一种抑制负载变压器励磁涌流的双电源切换装置控制方法与流程

1.本发明涉及电子电路领域，具体涉及一种抑制负载变压器励磁涌流的双电源切换装置控制方法。


背景技术：

2.随着储能装置在电网中的应用越来越广泛，双电源切换装置不仅仅局限于采用电网电源作为备用电源。备用电源采用储能装置，首先能够避免两路电网电源同时断电而负载不得不断电的情况，而且可以对储能装置产生的电能质量进行控制，从而保证负载能够有更高品质的电能供应。
3.而在备用电源为储能装置时，负载侧存在负载变压器时，在切换过程中也会产生严重的励磁涌流现象。针对上述现象，


技术实现要素：

4.本发明对负载侧变压器在切换过程中的励磁涌流产生过程进行了分析。发现当电网电源作为备用电源时，电网电源的电压幅值和相角是固定不变的，从而仅能采用分相合闸的策略抑制励磁涌流。本发明基于备用电源为储能装置的双电源系统提出了一种通过备用电源进行电压补偿，从而消除切换过程中的磁通直流分量的控制方法，并进行了仿真计算验证。
5.具体而言，本发明提供一种抑制负载变压器励磁涌流的双电源切换装置控制方法，其特征在于，所述控制方法用于对双电源切换装置进行切换控制，所述双电源切换装置包括第一支路和第二支路，第一支路与电网电源相连接，所述电网电源连接至常用电源开关，进而使所述电网电源通过常用电源开关进行开关控制，第二支路接备用电源，所述备用电源包括蓄电池和逆变器，所述蓄电池的正、负极分别连接逆变器的输入端，所述逆变器输出三相交流电，所述逆变器的输出连接至备用电源开关，由所述备用电源开关进行开关控制，所述常用电源开关和所述备用电源开关并联后连接至负载变压器的输入，负载变压器的输出接目标负载，所述方法包括：
6.(1)对所述电网电源进行监测；
7.(2)判断所述电网电源是否发生故障；
8.(3)若所述电网电源发生故障，则停止所述常用电源开关的驱动信号，以驱动所述常用电源开关关断，否则不进行操作；
9.(4)检测常用电源开关是否已经关断；
10.(5)待常用电源开关已经关断，则开启备用电源开关；
11.该步骤包括：
12.(5.1)测量所述备用电源三相输出当前的各自相位和幅值；
13.(5.2)基于所述备用电源三相输出当前的各自相位和幅值确定其各相当前的预期电压输出，并且基于该预期电压输出计算该电压对应的预期电压磁通值
[0014][0015]
其中u
alt
是备用电源电压幅值，θ
alt
是备用电源电压相位。
[0016]
(5.3)测量所述电网电源故障瞬间，所述电网电源三相的输出电压的幅值和相角；
[0017]
(5.4)基于所述电网电源三相的输出电压计算所述负载变压器中，三相铁芯中的各自的剩磁
[0018]
在所述电网电源断开前，所述负载变压器电压等于所述电网电源的电压，所以有
[0019]
u
tr sin(ωt+θ
tr
)＝u
pre sin(ωt+θ
pre
)
[0020][0021]
其中u
tr
和θ
tr
是所述负载变压器电压的幅值和相角，u
pre
和θ
pre
是所述电网电源的电压的幅值和相角，t
dis
为电网电源的断开时刻；
[0022]
(5.5)计算所述备用电源当前各相输出电压所对应的预期电压磁通与所述负载变压器中相应相铁芯中的剩磁之差k，
[0023]
(5.6)基于各相的剩磁之差计算各相的补偿电压
[0024]
(5.7)调节所述逆变器三相的输出电压，使得所述逆变器三相的输出分别叠加各自的补偿电压。
[0025]
优选地，所述步骤(1)包括测量所述电网电源的电压有效值，并将其与预定上限或下限进行比较，以确定所述电网电源是否故障。
[0026]
比如，所述备用电源三相输出当前的各自相位和幅值可以通过锁相环(pll)和有效值采样来测得。
[0027]
技术效果
[0028]
1.本发明能够消除双电源切换装置切换过程中，负载变压器中产生的磁通直流分量，从而消除负载变压器中的励磁涌流。
[0029]
2.本发明不会增加切换时间，不会增加负载的断电时间。
[0030]
3.本发明备用电源三相是同时合闸，不会有备用电源缺相供电的情况。
