CN102130578A - 内含蓄电池反馈放电回路的直流电源 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高功率因数直流电源，依此为基础构建的不间断电源可实现电池电压反馈式升压输出：交流市电首先经工频变压器变换为幅值合适的交流，再经单相APFC电路变换为直流输送到直流母线，负载从直流母线处取电，蓄电池模拟静置控制电路与蓄电池串联后并接入直流母线，单相APFC主电路由单相整流电路和带有功率因数校正控制电路的Boost升压电路串联而成，在蓄电池和Boost升压电路输入端之间设置有蓄电池反馈放电回路。本发明同时提供了一种名为模拟静置法的蓄电池质量判定方法，并将其物化为电源的内部功能电路，综和应用本发明提供的维护电路，可以对处于在线使用状态下的蓄电池质量做出即时、准确的判定。

Description

内含蓄电池反馈放电回路的直流电源

技术领域  本发明涉及一种将交流变换成直流的直流电源。

背景技术  信息网络时代，信息设备对电能质量提出了更高的要求，国际电工委员会在1988年对谐波标准IEC555-2进行了修正，制定了IEC1000-3-2标准。随着电力电子技术的发展，将交流变换成直流的整流型直流电源已成为电能应用的基础，此类电源必须满足谐波标准，有源功率因数校正(APFC)技术是抑制谐波、提高市电电网功率因数的有效方法，但应用于大功率场合的三相APFC电路控制复杂，导致用户采购、维护成本高昂。

发明内容  本发明的任务是提供一种控制简单的高功率因数直流电源。

一种直流电源：正弦变化的交流市电首先经工频变压器变换为幅值合适的交流电，再经单相有源功率因数校正(APFC)电路变换为平滑的直流电输送到直流母线，直流负载从直流母线处取电。

所述单相APFC电路，在计算机电源等场合获得广泛应用，能使功率因数接近1，THD低，由单相整流电路和带有功率因数校正控制电路的Boost升压电路串联而成，单相整流电路首先将变压器输出的单相交流电整流形成脉动直流电，Boost升压电路在功率因数控制器的控制下，再将脉动直流电变换为平滑的直流电输送到直流母线。

所述工频变压器，将交流市电幅值变换为系统要求的幅值，对于采用悬浮方式输出的直流系统，悬浮在工频变压器处实现，对于采用三相交流输入的直流电源，内部不采用三相APFC电路，而是在三相工频变压器的输出各相上均配置单相APFC电路，三相工频变压器输出绕组结构须允许各相上的APFC电路直流负极相互短接，并且短接不能改变单相APFC电路的工作状态，仍然能使功率因数接近1、THD低，最终使各相APFC电路形成的直流可合并成一个总的直流电输送到直流母线。

本发明利用单相APFC电路形成直流电，不采用三相APFC电路，技术成熟，有工业化生产的功率因数控制芯片，THD低，功率因数接近1，控制简单，成本低廉。

附图说明  下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是三相输入、单相桥式整流直流电源原理图。

图2是三相输入、单相全波整流直流电源原理图。

图3是直流双电源不间断供电系统图。

图4是内含蓄电池反馈放电回路直流不间断电源系统图。

具体实施方式  图1给出了三相输入、单相桥式整流的直流电源原理图。三相工频变压器输出绕组采用各相无电联结的独立单绕组结构，各相输出绕组上的相电压经单相桥式整流电路形成脉动直流电，提供给各自Boost升压电路，在功率因数控制器的控制下形成平滑的直流电，允许将各相桥式整流电路形成的直流负极短接，使各相APFC电路形成的直流合并成一个总的直流电输送到直流母线。

由于Boost电路是一种升压电路，视直流电源输出电压的不同，本发明中工频变压器要将交流市电幅值变换为系统要求的幅值，对于如在YDB037-2009《通信用240V直流供电系统技术要求》中采用悬浮方式输出的直流系统，悬浮要在工频变压器处实现。

图2给出了三相输入、单相全波整流直流电源原理图。三相工频变压器输出各相采用带中间抽头的绕组结构，各相绕组的中间抽头直接短接构成直流负极，各相输出绕组上的相电压经单相全波整流电路形成脉动直流电，提供给各自Boost升压电路在功率因数控制器的控制下形成平滑的直流电输送到直流母线。

除以上两种电路外，利用三个单相工频变压器构成等效三相工频变压器，也可以满足本发明提出的三相输出绕组的结构要求，此情况类同于图1给出的三相工频变压器，可完全照搬图1电路。

