一种基于超级电容的备用电源快速投切系统技术方案

一种基于超级电容的备用电源快速投切系统，包括电网的主电源和备用电源，设置过渡电源、双向换流器和固态切换开关，过渡电源的输出经双向换流器连接到固态切换开关，所述过渡电源采用超级电容器，所述固态切换开关包括反并联晶闸管阀和快速机械开关并联的复合结构；主电源、备用电源和过渡电源的输出并联后送至固态切换开关，经由固态切换开关的选择后向敏感负荷供电，包括正常运行时由主电源供电，主电源发生故障后通过固态切换开关切换至过渡电源，等待备用电源的输出电压满足要求后再通过固态切换开关切换至备用电源。该发明专利技术方案适用性广，尤其适用于配网利用柴油发电机作为备用电源的情况，能够改善电能质量、提高供电的可靠性和连续性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电网备用电源快速投切
，尤其涉及一种基于超级电容的备用电源快速投切系统。
技术介绍
由于现代电网电压等级越来越高、规模不断扩大、结构也日趋复杂，因此带来的电网发生故障的概率不断增加；另一方面，电网中对供电可靠性要求很高的敏感性负载日益增多，这些敏感负荷对电能质量提出了较高要求。配电网中存在着大量的敏感性负荷一旦供电发生暂降或中断，所造成的损失是巨大的，甚至危及人身安全。对于这一类负荷的供电，常见的措施是使用两套独立的供电系统供电，当正在运行的主电源出现故障或异常时，需要将敏感负荷迅速切换到备用电源，以提高供电可靠性、保护敏感负荷和电网的安全。备用电源传统的切换方法是使用机械开关进行切换，将用户从故障母线切换到满足电能质量要求的备用电源。在中压和高压配网中采用的大多为机械切换开关，其本身固有的特性使其切换速度和暂态特性都不是十分理想，不能够做到“无缝隙”的切换。机械开关典型的切换时间在数秒到数十秒之间，即使采用真空开关或油开关切换，最快也需要0.1~0.2s的时间，达不到敏感负荷对供电连续性的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于超级电容的备用电源快速投切系统。本专利技术的技术方案提供一种基于超级电容的备用电源快速投切系统，包括电网的主电源和备用电源，设置过渡电源、双向换流器和固态切换开关，过渡电源的输出经双向换流器连接到固态切换开关，所述过渡电源采用超级电容器，所述固态切换开关包括反并联晶闸管阀和快速机械开关并联的复合结构；主电源、备用电源和过渡电源的输出并联后送至固态切换开关，经由固态切换开关的选择后向敏感负荷供电，包括正常运行时由主电源供电，主电源发生故障后通过固态切换开关切换至过渡电源，等待备用电源的输出电压满足要求后再通过固态切换开关切换至备用电源。而且，所述主电源为变电站的母线。而且，所述备用电源为柴油发电机。而且，采用dq变换法进行电压暂降检测，所述固态切换开关根据检测结果进行切换。而且，固态切换开关的切换采用强迫切换策略。本专利技术特别适用于在柴油发电机作为备用电源的情况下，将超级电容器作为主电源切换到备用电源之间的过渡性电源能够弥补柴油发电机的缺点；该方案尤其适用于在配网系统发生大停电事故的情况下，利用柴油发电机作为备用电源给敏感负载供电。本专利技术采用的切换开关为基于晶闸管和快速机械切换开关的复合开关，这种切换开关在正常运行时具有和机械开关一样的效率，同时在故障情况下能够快速将敏感负荷切换至备用电源，结合了两者的优点，具有广泛的应用前景。本专利技术方案能够改善电能质量、提高供电的可靠性和连续性，保障社会经济生产安全，具有重要的实际推广价值和应用前景，对国民经济的发展和人民生活水平的提高有不可忽视的作用。附图说明图1是本专利技术实施例的系统拓扑结构图；图2是本专利技术实施例的故障情况下由SSTS第一次切换所得到的负载电压波形图；图3是本专利技术实施例的故障情况下由SSTS第二次切换所得到的负载电压波形图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术技术方案进行具体描述。本专利技术的技术方案为一种基于超级电容的备用电源快速投切系统，用于在主电源出现故障的情况下将敏感负荷迅速切换到备用电源，以提高供电可靠性和连续性、保护敏感负荷和电网的安全。以晶闸管为代表的半导体器件的导通时间可以达到微秒级，可以大大提高切换速度，满足敏感负载对供电可靠性和电能质量的要求。本专利技术提供的一种基于超级电容的备用电源快速投切系统，基于电网现有的主电源和备用电源，设置过渡电源、双向换流器和固态切换开关，过渡电源的输出经双向换流器连接到固态切换开关，所述过渡电源采用超级电容器，所述固态切换开关包括反并联晶闸管阀和快速机械开关并联的复合结构；主电源、备用电源和过渡电源的输出并联后送至固态切换开关，经由固态切换开关的选择后向敏感负荷供电，包括正常运行时由主电源供电，主电源发生故障后通过固态切换开关切换至过渡电源，等待备用电源的输出电压满足要求后再通过固态切换开关切换至备用电源。