[0031]
4.本发明的电压补偿时间小于一个周期(工频周期为0.02s)，对负载的影响较小。
附图说明
[0032]
图1为本发明所用于的负载侧为变压器的双电源切换装置拓扑图；
[0033]
图2为电源切换过程的示意图；
[0034]
图3为三相心式变压器的接线方式示意图；
[0035]
图4为补偿电压与磁通的补偿关系；
[0036]
图5为无电压补偿策略的电压磁通图；
[0037]
图6为采用本发明的补偿方法之后的电压磁通图；
[0038]
图7为电压补偿计算流程图；
[0039]
图8为未采用磁通补偿控制的切换波形；
[0040]
图9为采用本发明的补偿方法之后的切换波形；
[0041]
图10示出了单个备用电源为多个供电支路进行备用供电的情况。
具体实施方式
[0042]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0043]
如图1所示为本发明所应用于的双电源供电电路(或称切换装置)，其包括第一支路和第二支路，第一支路接电网电源，比如三相10kv的电网电源，电网电源通过常用电源开关进行开关控制，第二支路接蓄电池、逆变器以及备用电源开关。
[0044]
在正常情况下，为了节省成本，每个备用支路要分别为多个正常供电的支路提供备用供电支持，如图10所示，即，该蓄电池和逆变器要通过多个备用电源开关，分别与不同的供电支路的独立电网电源进行并联，以便降低成本，实现单备份电源，多供电支路的供电方式，在这种情况下，对于每个供电支路故障时所采用的控制方法与图1中所示情况是相同的。图1中仅画出了一个供电支路，不过其他供电支路的供电方式本领域技术人员应该理解。
[0045]
电源开关可以采用常用电源晶闸管和备用电源晶闸管，通过负载变压器后，对敏感负载进行供电。
[0046]
当常用电源故障时，就需要确定故障发生时负载变压器中，三相线圈中，各相的磁通直流分量。
[0047]
下面分析磁通直流分量是励磁涌流产生的原因。
[0048]
本实施例中，对负载变压器中的磁通进行的分析都是基于在电网中广泛应用的delta/y型心式变压器进行。delta/y型心式变压器的初级线圈的接线方式在图3中描述。由图3可知，各个铁心柱的磁通是由各个线(各相)电压产生的。
[0049]
各个磁通可以由线电压积分得到，如式(1)所示：
[0050][0051]
式中，u
ab
(t)、u
bc
(t)、u
ca
(t)是三相线电压在t时刻的瞬时值，ψ
tr
(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。
[0052]
在稳态运行时，负载侧变压器的三相电压对称，三相电压瞬时值之和为零。如式(2)所示：
[0053]
u
ab,tr
(t)+u
bc,tr
(t)+u
ca,tr
(t)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
由于磁通是电压的积分计算而来，所以相应的，负载侧三相变压器中三个铁心柱中的磁通瞬时值之和也为零，如式(3)所示：
[0055]
ψ
ab,tr
(t)+ψ
bc,tr
(t)+ψ
ca,tr
(t)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0056]
图6中是负载侧线电压和其所对应的变压器中的铁心柱磁通在切换过程中的暂态过程。其中，1为常用电源供电阶段，2为故障检测阶段以及常用电源断开阶段，3为零位阶
段，4为备用电源供电阶段。
[0057]
切换后的各相铁心柱磁通值可以由式(4)计算得出：
[0058][0059]
首先常用电源正常，常用电源对负载供电，负载侧线电压等于常用电源线电压，是标准的三相正弦波，对应的铁心柱中的磁通是其积分值，所以磁通波形是一个滞后线电压波形90
°
的标准正弦波。
[0060]