以上三相工频变压器输出绕组结构允许各相上的APFC电路直流负极相互短接，并且短接没有改变单相APFC电路的工作状态，仍然能使功率因数接近1、THD低，最终使各相APFC电路形成的直流合并成一个总的直流电输送到直流母线，而传统的三角形、星形输出绕组结构，不能同时满足这些条件。

由于大功率电源一般采用三相交流输入，所以这里以三相输入为例介绍，但是本发明、特别是其后述应用电路完全适用于单相输入。

如此设计，是为了利用单相APFC电路形成直流，最终实现将电池电压反馈到Boost升压电路输入端升压输出，共享升压电路，节省一级DC-DC变换电路，既提高了变换效率，又节约了成本，后文对此有进一步的论述。

本发明提出的直流电源可应用在不间断电源中，不间断供电电源工作原理是：正弦变化的交流市电经直流电源变换成平滑的直流电提供给直流负载，同时给并联的储能蓄电池充电；当市电故障时，直流电源无输出，蓄电池放电为直流负载提供工作电能。这里的直流负载，既可以指需要由直流直接驱动的终端用电负载，又可以指DC-AC逆变器或DC-DC变换器等中间变换负载，由具体应用场景而定。

信息网络时代，信息系统处于24小时不间断工作状态，这对不间断供电系统可靠性提出了更高的要求，由于蓄电池的荷电备用特性，是不间断供电中的最后一道防线，用户需要掌握蓄电池的剩余容量情况，以便对电池放电能力做到心中有数。蓄电池维护管理功能属于直流电源范畴，目前直流电源支持蓄电池带载核对性放电试验，即人为调低直流电源的输出电压、使输出电流为零，蓄电池放电为负载提供工作电能，但在直流双电源不间断供电应用场景中，不附加一级DC-DC变换器，会发生蓄电池端压低于负载端电压，导致蓄电池放不出电，达不到通过带载核对性放电试验掌握蓄电池剩余容量的目的。

图3是直流双电源不间断供电系统图，电源V1经过隔离二极管D1，电源V2经过隔离二极管D2后合并为一路提供负载工作电能，二极管D1、D2的作用是当V1、V2存在电压差时，防止高电压电源给低电压电源反向充电，并且在一路电源发生短路故障时，自动将故障电源隔离，不影响负载供电可靠性。

图3所示供电系统属于两个独立电源、双路供电系统，其可靠性模型具有并联结构，而传统的单电源双路供电系统，其可靠性模型属于串联结构，仅在局部采用并联结构。假设负载要求供电可靠性为RL＝0.999999，在单电源供电系统中，电源可靠性必须大于0.999999，而在图3所示双电源供电系统中，取每个供电支路供电可靠性为R1＝R2＝0.999，整个供电系统可靠性为：

R＝1-(1-R1)×(1-R2)＝1-(1-0.999)×(1-0.999)＝0.999999＝RL

由此可见，在双电源双路供电系统中，为达到相同的负载供电可靠性，电源可靠性须大于0.999，远小于单电源双路供电系统中电源可靠性要求，可靠性要求低，成本低，意味着用户可以购买更多的备件，提高了可维性和可用性；而在使用相同可靠性电源的前提下，双电源双路供电系统可以提供更高的可靠性。

双电源双路供电系统是一种容错系统，一路电源故障不影响供电系统可靠性；而单电源双路供电系统，电源故障严重影响供电系统可靠性，这两种不同的系统对维护人员的心理影响是不同的。维护水平是影响运行可靠性和设备使用寿命的重要因素，而维护人员的心理活动又影响维护水平。人为故障占运行故障的比例很大，而人为故障绝大部分是在电源维护过程中产生的，视人为故障的影响范围不同，电源维护人员要承担一定的经济责任，还会牵连相关人员，影响上下级、同事关系，这导致针对传统的单电源双路供电系统，由于系统存在维护性设计缺陷，为减少人为故障，电源维护人员能不维护，就不维护；能少维护，就少维护；而双电源双路供电系统是一种容错系统，维护性好，人为故障一般不会导致负载掉电，电源维护人员心理压力小，维护工作可以做全做实，从而保证供电系统运行可靠性和设备使用寿命。

