CN102201691B - 用于核电站动力应急电源之蓄能系统模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，包括由多个电池模组并联构成的电池阵列、通过直流母线与各所述电池模组电连接的换流装置，可实时监测和控制各电池模组状态的电池管理系统。所述电池模组由多个电池包串联或/和并联构成，所述换流装置包括：多路换流单元，采样单元、分别与所述多路换流单元连接的多个内置控制器，以及分别与所述采样单元和多个内置控制器连接的中央控制器。所述电池管理系统由电池状态参数采集元件、信号检测模块、电池模组监控器组成。本发明可在厂外主电源、辅助电源和厂内应急电源失去时、而应急柴油发电机不能正常起动时，用作应急电源的蓄能系统模块，维持核电站重要用电设备正常运行。

Description

用于核电站动力应急电源之蓄能系统模块

技术领域

本发明属于核电领域，涉及百万千瓦级先进压水堆核电站的新型节能系统，尤其涉及用于核电站应急系统中用于向核电站用电设备供电的蓄能系统中的电池模组和换流装置。

背景技术

核电站（nuclear power plant）是利用核裂变(Nuclear Fission)或核聚变(Nuclear Fusion)反应所释放的能量产生电能的发电厂。为了保护核电站工作人员和核电站周围居民的健康，核电站的设计、建造和运行均采用纵深防御的原则，从设备、措施上提供多重保护，以确保核电站对反应堆的输出功率进行有效的控制，且能够在出现各种自然灾害，如地震、海啸、洪水等，或人为产生的火灾、爆炸等，也能确保对反应堆燃料组件进行充分的冷却；进而保证放射性物质不发生向环境的排放。纵深防御原则一般包括五层防线，第一层防线：精心设计、制造、施工，确保核电站有精良的硬件环境，建立完善的程序和严格的制度，对核电站工作人员有系统的教育和培训，建立完备的核安全文化；第二层防线：加强运行管理和监督，及时正确处理异常情况，排除故障；第三层防线：在严重异常情况下，反应堆的控制和保护系统能及时并有效的动作，以防止设备故障和人为差错进而发展为事故；第四层防线：在事故情况下，及时启用核电站安全保护系统，包括各种专设安全设施，用以加强事故中的电站管理，防止事故扩大，以保护核电站3道屏障的完整性；第五层防线：万一发生极不可能发生的事故，并伴有放射性外泄，应及时启用厂内外一切应急系统，努力减轻事故对周围居民和环境的影响。

安全保护系统均采用独立设备和冗余布置，使得安全系统可以抗地震和在其他恶劣环境中运行。

电源作为核电站运行的动力源，无论是设置上还是运行上，都应体现纵深防御的理念。为实现核电站电源系统的高可靠性，对某些特别重要的用电设备或特殊要求的设备均应备有应急电源，同时进行多重性、独立性地设置，以避免发生共模故障导致应急电源的不可用。

核电站的应急电源系统和正常电源系统一起，共同构成厂用电系统，为厂内所有的用电设备提供安全可靠的供电。应急电源必须保证在正常运行工况、事故工况期间或事故工况后为核电站的应急安全设备提供电源，以执行安全功能。由于核电站核安全的特殊性，故而其电源系统的设计要求应大大高于其他行业。

核电站设置有多道冗余电源，包括厂外主电源、厂外辅助电源和应急固定式柴油机等专用应急电源，各电源各司其职，同时又互有配合，不仅形式多样，而且层层设置，多重冗余，最大限度地为电核电站提供可靠的供电。

