤结束。

进一步地，在步骤2中，各铁心柱磁通瞬时值采用常用电源的线电压积分计算得到，公式如下：

式中，uab(t)、ubc(t)、uca(t)是指三个线电压在t时刻的瞬时值，ψtr(t)是各个线电压所对应的铁心柱中的磁通量在t时刻的瞬时值，则各铁心柱的剩磁的公式如下：

式中，ψstr,ab、ψstr,bc、ψstr,ca分别指三个铁心柱的剩磁。

进一步地，在步骤3中，各铁心柱的预期磁通由备用电源(2)的各线电压积分得到，计算公式如下：

预期磁通和剩磁的差值的计算公式如下：

式中，ualt,ab、ualt,bc、ualt,ca分别是备用电源(2)的三个线电压在t时刻的瞬时值。

进一步地，ab相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值的计算公式如下：

bc相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值的计算公式如下：

此刻ca相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值的计算公式如下：

本发明的优势在于：

1)本发明能够在切换过程中，抑制或者消除负载侧变压器的励磁涌流现象。

2)本发明所提出的控制方法简单实用，磁通的计算经过合理简化，磁通值是通过电压积分计算得到，计算方便。通过实时比对预期磁通值和剩磁值，得到差值，当差值小于设定值时，进行相应相的切换，切换方法较简单。

3)本发明在检测到磁通符合条件的第一时间进行切换，将切换时间减小到了最短，减少了负载断电的时间。

附图说明

图1为本发明的供电系统拓扑结构图。

图2为本发明的供电系统切换方法流程图。

图3为普通切换方法的仿真波形图。

图4为本发明的切换方法仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明。

本发明所针对的供电系统结构常用电源1、备用电源2、常用电源a相晶闸管3、常用电源b相晶闸管4、常用电源c相晶闸管5、备用电源a相晶闸管6、备用电源b相晶闸管7、备用电源c相晶闸管8、负载侧变压器9以及负载10，其特征在于：

所述的常用电源1和备用电源2输出工频或高频三相交流电。

所述的常用电源a相晶闸管3、常用电源b相晶闸管4、常用电源c相晶闸管5导通时，常用电源1对负载侧变压器9进行供电；常用电源a相晶闸管3、常用电源b相晶闸管4、常用电源c相晶闸管5关断时，常用电源1停止对负载侧变压器9进行供电。

所述的一种双电源切换装置通过负载变压器对负载进行供电的结构，其特征在于，所述的备用电源a相晶闸管6、备用电源b相晶闸管7、备用电源c相晶闸管8导通时，备用电源2可以对负载侧变压器9进行供电；备用电源a相晶闸管6、常用电源b相晶闸管7、备用用电源c相晶闸管8关断时，备用电源2停止对负载侧变压器9进行供电。

本发明研究双电源切换装置的切换方法。在负载侧有变压器时，通过常用电源的各线电压积分计算变压器各铁心柱的磁通，当常用电源发生故障，常用电源侧开关断开，常用电源开关断开时刻的各铁心柱磁通值即为各铁心柱磁通的剩磁。通过备用电源的各线电压积分计算各铁心柱预期磁通，实时计算各铁心柱的预期磁通与剩磁的差值，当首先检测到某铁心柱的预期磁通与剩磁差值小于设定值时，闭合此铁心柱相对应的备用电源的两相开关。继续实时计算余下的两个铁心柱的预期磁通与剩磁的差值，当差值均小于设定值时，闭合备用电源第三相晶闸管开关。

本发明研究的双电源切换装置的切换方法。可以保证备用电源投入时刻，铁心柱的预期磁通值与剩磁的差值小于设定值，而铁心柱的预期磁通值与剩磁的差值为备用电源投入后，铁心柱磁通的直流分量，因此可以保证备用电源投入后，铁心柱磁通的直流分量小于设定值，从而减小磁通峰值，可以缓解或者消除变压器的磁饱和现象，从而抑制或者消除负载侧变压器在切换过程中的励磁涌流。

上述计算和检测控制可以通过控制单元，控制模块实现。如常规的ecu、计算机，可以远程控制也可以现场控制。

更进一步的，所述双电源切换装置抑制负载侧变压器励磁涌流切换方法包括以下流程：

流程1、检测常用电源1是否发生故障，如果常用电源1没有发生故障，则继续检测，如果常用电源1发生故障，则发出常用电源a相晶闸管3、常用电源b相晶闸管4、常用电源c相晶闸管5断开信号，进入流程2；