由于隔离二极管D1、D2存在压降，在48V等低压不间断供电系统中，双电源双路供电系统的高可靠性，与可以不配置隔离二极管的单电源双路供电系统的配电高效能间存在竞争关系，但在高压直流不间断供电系统，隔离二极管D1、D2压降对系统配电效能影响不大，双电源双路供电系统的高可靠性凸现出来，而且双电源系统可以提供停电检修维护方式，安全性比单电源双路供电系统更好，因此在高压直流不间断供电系统中，采用双电源双路供电是一种最佳方式，并依此为基础构建低成本、高可靠性分散供电系统。

图3所示直流双电源不间断供电系统也存在问题。由于市电故障的不可预见性，为保证不间断供电可靠性，不允许同时对两路直流电源进行带载核对性放电试验，假如人为调低直流电源1的输出电压、使输出电流为零，而直流电源2状态不变，则V2＞V1，负载由直流电源2独立驱动，会发生直流电源1的蓄电池端压低于负载端电压，导致直流电源1的蓄电池放不出电，达不到通过带载核对性放电试验掌握蓄电池剩余容量的目的。产品必须满足用户的需求，可以通过增加一级DC-DC变换电路来提高蓄电池的电压，例如Intl公司推出的400伏稳压输出高压直流供电方案，就采用了这样的两极结构，但两极结构降低了变换效率，增加了成本。

利用本发明提供的直流电源，可以构建一种具有蓄电池反馈放电功能的不间断供电电源，不附加DC-DC变换器，利用一级变换结构也可以实现蓄电池电压的升压输出。图4给出了这种电源的系统结构图，在本发明提供的直流电源基础上，增加了蓄电池模拟静置控制电路和蓄电池反馈放电回路。电池负极与直流母线负极短接，蓄电池模拟静置控制电路与蓄电池串联后并接入直流母线，主要由可控开关K1构成，K1闭合时，允许电流双向流动。在蓄电池和Boost升压电路输入端之间设置有蓄电池反馈放电回路。反馈放电回路主要由蓄电池反馈放电控制电路构成，当直流电源采用三相交流输入时，还需在反馈放电回路中设置隔离二极管D3，D3的作用是仅允许电池反馈电流单向流入到Boost升压电路输入端，防止蓄电池反馈回路影响各相APFC电路的工作，蓄电池反馈放电控制电路，主要由可控开关K2构成。引入蓄电池模拟静置控制电路的目的，是为了配合反馈放电回路工作，防止蓄电池出现一边放电一边充电的不合理工作状态，反馈放电前，要通过模拟静置控制电路先断开蓄电池充电回路。

常态时，K2断开K1闭合，蓄电池反馈放电回路断开，蓄电池接入直流母线充放电；在市电正常情况下，主动闭合K2，可实现蓄电池反馈放电试验，为此工频变压器输出的各相电压最大幅值不应大于蓄电池放电终了电压，使反馈放电试验过程中，单相整流电路中的二极管反向偏置截止，工频变压器空载，Boost升压电路利用电池电压形成直流输出电压输送到直流母线，例如在YDB037-2009《通信用240V直流供电系统技术要求》中，单节放电终了电压取1.8V，整个蓄电池组放电终了电压为1.8×120＝216V，工频变压器输出的各相电压最大有效值取150V，则当断开K1闭合K2时，Boost升压电路就会利用电池电压形成直流输出电压，实现了电池电压的升压输出，图3所示供电系统如果采用这种具有蓄电池反馈放电功能的直流电源，不附加DC-DC变换器，也可以实现蓄电池反馈放电试验，反馈放电结束后，闭合K1断开K2，蓄电池重新接入直流母线充放电；在市电故障、蓄电池放电过程中，可按需要将电池电压反馈到Boost升压电路输入端，例如在上述240V直流系统中，放电一开始，保持闭合K1不变，将Boost升压电路输出值设定为230V，闭合K2将电池电压反馈到Boost升压电路输入端，放电初期电池电压高于230V，Boost升压电路无动作，电池通过闭合的K1自然放电，达到231V转换电压时断开K1，电池转入反馈稳压输出，这种复合放电方式，既保持了放电初期自然放电的高效，又提高了放电末期负载供电电压，保证了供电可靠性。