目前，核电站的厂用电系统运行方式如下：

1）在正常运行条件下，整个厂用设备的配电系统由机组的26KV母线经过高压厂用变压器供电；

2）当机组运行时，26KV母线由主发电机供电；

3）发电机停机时，则由400/500KV电网经过主变压器向26KV母线倒送电；

4）如果26KV母线失去电源或失去高压厂用变压器，即失去厂外主电源，则220KV电网经过辅助变压器向必须运行的安全辅助设施供电，使反应堆维持在热停堆状态；

5）如果厂外主电源和厂外辅助电源均失去供电，则由应急柴油发电机组（一个机组配两台应急柴油发电机）向应急厂用设备供电，使反应堆进入冷停堆状态；

6）当核电机组的任何一台应急柴油发电机组不可用时，则由第五台柴油机取代，执行应急柴油发电机组的功能，向应急厂用设备供电。

然而，固定式的应急柴油机组，具有一定的局限性。这是因为，在固定式柴油机驱动发电机运转、将柴油的能量转化为电能时，必须通过在固定式柴油机汽缸内、将过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油充分混合后，推动活塞下行，各汽缸按一定顺序依次作功，从而带动曲轴旋转。再通过固定式柴油机的旋转带动发电机的转子，利用“电磁感应”原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流，从而实现发电功能。上述发电过程中，必须通过空气与高压雾化柴油的充分混合才能实现。当在洪水、海啸、泥石流等情形下时，固定式柴油机的电气系统将有可能因为水淹而失效，供油管道、压缩空气管道将有可能因为外部冲击力而断裂，柴油机本体有可能因为冲击力而结构发生变形，这些都会导致固定式柴油发电机组无法启动，进而无法提供应急电源。

因此，在其他电源失去的情况下，作为核电站最终应急电源的固定式应急柴油机组，由于其自身特点决定了其不能抵抗水淹灾害——如洪水、海啸、台风潮等，当出现超设计基准的极端自然灾害时，固定式应急柴油机组很容易失去供电，无法为核电站提供反应堆芯余热排出和乏燃料水池冷却的动力需求，这将导致核电站产生灾难性的后果。

目前，现有的核电站蓄电池系统多采用铅酸蓄电池，多用于在应急情况下为电站控制系统电，容量小（一般为200-3000Ah），体积大，一般在地面上通过钢框架进行固定，占地面积大，且不能对每个电池模组或电池单体进行状态监测，而且不便于根据不同核电站的容量需求进行模块化组装扩容。现有电动车领域所用到的电池单体容量小，体积小，重量轻，规模小，数量少，便于安装和固定。这样的电池用到核电站这样的大容量需求的场合，单体电池的数量无遗将是一个庞大的数字，，其叠放固定方式无法适用于核电站应急动力电源蓄能系统大量高容量电池。

现有电池管理系统的管理方法之一是：单体电池分别本地化检测计算，计算数据通过一定的通讯手段集中起来统一再处理和并进行控制。该方法用到核电站作为应急动力电源蓄能系统时存在的问题是：由于电池数量大，需要用到的电池内置检测计算芯片也多，使得成本和复杂度提高，并且要求通信总线有很高的带载能力。现有电池管理系统的管理方法之二是：集中检测计算并进行控制的方法：所有单体电池的电压、电流、温度统一引入至中央管理系统进行检测计算并进行控制。该方法用到核电站作为应急动力电源蓄能模块时存在的问题是：由于电池数量大，引线长而且多，容易受到电磁干扰，而且因为线阻大而直接影响测量精度，因为需要把个单体电池电压信号引入中央管理系统，容易引起导线发生短路而直接影响蓄能系统安全，因为引线数量多，中央管理系统难以有相同数量的接线端口。

目前，模块化整流/充电模块已经得到广泛应用，少量UPS模块并联也有样机出现。但是，现有的核电站应急动力电源换流装置的结构为整体单机型式，所以其容量受限，无法用在大容量的应急电源装置中。而且如果核电站应急动力电源换流装置内部的某个部分发生故障，将导致整个核电站应急动力电源换流装置无法供电，失去应急或备用电源的独特作用，这样也会大大降低核电站应急动力电源换流装置的可靠性。

目前的换流装置的固定结构中，虽然有各种形式的常规结构的装置，但是现有技术中的装置抗震性能差，无法承受高烈度的地震，在地震中装置的机柜很容易变形，将导致换流装置不能正常地工作，影响核电站相关设备运行的可靠性，不利于核电站的安全运行。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种用于核电站应急电源中的蓄能系统模块，解决现有的核电站应急动力电源换流装置在其某个部分发生故障时，导致整个核电站应急动力电源换流装置无法供电、容量受限以及抗震性差的问题；同时解决对于大量高容量单体电池的可靠叠放固定和监测管理问题，使得既能便于维修更换、节省占地空间、便于模块化扩容，又有利于电池散热保证使用寿命，而且能够在发生高烈度地震时不会出现松动或开裂等损坏，保证设备功能正常，在厂外主、厂外辅助电源和厂内应急电源等通用电源失去、而应急柴油发电机不能正常起动时，蓄电池组能够实现快速、及时地向反应堆安全设施及乏燃料系统提供应急电源，维持核电站处于安全状态，从而防止在发生紧急状态时由于断电而带来的严重后果。