本专利技术实施例的主电源为变电站的10kV母线，备用电源为柴油发电机(具体实施时可以采用多个柴油发电机构成的柴油发电机组)。由于柴油发电需要的启动时间比较长，一般十几秒至几十秒，体现不出固态切换开关的优势，满足不了敏感负荷快速切换的要求，故采用超级电容器作为过渡性供电电源，等待柴油发电机输出的电压波形满足要求后，再将敏感负荷切换到柴油发电机组。本专利技术所用的SSTS(固态切换开关)基本结构单元为反并联晶闸管阀和快速机械开关并联的复合结构。正常的运行情况下，由机械开关导通向负载供电，晶闸管处于关断状态；需要进行切换时，通过操作机械开关以及控制晶控制闸管的触发信号，来实现备用电源的快速投切，连续可靠地给负载供电。参见图1，本专利技术实施例的系统拓扑结构中，主电源为变电站10kV母线(记为1#电源)，备用电源为柴油发电机(记为2#电源)，过渡电源为超级电容器(具体实施时可以采用多个超级电容器构成的超级电容器组，记为31#电源)。主电源、备用电源和过渡电源并联，任一时刻有且仅有一个工作。三者输出并联后送至固态切换开关，经由固态切换开关的选择后向敏感负荷供电。正常运行时由主电源供电；备用电源为柴油发电机组，发生故障后经过一定顺序的开关投切操作，将敏感负载最后切换至柴油发电机组。超级电容有比较高的功率密度、合适的能量密度和很高的充放电速度，而且具有控制简单、转换效率高、无污染和工作温度范围广等优点，这些优点使超级电容器适用于短期的大功率充放电。考虑到柴油发电机的启动时间较长，将超级电容器作为过渡性电源，超级电容通过双向换流器连接至固态切换开关。发生故障后能够迅速地调节超级电容输出电压，并控制SSTS将负载切换至超级电容，保证对敏感负载供电的连续性，等待柴油发电机输出电压满足要求后，再将负载切换到柴油发电机组。为了减少故障检测所消耗的时间，SSTS需要采用更加快速先进的算法才能提高切换速度。目前电压暂降检测的算法有很多，应用比较多的有电压峰值检测法、傅里叶变换法、小波变换法和dq变换法等，具体实施时，本领域技术人员可根据需要选择使用。其中dq变换法的实时性和可靠性高，可以满足SSTS对电压暂降检测的要求。因此，本专利技术经过实验对比，进一步提出采用dq变换法进行电压暂降检测，所述固态切换开关根据检测结果进行切换。SSTS切换控制策略主要有两种：过零切换(BBM)和强迫切换(MBB)，过零切换是指主电源侧晶闸管完全关断后再触发备用侧晶间管的切换方式，一般设定过零门槛电流在额定电流的0.5%以下，过零切换控制方式比较简单，可以很好地防止环流发生，但切换时间相对较长，通常在半个周波左右。为了实现无缝隙切换，本专利技术进一步提出固态切换开关的切换采用强迫切换策略。图2是本专利技术实施例的故障情况下由SSTS第一次切换所得到的负载电压波形图。3#电源实时跟踪1#电源电压的幅值和相位，在时间t=1.255s时10kv母线发生三相短路故障，敏感负载快速从1#电源切换到3#电源，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超级电容的备用电源快速投切系统，包括电网的主电源和备用电源，其特征在于：设置过渡电源、双向换流器和固态切换开关，过渡电源的输出经双向换流器连接到固态切换开关，所述过渡电源采用超级电容器，所述固态切换开关包括反并联晶闸管阀和快速机械开关并联的复合结构；主电源、备用电源和过渡电源的输出并联后送至固态切换开关，经由固态切换开关的选择后向敏感负荷供电，包括正常运行时由主电源供电，主电源发生故障后通过固态切换开关切换至过渡电源，等待备用电源的输出电压满足要求后再通过固态切换开关切换至备用电源。

【技术特征摘要】
1.一种基于超级电容的备用电源快速投切系统，包括电网的主电源和备用电源，其特征在于：设置过渡电源、双向换流器和固态切换开关，过渡电源的输出经双向换流器连接到固态切换开关，所述过渡电源采用超级电容器，所述固态切换开关包括反并联晶闸管阀和快速机械开关并联的复合结构；主电源、备用电源和过渡电源的输出并联后送至固态切换开关，经由固态切换开关的选择后向敏感负荷供电，包括正常运行时由主电源供电，主电源发生故障后通过固态切换开关切换至过渡电源，等待备用电源的输出电压满足要求后再通过固态切换开关切换至备用电源。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永新，王斌，李晋峰，王立东，钱江，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网山西省电力公司运城供电公司，
类型：发明
国别省市：北京;11