张  淼，张艳妍，赵  贺，饶  强

　　（国网北京市电力公司 电力科学研究院，北京100075）

　　摘  要： 为了解决电力负荷的电源在切换过程中存在的短时停电、电流及电压冲击等问题，本文设计了一种基于电力电子变流器的电源平滑切换装置。装置充分利用了灵活的电力电子电能变换技术，通过变流器并网-离网-并网-脱离的过程，完成旧电源到新电源的不停电、平滑切换。该装置可以用于变压器间负荷的转移以及调节三相不平衡负荷。

　　关键词： 电源平滑切换；电力电子变流器；不间断供电技术；三相不平衡

0 引言

　　电力负荷供电经常需要从一个电源切换到另外一个电源，一种切换方法是首先断开旧电源供电，然后用新电源给负荷供电，这种方法会造成负荷的短时停电；另一种方法是首先通过构建联络，负荷由新、旧电源同时供电，然后断开旧电源，负荷改由新电源供电，此种方法需要两电源频率相同，相位、幅值差在一定范围内，合环冲击电流满足要求。本文设计了一种基于电力电子变流器的平滑切换装置，可以在负荷不停电的情况下完成无冲击电流的电源切换操作。

1 主电路拓扑

　　本文设计的电源平滑切换装置主电路拓扑如图1所示。

　　图1中I、II分别表示I电源和II电源的母线，K1负载分别通过s5、s6开关连接于I、II电源，通过s4连接于变流器J1，变流器J1分别通过s1、s2连接于I、II电源。同样的连接方式可以扩展到之后的K2等负载。

　　2 工作原理

　　变流器J1是整个切换装置的核心部分，通过利用变流器可灵活调节输出电压的幅值、相位、频率的特点，完成负载在新、旧电源之间的平滑的功率交接。下面首先通过介绍装置的切换流程理解装置的工作原理，然后具体讲解图1的切换过程，如图2所示。

　　图2展示了装置的切换流程，变流器将新电源的交流电通过整流成直流，再逆变并网到旧电源，此时构建了新、旧电源同时供电模式。逐渐增大变流器功率输出，减小旧电源功率输出，当旧电源功率接近零时，断开旧电源，负载离网运行，由变流器独立供电。改变变流器输出电压的幅值、相位和频率，使其与新电源相同，当达到和新电源的并网条件时并入新电源，变流器再次并网运行。逐渐减小变流器输出，最终闭锁变流器，并将变流器与电源和负载断开，平滑切换成功完成。在切换过程中变流器经历了并网-离网-并网-脱离四个阶段。

3 不同母线电源间的平滑切换应用

　　图1展示了装置完成不同母线电源间平滑切换的一种应用实例，假设K1初始时工作于I母线，s5处在合位，s6拉开，s1、s2、s3、s4为拉开状态，切换目标为K1负载从I母线切换至II母线供电，则进行如下的操作：

　　（1）合上s2，启动变流器，调节变流器输出电压，使其相位、幅值、频率与I母线电压相同。

　　（2）合上s4，K1电流由s5和变流器同时提供。

　　（3）增加变流器电流输出，减少s5上流过的电流到零附近。

　　（4）断开s5，负荷由变流器独立供电。

　　（5）改变变流器L2输出端的电压幅值和相位，使其与II母线电压幅值、相位、频率相同。

　　（6）合上s5，K1电流由s6和变流器同时供电。

　　（7）闭锁变流器，断开s4，s2，变流器退出供电，K1线路由I母线独立供电，切换完毕。

　　（8）用同样的流程可以完成K2在I、II母线之间的平滑切换。

4 解决低压三相不平衡的方案

　　低压三相不平衡的根本原因是接入不同相的负荷功率不同，通过切换单相分支的供电相可以达到调节三相负荷不平衡的目的。传统的换相装置首先断开旧相电源再接通新相电源，换相过程中存在一定时间的停电，通过应用本文中的平滑切换装置，可以在保证供电可靠性的情况下，完成不同相电源之间的平滑供电切换。

　　图3展示了三相不平衡解决方案的电路拓扑图，假设初始时刻s4闭合，其他开关断开，负荷工作于A相，切换目标是将负荷从A相供电切换至B相供电。切换程序如下：

　　（1）合上s2，启动变流器，调节变流器输出电压，使其相位、幅值、频率与A相电压相同。

　　（2）合上s7，负荷由变流器和s4同时供电。

　　（3）增加变流器有功、无功输出，减少s4上流过的电流到零。

　　（4）断开s4，负荷由变流器独立供电。

　　（5）改变变流器L2输出端的电压幅值和相位，使其接近B相电压幅值和相位。

　　（6）合上s5，负荷由s5和变流器同时供电。

　　（7）闭锁变流器，断开s7，s2，变流器退出供电，负荷由B相独立供电，切换完毕。

5 电源平滑切换装置的应用意义

　　归结起来，该装置具有如下的应用意义：

　　（1）减少因电源倒切造成的负荷停电；

　　（2）避免了联络（合环）操作造成的电源之间及电源对负荷的冲击。

　　（3）该装置切换过程中，在开关每次开通和断开时，两侧的电压可以认为相同，流过的电流为零，不会产生弧光放电，因此切换装置可以很好地保护开关，避免弧光放电对触头及绝缘气体的损伤和消耗，延长开关寿命。

　　（4）通过该装置可以完成异步电源甚至不同频率电源之间的切换。

6 结论

　　本文介绍了一种基于电力电子变流器的电源平滑切换装置，重点介绍了其主电路拓扑及工作流程和原理。平滑切换装置充分利用了变流器输出的电压、电流可灵活调节的特点，通过并网-离网-并网-脱离的工作流程，完成了两个电源不间断供电情况下的平滑切换。该平滑切换装置可以在变压器负荷转移、调节三相不平衡等场合下得到应用。