張娜

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息通信分公司，海南?？?570100）

目前，供電系統(tǒng)的外部電源供電方式已經(jīng)涉及到城市電網(wǎng)和地鐵系統(tǒng)，國內(nèi)的城市電網(wǎng)和地鐵系統(tǒng)主要采用集中供電、分散供電和混合供電3 種模式[1]，這3 種不同模式的供電方式使城市電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生較為復(fù)雜的供電影響，由于供電模式的不同，因此需要進(jìn)行不同種類的運(yùn)營維護(hù)，進(jìn)而產(chǎn)生了更多的投資與設(shè)備維護(hù)費(fèi)用[2]。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)外部電源供電方法只能適應(yīng)一種模式下的電網(wǎng)供電，不能夠?qū)Χ喾N模式下的電網(wǎng)同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)供電，當(dāng)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)對(duì)多種模式下的電網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)供電時(shí)，外部電源與電力系統(tǒng)主電源供電切換時(shí)間過長，導(dǎo)致城市電網(wǎng)中產(chǎn)生一系列的供電故障，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生分壓效果，導(dǎo)致多種設(shè)備的電壓穩(wěn)定性差。為了解決這一問題，提出了基于多模式轉(zhuǎn)換的外部電源自動(dòng)供電方法。

1 外部電源自動(dòng)電容分析

目前，許多用電設(shè)備均使用蓄電池作為外部電源，當(dāng)用電設(shè)備自身電源出現(xiàn)故障或者異常時(shí)，蓄電池進(jìn)行自動(dòng)供電。我國大部分發(fā)電廠以及變電站均使用蓄電池作為外部電源，可以有效增強(qiáng)繼電保護(hù)的可靠性[3]。但由于發(fā)電廠和變電站的地理位置常常處于環(huán)境條件較惡劣的狀態(tài)下，蓄電池的使用壽命只能達(dá)到3 年左右，經(jīng)過科技人員對(duì)事故后電池進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)作為變電站內(nèi)的12 V外部電池在發(fā)生事故前的輸出電壓值只有8 V，并不能滿足微機(jī)保護(hù)和繼電器正常運(yùn)行的要求，最終導(dǎo)致變電站的各級(jí)設(shè)備不能主動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)變電站中的微機(jī)保護(hù)與繼電器長期不能達(dá)到額定電壓時(shí)，隨著時(shí)間的推移，會(huì)導(dǎo)致外部電池的容量大大降低[4]。

綜上所述，若想達(dá)到外部電源自動(dòng)供電方式的電容條件，必須符合快速充電、循環(huán)使用壽命長、能夠在最短的時(shí)間內(nèi)釋放出最強(qiáng)電流、具有較高功率密度、不污染環(huán)境、維護(hù)工作簡便、能夠適應(yīng)較大的溫度范圍、電容量可以隨時(shí)進(jìn)行檢測識(shí)別、外部電源可以被任意電壓進(jìn)行電位釋放等要求。圖1 為外部電源的具備條件和外部電源的影響關(guān)系圖。

圖1 外部電源的具備條件和外部電源的影響關(guān)系圖

2 外部電源電壓轉(zhuǎn)換

在多模式轉(zhuǎn)換的過程中，由于模式的不同常常會(huì)出現(xiàn)外部電壓在進(jìn)行再次自動(dòng)供電時(shí)，由于電源電壓與用電設(shè)備的電機(jī)電壓產(chǎn)生過大的相位差，導(dǎo)致用電設(shè)備在進(jìn)行合閘時(shí)發(fā)生巨大沖擊電流事故，對(duì)電力設(shè)備的安全產(chǎn)生較大影響，甚至影響到繼電保護(hù)裝置的安全動(dòng)作。因此，在多模式轉(zhuǎn)換的過程中，需要使外部的電源電壓與即將供電的設(shè)備電壓進(jìn)行無縫隙電壓轉(zhuǎn)換[5]。

為了滿足這種多模式下的電源電壓相位一致性，在外部電源進(jìn)行多模式切換的過程中，必須保證外部電源電壓與供電設(shè)備電壓同步。在上一級(jí)供電模式結(jié)束供電后，外部電源需要對(duì)下一級(jí)模式的供電設(shè)備電源進(jìn)行相序變換，圖2 為外部電源相序變換原理圖。

圖2 外部電源相序變換原理圖

在供電系統(tǒng)的主電源與外部電源信息參數(shù)都已知的情況下，兩種電源對(duì)設(shè)備自動(dòng)供電所產(chǎn)生的相位差并不會(huì)隨著時(shí)間的變化而改變。利用這一原理可以在外部電源自動(dòng)供電之前進(jìn)行相序連接。假定外部電源超前電力系統(tǒng)主電源的相位角度為x，由于供電系統(tǒng)的主電源與外部電源之間是相互獨(dú)立的，所以相位角x的取值范圍在-180°～+180°之間[6]。當(dāng)x的取值范圍為-180°～-60°時(shí)，外部電源可以通過改變角度的取值范圍為-60°～+60°；當(dāng)x的取值范圍為-60°～+60°時(shí)，外部電源可以不進(jìn)行相序變換；當(dāng)x取值范圍為60°～180°時(shí)，外部電源的角度變換范圍為-60°～+60°[7]。