本发明的技术方案是：

一种用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，

包括由多个电池模组并联构成的电池阵列、通过直流母线与各所述电池模组电连接的换流装置，可实时监测和控制各电池模组状态的电池模组监控器；

所述电池模组由多个电池包串联或/和并联构成，所述电池包为多个单体电池串接后形成的模块式结构；

所述电池包对应有一个信号检测模块，所述单体电池内置有温度采集元件、电压采集元件，用于将采集的单体电池温度和电压信息传送至所属电池包的信号检测模块上，所述信号检测模块通过数据传输线与电池模组监控器相连；

所述电池包串联在一起时，串联总线上设有测量该串电池包工作电流的电流检测器件；

所述信号检测模块实现对相应电池包中单体电池的温度、电压进行本地化检测汇总；所述电池模组监控器对来自其下游各信号检测模块的信号、以及来自其下游各串电池包的电流检测元件的信号进行集中计算处理，以获得各电池包中单体电池的温度、电压、电流、内阻、剩余电量和定位地址，实现对其下游各电池包监控；所述电池模组监控器可与外界中央控制系统进行通讯，即中央控制系统通过与各电池模组监控器的通讯，实时监视各电池模组中电池状态，并对电池模组进行控制。

所用到的电池单体具有容量大（可能达5000-10000Ah）、体积比较大，重量重的特点。

所述各单体电池成行或成列排列，各单体电池之间夹设有柔性垫或至少两竖向设置的柔性条，且各相邻的单体电池正、负极柱之间柔性电连接。

所述各单体电池之正、负极柱上开设有连接孔，柔性电连接线两端通过连接件固定于连接孔上。

所述连接件顶部包覆有一绝缘罩。所述电池柜柜体包括设置于四条竖直边内部竖直方向的四根槽钢、电池仓两侧的钢架结构、电池柜柜体的侧面焊接加强钢梁。

所述电池柜或电池架内设置有多个平行设置的隔板，在竖直方向上形成一列或多列可放置多个电池包的电池仓，所述信号检测模块设于电池仓内，于电池柜或电池架侧端，竖向设有布线仓，所述电池模组监控器设于柜体或架体上。

所述电池柜背部开设有可进气的百叶窗，顶部设有排气风扇，隔板上开设有散热槽。

将所述电池包置于一外壳内，再安装于所述电池仓内；所述外壳内壁设有与所述电池包外侧柔性接触的弹性件。

所述外壳侧面及底面开设有散热槽，所述外壳两个侧面还分别设置有可固定在电池仓上的第一连接件。

所述外壳底部设有至少二个便于移动的滚轮或滚轴。

所述外壳上还设有一可将外壳内单体电池压紧、固定的端盖。

将所述电池包置于一端开口的电池筐上，再安装于所述电池仓上；所述电池筐上设有与所述电池包外侧柔性接触的弹性件。

所述电池筐上设置有第二连接件，用于连接可将排列于电池筐内单体电池拉紧的紧固条，所述电池筐上还设置有可将其固定在所述电池仓上的第三连接件。

所述电池筐底部设有至少二个滚轮或滚轴。

所述换流装置包括：

多路换流单元，所述每一路换流单元的交流侧接交流母线，所述每一路换流单元的直流侧接直流母线；

分别与每一路换流单元的输出端连接，采集每一路换流单元的输出电信号的采样单元；

分别与所述多路换流单元连接的多个内置控制器，用于分别控制所述多路换流单元的IGBT开关导通和关断时间完全同步，使所述多路换流单元均流、稳压同步工作；以及分别与所述采样单元和多个内置控制器连接的中央控制器，用于根据所述采样单元采集的电信号，对所述多个内置控制器的工作进行控制。

