張  淼，張艷妍，趙  賀，饒  強

　　（國網北京市電力公司 電力科學研究院，北京100075）

　　摘  要： 為了解決電力負荷的電源在切換過程中存在的短時停電、電流及電壓沖擊等問題，本文設計了一種基于電力電子變流器的電源平滑切換裝置。裝置充分利用了靈活的電力電子電能變換技術，通過變流器并網-離網-并網-脫離的過程，完成舊電源到新電源的不停電、平滑切換。該裝置可以用于變壓器間負荷的轉移以及調節三相不平衡負荷。

　　關鍵詞： 電源平滑切換；電力電子變流器；不間斷供電技術；三相不平衡

0 引言

　　電力負荷供電經常需要從一個電源切換到另外一個電源，一種切換方法是首先斷開舊電源供電，然后用新電源給負荷供電，這種方法會造成負荷的短時停電；另一種方法是首先通過構建聯絡，負荷由新、舊電源同時供電，然后斷開舊電源，負荷改由新電源供電，此種方法需要兩電源頻率相同，相位、幅值差在一定范圍內，合環沖擊電流滿足要求。本文設計了一種基于電力電子變流器的平滑切換裝置，可以在負荷不停電的情況下完成無沖擊電流的電源切換操作。

1 主電路拓撲

　　本文設計的電源平滑切換裝置主電路拓撲如圖1所示。

　　圖1中I、II分別表示I電源和II電源的母線，K1負載分別通過s5、s6開關連接于I、II電源，通過s4連接于變流器J1，變流器J1分別通過s1、s2連接于I、II電源。同樣的連接方式可以擴展到之后的K2等負載。

　　2 工作原理

　　變流器J1是整個切換裝置的核心部分，通過利用變流器可靈活調節輸出電壓的幅值、相位、頻率的特點，完成負載在新、舊電源之間的平滑的功率交接。下面首先通過介紹裝置的切換流程理解裝置的工作原理，然后具體講解圖1的切換過程，如圖2所示。

　　圖2展示了裝置的切換流程，變流器將新電源的交流電通過整流成直流，再逆變并網到舊電源，此時構建了新、舊電源同時供電模式。逐漸增大變流器功率輸出，減小舊電源功率輸出，當舊電源功率接近零時，斷開舊電源，負載離網運行，由變流器獨立供電。改變變流器輸出電壓的幅值、相位和頻率，使其與新電源相同，當達到和新電源的并網條件時并入新電源，變流器再次并網運行。逐漸減小變流器輸出，最終閉鎖變流器，并將變流器與電源和負載斷開，平滑切換成功完成。在切換過程中變流器經歷了并網-離網-并網-脫離四個階段。

3 不同母線電源間的平滑切換應用

　　圖1展示了裝置完成不同母線電源間平滑切換的一種應用實例，假設K1初始時工作于I母線，s5處在合位，s6拉開，s1、s2、s3、s4為拉開狀態，切換目標為K1負載從I母線切換至II母線供電，則進行如下的操作：

　　（1）合上s2，啟動變流器，調節變流器輸出電壓，使其相位、幅值、頻率與I母線電壓相同。

　　（2）合上s4，K1電流由s5和變流器同時提供。

　　（3）增加變流器電流輸出，減少s5上流過的電流到零附近。

　　（4）斷開s5，負荷由變流器獨立供電。

　　（5）改變變流器L2輸出端的電壓幅值和相位，使其與II母線電壓幅值、相位、頻率相同。

　　（6）合上s5，K1電流由s6和變流器同時供電。

　　（7）閉鎖變流器，斷開s4，s2，變流器退出供電，K1線路由I母線獨立供電，切換完畢。

　　（8）用同樣的流程可以完成K2在I、II母線之間的平滑切換。

4 解決低壓三相不平衡的方案

　　低壓三相不平衡的根本原因是接入不同相的負荷功率不同，通過切換單相分支的供電相可以達到調節三相負荷不平衡的目的。傳統的換相裝置首先斷開舊相電源再接通新相電源，換相過程中存在一定時間的停電，通過應用本文中的平滑切換裝置，可以在保證供電可靠性的情況下，完成不同相電源之間的平滑供電切換。

　　圖3展示了三相不平衡解決方案的電路拓撲圖，假設初始時刻s4閉合，其他開關斷開，負荷工作于A相，切換目標是將負荷從A相供電切換至B相供電。切換程序如下：

　　（1）合上s2，啟動變流器，調節變流器輸出電壓，使其相位、幅值、頻率與A相電壓相同。

　　（2）合上s7，負荷由變流器和s4同時供電。

　　（3）增加變流器有功、無功輸出，減少s4上流過的電流到零。

　　（4）斷開s4，負荷由變流器獨立供電。

　　（5）改變變流器L2輸出端的電壓幅值和相位，使其接近B相電壓幅值和相位。

　　（6）合上s5，負荷由s5和變流器同時供電。

　　（7）閉鎖變流器，斷開s7，s2，變流器退出供電，負荷由B相獨立供電，切換完畢。

5 電源平滑切換裝置的應用意義

　　歸結起來，該裝置具有如下的應用意義：

　　（1）減少因電源倒切造成的負荷停電；

　　（2）避免了聯絡（合環）操作造成的電源之間及電源對負荷的沖擊。

　　（3）該裝置切換過程中，在開關每次開通和斷開時，兩側的電壓可以認為相同，流過的電流為零，不會產生弧光放電，因此切換裝置可以很好地保護開關，避免弧光放電對觸頭及絕緣氣體的損傷和消耗，延長開關壽命。

　　（4）通過該裝置可以完成異步電源甚至不同頻率電源之間的切換。

6 結論

　　本文介紹了一種基于電力電子變流器的電源平滑切換裝置，重點介紹了其主電路拓撲及工作流程和原理。平滑切換裝置充分利用了變流器輸出的電壓、電流可靈活調節的特點，通過并網-離網-并網-脫離的工作流程，完成了兩個電源不間斷供電情況下的平滑切換。該平滑切換裝置可以在變壓器負荷轉移、調節三相不平衡等場合下得到應用。