在城市電網(wǎng)中有許多的電力負(fù)荷處于串聯(lián)狀態(tài)下，隨著用電量的不斷變化，需要對(duì)外部電壓的電能質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。文中應(yīng)用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)法建立電網(wǎng)與供電設(shè)備之間的受控電壓源，當(dāng)外部電源對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行供電且處于正常狀態(tài)時(shí)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)裝置處于備用狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生的損耗較小，當(dāng)外部電源對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行過渡狀態(tài)下供電時(shí)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)裝置能夠?yàn)楣╇娍蛻舳颂峁┝己玫碾妷嘿|(zhì)量調(diào)節(jié)，有效地補(bǔ)償電壓跌落或提升所造成的相位差，利用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)方法來改變電壓是目前改善電壓的最有效、性價(jià)比最高的方法[8]。圖3 為動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

分析圖3 可知，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)裝置的結(jié)構(gòu)主要由檢測控制電路、儲(chǔ)能部分、電壓調(diào)節(jié)部分、電壓耦合部分組成，每一個(gè)組成結(jié)構(gòu)在功能上均保持相互獨(dú)立，但在電壓的調(diào)節(jié)工作上需要做到協(xié)調(diào)統(tǒng)一[9]。

圖3 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于多模式轉(zhuǎn)換的外部電源自動(dòng)供電

基于多模式轉(zhuǎn)換的外部電源自動(dòng)供電在工作時(shí)分為3 個(gè)部分來完成供電，分別為旁路部分、自檢部分和運(yùn)行部分，圖4 為供電3 部分工作模式圖。

圖4 供電3部分工作模式圖

根據(jù)圖4 中供電3 部分的狀態(tài)可知，隨著開關(guān)的閉合與斷開，外部電源的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置分別進(jìn)入備用、空載、運(yùn)行模式[10]。合理地切換外部電源動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置的3 種工作狀態(tài)，可以保證外部電源對(duì)不同模式下的用電設(shè)備安全可靠的供電[11]。

為了實(shí)現(xiàn)多模式的無縫外部電源自動(dòng)供電轉(zhuǎn)換，文中將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)方法引入到外部電源切換模式自動(dòng)供電方式中，采用外部電源與動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)方法結(jié)合，既可以做到不同模式的快速轉(zhuǎn)換，又能做到外部電源對(duì)供電設(shè)備的平穩(wěn)自動(dòng)供電[12]。圖5 為基于多模式轉(zhuǎn)換的外部電源自動(dòng)供電結(jié)構(gòu)圖。

圖5 基于多模式轉(zhuǎn)換的外部電源自動(dòng)供電結(jié)構(gòu)圖

在文中所研究的結(jié)構(gòu)圖中，主要包括外部電源、變電所主電源、整流器、逆變器、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置等元件。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置主要由外部電源對(duì)其進(jìn)行供電，因此不需要對(duì)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置單獨(dú)安裝儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)[13]。在實(shí)際的外部電源自動(dòng)供電工作中，電網(wǎng)的電源線會(huì)對(duì)外部電源自動(dòng)供電產(chǎn)生一定的干擾，因此在對(duì)外部電源供電方法進(jìn)行研究時(shí)，需要將這種電源線的干擾降到最低，對(duì)于電源線干擾區(qū)域較大的外部供電設(shè)備，采用不同電壓的相線進(jìn)行供電[14]。多模式下的外部電源供電還需要具備測控功能，為了滿足測控設(shè)備的供電需求大多數(shù)外部電源供電需要采用交流電源[15]。交流電網(wǎng)中諧波、雷擊、高頻等因素會(huì)對(duì)外部電源的供電質(zhì)量產(chǎn)生影響，應(yīng)用PLC 控制系統(tǒng)將外部電源的測控裝置與外部電源獨(dú)立，可以明顯地降低影響因素的干擾。目前國外研制出NTN 技術(shù)對(duì)外部噪聲電壓與共模電壓進(jìn)行有效切斷，該技術(shù)可以隔離電源與設(shè)備，是一種理想的隔離變壓器[16]。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證文中方法是否能夠有效地進(jìn)行多模式轉(zhuǎn)換外部電源自動(dòng)供電、解決傳統(tǒng)方法中外部電源對(duì)多模式設(shè)備進(jìn)行供電中存在的問題，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：變電所與外部電源均為三相交流電壓源，用電設(shè)備的額定電壓為8 000 V，外部電源的中性接地方式為星形接地方式，城市電網(wǎng)中的并聯(lián)變壓器變比為8 000 V/4 000 V，城市電網(wǎng)中串聯(lián)變壓器變比為4 000 V/8 000 V，外部電源的直流穩(wěn)定電容為560 μF，外部電壓的濾波電感為2 mH，濾波電容120 μF，外部電源的交流電壓為220 V。圖6為基于多模式轉(zhuǎn)換的外部電源自動(dòng)供電方法仿真模型圖。