所述多路换流单元为多路双向换流器，所述每一路双向换流器的交流侧接交流母线，所述每一路双向换流器的直流侧接直流母线。

所述采样单元为：

分别与每一路双向换流器的交流侧连接的交流侧采样单元；

分别与每一路双向换流器的直流侧连接的直流侧采样单元。

所述内置控制器包括：

与所述一路双向换流器的交流侧连接的交流侧采样模块。

与所述一路双向换流器的直流侧连接的直流侧采样模块。

分别与所述交流侧采样模块、直流侧采样模块、中央控制器和一路双向换流器连接的控制模块，用于根据所述交流侧采样模块和直流侧采样模块采集的电信号以及中央控制器的控制信号，使所述一路双向换流器输出的电信号值与预设电信号值相同。

所述每一路双向换流器的交流侧与交流母线之间还连接有一交流滤波单元。

所述每一路双向换流器的直流侧与直流母线之间还连接有一直流滤波单元。

所述中央控制器分别通过双线串行通信的CAN-BUS总线分别与所述多个内置控制器连接。

所述交流侧采样单元采集的电信号包括交流电压、交流电流或相角。

所述直流侧采样单元采集的电信号包括直流电压或直流电流。

所述多路换流单元为多路整流器，所述每一路整流器的交流侧接交流母线，所述每一路整流器的直流侧接直流母线。

所述采样单元为：

分别与每一路整流器的直流侧连接的直流侧采样单元。

所述内置控制器包括：

与所述一路整流器的直流侧连接的直流侧采样模块。

分别与所述直流侧采样模块、中央控制器和一路整流器连接的控制模块，用于根据所述直流侧采样模块采集的电信号以及中央控制器的控制信号，使所述一路整流器输出的电信号值与预设电信号值相同。

所述每一路整流器的交流侧与交流母线之间还连接有一交流滤波单元。

所述每一路整流器的直流侧与直流母线之间还连接有一直流滤波单元。

所述中央控制器分别通过双线串行通信的CAN-BUS总线分别与所述多个内置控制器连接。

所述直流侧采样单元采集的电信号包括直流电压或直流电流。

所述多路换流单元为多路逆变器，所述每一路逆变器的交流侧接交流母线，所述每一路逆变器的直流侧接直流母线。

所述采样单元为：

分别与每一路逆变器的交流侧连接的交流侧采样单元。

所述内置控制器包括：

与所述一路逆变器的交流侧连接的交流侧采样模块。

分别与所述交流侧采样模块、中央控制器和一路逆变器连接的控制模块，用于根据所述交流侧采样模块采集的电信号以及中央控制器的控制信号，使所述一路逆变器输出的电信号值与预设电信号值相同。

所述每一路逆变器的交流侧与交流母线之间还连接有一交流滤波单元。

所述每一路逆变器的直流侧与直流母线之间还连接有一直流滤波单元。

所述中央控制器分别通过双线串行通信的CAN-BUS总线分别与所述多个内置控制器连接。

所述交流侧采样单元采集的电信号包括交流电压、交流电流和相角。本发明中电池柜或电池架的结构设计合理，实现大量高容量单体电池的有序叠放，既便于维修更换、节省占地空间，又有利于电池散热保证使用寿命，而且从物理结构上支持电池管理系统的模块化及本地化检测汇总、本地化分组监控和集中监控,方便蓄能模块进行模块化扩容,同时，该电池柜或电池架的结构及内部电池仓、电池包的结构，能够在遭受核电站运行基准地震（OBE）和安全停堆地震（SSE）时不会出现松动或开裂等损坏，保证设备功能正常。

本发明电池管理系统采用模块化及本地化检测分组汇总、本地化分组计算处理和集中监控的结构方法，连线简单，减少了电缆的数量和长度，减少了受外界电磁干扰的机会，测量精度较高；信号检测模块利用高速切换开关实现对电池包内多个单体电池的电压进行交替检测，避免了对单体电池的长期连续取电，有利于节能；利用总线通信方式解决了外界中央控制系统与电池模组的隔离问题，加强了蓄电储能系统的灵活性和易扩容性，实现了本地化监控和集中监控，增加了系统的可靠性。