图6中，常用电源电压值跌落到0.5p.u.，可以看出电压波形在故障时刻发生突变，前后不连续，而由于磁通有连续性，因此磁通波形在故障前后是连续的。由图6可知，常用电源完全断开到备用电源接通前，处于零位阶段，在零位阶段时，负载侧线电压为0，相应的此阶段中磁通维持不变。
[0061]
如式(5)所示。
[0062][0063][0064]
式(6)可以写成如下形式：
[0065][0066]
式中的ψ
alt
(t)是备用电源电压所产生的切换过程后磁通的周期分量。
[0067]
而切换后的磁通可以被表达为周期分量(即备用电源所产生的磁通量)与切换过程中产生的直流分量之和，如式(8)所示。
[0068]
ψ
tr
(t)＝ψ
alt
(t)+k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0069]
所以可以得到磁通直流分量k的表达式如式(9)所示：
[0070][0071]
由上式可知，切换后的磁通直流分量是两个部分之差。第一部分是常用电源完全断开后铁心柱中的剩磁，第二部分是备用电源合闸瞬间在铁心柱中形成的准磁通。
[0072]
因此，切换过后负载变压器各相的磁通直流分量为，合闸时刻的备用电源电压预期磁通值与变压器剩磁值之差，如下式所示：
[0073][0074]
因此，本发明提出了电压补偿抑制磁通直流分量的切换方法。即根据切换瞬时会产生的磁通直流分量的值，在备用电源逆变器输出的各相电压中加入相应数值的电压直流分量，并维持一段时间，从而在短时间内消除切换过程中的磁通直流分量。
[0075]
恒定电压补偿的计算式为式(11)：
[0076]
ut＝δψ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0077]
上述式中，t为补偿电压时间，δψ为补偿的磁通值，u为恒定电压补偿的电压值，u0为线性衰减电压补偿的电压初始值。令δψ等于k，k为磁通直流分量的预估值，即合闸时刻的备用电源电压预期磁通值与变压器剩磁值之差。从而就可以消除掉切换过程中产生的磁通直流分量。
[0078]
可以知道，电压以线电压有效值补偿四分之一个周期，能够抵消一个磁通的峰值，如式(12)所示。其可以用来方便的计算补偿电压。
[0079][0080]
如图7所示，对变压器电压进行积分得到变压器中的磁通值，对备用电源进行积分得到备用电源合闸的预期磁通值。在合闸时刻t
transfer
，两个磁通值之差，即为要产生的磁通直流分量k。通过磁通直流分量可以计算出补偿电压u
comp
，将三相补偿电压进行abc/dq变换后，可以得出dq轴坐标下的电压补偿量u
d,comp
和u
q,comp
。将dq轴坐标下的补偿量补偿至储能装置逆变器的电压输出信号中，可以使得储能装置逆变器输出叠加了补偿电压的三相电压。
[0081]
本发明的电压补偿的方法易于控制，且补偿电压初始值较小。
[0082]
为了验证上述控制方法的正确性，首先进行仿真计算来测试此控制方法。仿真计算是在matlab/simulink平台中进行的。相应的参数如下。
[0083]
1)变压器：50kva，380v/220v，delta/y联接方式，非线性两段线模型；
[0084]
2)电网电源：线电压380v，50hz；
[0085]
3)负载：16kw，12kvar；
[0086]
4)电力传输线：l
line
＝2mh，r
line
＝0.1ω。
[0087]
图9中示出了仿真结果。
[0088]
通过控制逆变器的输出电压能够输出叠加上述直流分量的线电压。在各线电压补偿了上述直流电压10ms后，各线电压的直流分量撤除。可以发现变压器的各相磁通在切换后都未出现较大的直流分量，可以看出，ab相磁通的直流分量大约为5％左右，而相应的，切换后负载侧电流并未出现任何的涌流现象。此种电压补偿的抑制励磁涌流的控制策略，能够避免上面一章中的方法会导致的切换过程中缺相运行的情况，且切换过程中负载的断电时间不会增加。补偿的直流电压值最大达到了30％左右，不会对系统有太大的冲击。
[0089]
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。