流程2、检测常用电源a相晶闸管3、常用电源b相晶闸管4、常用电源c相晶闸管5是否完全断开，如果检测到未完全断开，则继续检测，如果检测到完全断开，则记录下此刻变压器各铁心柱的磁通，即为各铁心柱的剩磁，进入流程3。各铁心柱磁通瞬时值采用常用电源的线电压积分计算得到，公式如下：

式中，uab(t)、ubc(t)、uca(t)是指三个线电压在t时刻的瞬时值，ψtr(t)是各个线电压所对应的铁心柱中的磁通量在t时刻的瞬时值。所以，各铁心柱的剩磁的公式如下：

式中，ψstr,ab、ψstr,bc、ψstr,ca分别指三个铁心柱的剩磁。

流程3、实时计算各铁心柱的预期磁通和剩磁的差值，进入流程4。各铁心柱的预期磁通由备用电源的各线电压积分得到，计算公式如下：

预期磁通和剩磁的差值的计算公式如下：

流程4、对比此刻ab相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果小于等于设定值，则进入流程7；如果大于设定值，则进入流程5。此刻ab相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值的计算公式如下：

流程5、对比此刻bc相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果小于等于设定值，则进入流程10；如果大于设定值，则进入流程6。此刻bc相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值的计算公式如下：

流程6、对比此刻ca相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果小于等于设定值，则进入流程13；如果大于设定值，则返回流程4。此刻ca相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值的计算公式如下：

流程7、发出备用电源a相晶闸管6、备用电源b相晶闸管7的合闸信号，进入流程8。

流程8、对比此刻bc相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，对比此刻ca相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果两者同时小于等于设定值，则进入流程9；如果大于设定值，则返回流程7。

流程9、发出备用电源c相晶闸管8合闸信号，切换流程结束。

流程10、发出备用电源b相晶闸管7、备用电源c相晶闸管8的合闸信号，进入流程11。

流程11、对比此刻ca相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，对比此刻ab相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果两者同时小于等于设定值，则进入流程12；如果大于设定值，则返回流程10。

流程12、发出备用电源a相晶闸管6合闸信号，切换流程结束。

流程13、发出备用电源a相晶闸管6、备用电源c相晶闸管8的合闸信号，进入流程14。

流程14、对比此刻ab相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，对比此刻bc相铁心柱的预期磁通和剩磁的差值是否小于或等于设定值ψset，如果两者同时小于等于设定值，则进入流程15；如果大于设定值，则返回流程13。

流程15、发出备用电源b相晶闸管7合闸信号，切换流程结束。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

图3表示了没有消除磁通直流分量的切换控制方法下的切换波形，从上到下依次为常用电源电压波形、负载侧变压器电压波形、负载侧变压器磁通波形、负载侧变压器电流波形。常用电源和备用电源有着相同的幅值和相角。在20ms的时刻，常用电源发生了三相电压跌落故障。可以看出，切换后变压器中有着明显的磁通直流分量，导致了非常严重的励磁涌流现象。总的切换时间为11.9ms。其中检测时间为4.9ms。检测到常用电源故障后，常用电源的各相晶闸管开始关断，由于常用电源的各个相在不同的时间点关断，所以关断过程中，负载侧电压与常用电源电压有所不同。在常用电源完全断开后，控制器花费了1.0ms检测到了常用电源完全关断的信号。所以负载侧的零位时间为1.0ms。检测到了常用电源晶闸管完全关断后，立即导通备用电源侧三相晶闸管，随后负载变压中磁通出现了直流分量，并导致了严重的励磁涌流现象。仿真计算表明，切换后，负载侧的励磁涌流达到了额定电流的2倍以上。

图4表示了带有抑制负载测变压器励磁涌流切换控制方法的切换波形图，从上到下依次为负载侧变压器电压波形、负载侧变压器磁通波形、负载侧变压器电流波形。此图中常用电源发生了和图3中一样的三相电压跌落故障。当控制器同样是在故障发生了11.9ms之后，检测到了常用电源晶闸管完全关断，为了使负载侧变压器不出现励磁涌流现象，需要选择合适的时间点来导通备用电源侧的各相晶闸管。从此时开始实时计算各路备用电源准磁通值，并且比对对应相的剩磁，当两者的差值小于阈值之后，则进行关联的两相的切换。在检测到常用电源侧晶闸管完全关断后2.6ms，负载变压器bc相铁心柱的剩磁cbc与备用电源线电压ubc所对应的准磁通ψbc,alt的差值δψbc最先小于了阈值ψset，所以在2.6ms之后，b相和c相首先导通。接下来，在8.1ms之后，ab相差值δψab和ca相差值δψca也小于了阈值，此时再导通a相电源。可以看到，按照上述切换时间点和切换次序进行切换后，负载变压器上的磁通直流分量减小到了额定值的5％左右，并且未出现励磁涌流现象。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。