在市电正常情况下，保持K2断开不变，再断开K1，分析发现此时蓄电池进入一种脱离充电电源的静置状态。剩余容量表明了蓄电池的放电能力，是反映蓄电池质量好坏最直接的评价指标，我们进行过淘汰蓄电池剩余容量试验，试验表明：经过一段脱离充电电源的静置时间后，单体电压与本节电池剩余容量成正相关关系，单体电压越高，剩余容量越多，电池质量越好，反之亦然。如果我们对使用状态下的蓄电池人为营造出一种模拟静置状态，消除充电电压、充电回路和负载回路等使用环境的影响，静置规定时间后，测量单体电压，单体电压数值高低反映了电池质量的优劣，本发明中将这种判定使用状态下蓄电池质量的方法命名为模拟静置法，并且在蓄电池充电结束后通过断开K1随时进入模拟静置状态，利用模拟静置法来判定使用状态下蓄电池质量，测量结束后，闭合K1蓄电池又接入直流母线充放电。为防止断开K1又遇到市电故障等紧急情况、需要蓄电池放电时无放电通道的情况发生，可在K1处并联续流二极管D6，D6仅允许电流从蓄电池流向直流母线。

现有判定使用状态下的蓄电池质量的内阻测量法属于小信号测量法，单体电压属于大信号，所以模拟静置法抗干扰能力强，同一时间重复测量一致性好，数据可信度高。现代电源中，监控系统是标准配置，可对蓄电池单体电压进行24小时不间断监控，配合本发明提供的模拟静置法和相关电路，监控软件会自动判定使用状态下的蓄电池质量，减少了配置内阻测量仪的投资，同时也减少了维护人员的工作量，更容易实现供电系统的集中管理。

Claims (4)

1.一种直流电源：正弦变化的交流电经单相有源功率因数校正(APFC)电路变换为平滑的直流电输送到直流母线，并且使功率因数接近1，THD低，直流负载从直流母线处取电；单相APFC的主电路由单相整流电路和带有功率因数校正控制电路的Boost升压电路串联而成，其特征在于：

工频变压器设置在单相APFC电路和输入交流市电之间，将交流市电幅值变换为系统要求的幅值，对于采用悬浮方式输出的直流系统，悬浮在工频变压器处实现，对于采用三相交流输入的直流电源，内部不采用三相APFC电路，而是在三相工频变压器输出各相上均配置单相APFC电路，三相工频变压器输出绕组结构须允许各相上的APFC电路直流负极相互短接，并且短接不能改变单相APFC电路的工作状态，仍然能使功率因数接近1、THD低，最终使各相APFC电路形成的直流可合并成一个总的直流电输送到直流母线。

2.根据权利要求1所述的直流电源，其特征在于：

蓄电池与蓄电池模拟静置控制电路串联后再并接入直流母线，电池负极与直流母线负极短接，蓄电池模拟静置控制电路主要由可控开关K1构成，K1闭合时，允许电流双向流动；常态时，K1闭合，蓄电池接入直流母线充放电，当充电结束需要判断蓄电池质量时，断开K1，使蓄电池进入一种脱离充电电源的模拟静置状态，消除充电电压、充电回路和负载回路等使用环境的影响，静置规定时间后，测量单体电压，单体电压数值高低反映了电池质量的优劣，测量结束后，闭合K1蓄电池又接入直流母线充放电；为防止断开K1又遇到市电故障等紧急情况，需要蓄电池放电时无放电通道的情况发生，可在K1处并联续流二极管D6，D6仅允许电流从蓄电池流向直流母线。

3.根据权利要求2所述的直流电源，其特征在于：

在蓄电池和单相APFC电路内的Boost升压电路输入端之间设置有蓄电池反馈放电回路，反馈放电回路主要由蓄电池反馈放电控制电路构成，当直流电源采用三相交流输入时，还需在反馈放电回路中设置隔离二极管D3，D3的作用是仅允许电池反馈电流单向流入到Boost升压电路输入端，防止蓄电池反馈回路影响各相APFC电路的工作，蓄电池反馈放电控制电路，主要由可控开关K2构成；常态时，K2断开，导致蓄电池反馈放电回路断开，可按需要闭合K2，将电池电压反馈到Boost升压电路输入端，实现电池电压的升压输出，为防止蓄电池出现一边放电一边充电的不合理工作状态，反馈放电前，要通过模拟静置控制电路先断开蓄电池充电回路。

4.一种名为模拟静置法的判定使用状态下蓄电池质量的方法，蓄电池作为一种储能设备，剩余容量表明了电池的放电能力，是反映电池质量好坏最直接的评价指标，其特征在于：

对使用状态下的蓄电池人为营造出一种模拟静置状态，消除充电电压、充电回路和负载回路等使用环境的影响，静置规定时间后，单体电压与本节电池剩余容量成正相关关系，测量单体电压，单体电压越高，剩余容量越多，电池质量越好，反之亦然，从单体电压数值即可对电池质量做出判断。

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