圖6 基于多模式轉(zhuǎn)換的外部電源自動(dòng)供電方法仿真模型圖

設(shè)定文中方法變電所的主電源初相位角度為0°，外部電源的初相位為60°，在主電源進(jìn)行供電的過程中，0.35 s 時(shí)發(fā)生三相短路時(shí)用電設(shè)備的電機(jī)繞組中會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊電流，在0.36 s 時(shí)三相短路故障開始逐漸減輕，大約在0.37 s 時(shí)，三相短路故障完全清除，此時(shí)用電設(shè)備的電機(jī)繞組產(chǎn)生的沖擊電流為零，在0.38 s 時(shí)外部電源開始進(jìn)行供電。在主電源與外部電源切換的過程中。引發(fā)出的沖擊電流大約為60 A，而額定的電流幅值為12 A（在用電設(shè)備電極啟動(dòng)過程中，沖擊電流大約為額定電流幅值的10 倍，因此文中方法產(chǎn)生的沖擊電流較?。?，在主電源與外部電源切換的過程中沖擊較小。

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置在0.36 s 時(shí)啟動(dòng)并在短時(shí)間內(nèi)對(duì)外部電源電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)三相短路故障清除時(shí)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置會(huì)產(chǎn)生電壓輸出干擾，之后動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置隨時(shí)間逐漸減小，在0.43 s 時(shí)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置電壓為零，退出供電流程。在0.38 s 時(shí)外部電源投入后，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置中才有電流通過，0.35 s時(shí)發(fā)生三相短路故障后，變電所的主電源進(jìn)行合閘，此時(shí)合閘點(diǎn)的電壓為零，在0.36 s 時(shí)三相短路故障開始清除，同時(shí)預(yù)備向動(dòng)態(tài)電源裝置進(jìn)行輸出電流開始進(jìn)行電壓補(bǔ)償，在0.38 s 時(shí)主電源合閘點(diǎn)的電壓與外部供電電源電壓相同。設(shè)定傳統(tǒng)方法主電源初相位角度為0°，外部電源初相位角度為30°，主電源在進(jìn)行供電的過程中，在0.3 s 秒時(shí)發(fā)生三項(xiàng)短路故障，在0.37 s 時(shí)三相短路故障消除，由于傳統(tǒng)的方法中不具備電壓調(diào)節(jié)功能，外部電源在對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行供電前需要適應(yīng)原主電源對(duì)用電設(shè)備的供電電壓，在0.4 s時(shí)外部電源才開始對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)供電。圖7為兩種方法下的變電所主電源切換到外部電源對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電時(shí)產(chǎn)生的定子三相電流波形對(duì)比圖。

圖7 定子三相電流波形對(duì)比圖

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖可知，文中基于多模式轉(zhuǎn)換的外部電源自動(dòng)供電方法在主電源故障后30 ms 內(nèi)將外部電源投入并使設(shè)備的供電模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，與傳統(tǒng)的外部電源同步。通過比較不同模式轉(zhuǎn)換裝置可知，外部電源的模式切換時(shí)間顯著減少。當(dāng)主電源對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行集中供電時(shí)，首先應(yīng)用傳統(tǒng)方法將外部電源引入到用電設(shè)備的供電模式中，通過驗(yàn)電器對(duì)外部電源的電流進(jìn)行檢測，當(dāng)外部電源對(duì)用電設(shè)備的供電達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，對(duì)用電設(shè)備的整體電壓進(jìn)行測定。通過對(duì)比兩種方法下的用電設(shè)備電壓，確定兩種方法下的電壓穩(wěn)定性差距，圖8 為兩種方法下的電壓穩(wěn)定性對(duì)比圖。

圖8 兩種方法下的電壓穩(wěn)定性對(duì)比圖

通過圖8 可知，文中方法在模式轉(zhuǎn)換過程中對(duì)用電設(shè)備的供電穩(wěn)定性較好，傳統(tǒng)方法中經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換的外部電源采用分散式供電，當(dāng)城市電網(wǎng)中用戶較多時(shí)導(dǎo)致用電設(shè)備的電壓變化幅度大。而對(duì)于文中方法，外部電源進(jìn)行分散式供電，應(yīng)用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)方法對(duì)用電設(shè)備的電壓進(jìn)行改變，顯著提高了用電設(shè)備的電壓穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，整個(gè)電網(wǎng)體系的用電模式顯著增加，為了適應(yīng)電網(wǎng)體系的發(fā)展，文中對(duì)多模式轉(zhuǎn)換的外部電源自動(dòng)供電方法進(jìn)行研究，文中方法通過對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換達(dá)到了多模式無縫隙轉(zhuǎn)換的要求，極大地提高了外部電源自動(dòng)供電效率。