本发明换流装置设置有多路换流单元、采样单元、多个内置控制器和中央控制器，多个内置控制器在中央控制器的控制下使多路换流单元均流、稳压同步工作，当一路换流单元因故障停止工作，其它路换流单元仍然能独立正常工作，因此提高了核电站应急动力电源换流装置的可靠性，并且增大了核电站应急动力电源换流装置的容量，另外，核电站应急动力电源换流装置采用模块化设计，可以实现在线更换与维修。

由本发明蓄能系统模块构成的高容量蓄电池蓄能系统可以作为核电站的应急动力电源，避免了核电站现有应急电源的共模故障，增强了核电站应急电源的可靠性，降低反应堆堆芯熔化概率20%，提高了核电站的安全水平。

本发明为核电站的设计提供了新的理念，突破了传统蓄电池蓄能系统的应用范围，使蓄能系统取代或补充核电站的应急电源成为可能。因此，高容量蓄电池蓄能系统将拥有广阔的使用范围和良好的推广前景。

附图说明

图1是本发明一种用于核电站电力应急电源之蓄能系统模块；

图2是本发明一种用于核电站电力应急电源之蓄能系统模块的电池柜布置图；

图3是本发明一种用于核电站电力应急电源之蓄能系统模块的电池柜内部结构图；

图4是本发明一种用于核电站电力应急电源之蓄能系统模块的电池包组成示意图；

图5是本发明一种用于核电站电力应急电源之蓄能系统模块的电池管理系统原理图；

图6是本发明换流装置第一实施例的结构图；

图7是本发明换流装置第一实施例的内置控制器的结构图；

图8是本发明换流装置第二实施例的结构图；

图9是本发明换流装置第二实施例的内置控制器的结构图；

图10是本发明换流装置第三实施例的结构图；

图11是本发明换流装置第三实施例的内置控制器的结构图；

图12是本发明换流装置的同步工作控制方法的流程图；

图13是本发明换流装置的模块结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据《核电厂设计安全规定》(HAF102),所有与安全相关的系统都要满足“单一故障准则”。即:“在其任何部位发生单一随机故障时，仍能保持所赋子的功能。源于单一故障的各种继发故障，均视作单一故障不可分割的组成部分”。电源系统也不例外。

研发适应核电站特点的高容量的蓄电池蓄能系统，使该系统能够在核电站在失去外部电源时，作为柴油机系统的备用应急电源，避免应急电源的共模失效，提供反应堆芯余热排出和乏燃料水池冷却的动力需求。

高容量电池蓄能系统主要有电池储能部分和能量转换部分组成，不同电站的不同负荷对储能容量和功率的需求也不同。为满足不同的负载要求，对蓄能系统的电池和能量转换设备需进行模块化设计。

参见图1、图3，本发明提供了一种用于核电站动力应急电源之蓄能系统模块，包括由多个电池模组2并联构成的电池阵列3、通过直流母线与各所述电池模组2电连接的换流装置1、可实时监测和控制各电池模组2状态的电池模组监控器8。各蓄能系统模块可并联连接，形成一大容量蓄能系统，能够在核电站失去外部电源和现有应急电源时，及时向核电站用电设备供电，为核电站的专设安全设施、反应堆堆芯余热排出和乏燃料水池冷却提供动力，进一步提高核电站核安全水平。

图2-图5展示了本发明电池模组2结构及使用时的安装方式及安装结构。

参见图4，所述电池模组2可由多个电池包44串联或/和并联构成，所述电池包44为多个单体电池28串接后形成的模块式结构。上述构成方式，一方面可方便各单体电池28之间的连接、组合、包装、运输和安装，同时可根据核电厂供电和安全防护要求灵活配置所需的容量，以满足其负载要求，方便、快捷，容易实现。

所述各单体电池28可根据实际需要成行或成列排列串接，相邻各单体电池28之间可夹设有柔性垫或至少两竖向设置的柔性条30，可防止由于两电池之间的空隙导致其相互摆动、撞击而引起损坏，且可补偿各单体电池28外表面加工误差，柔性条之间的空隙也有利于气流的流通，实现散热效果。同时，各相邻的单体电池28的正、负极柱之间采用柔性电连接方式。

参见图4A、图4B，具体结构设计中，各单体电池之正、负极柱32通过柔性连接件29连接，柔性连接件29包括一软线33及两端的连接头金属部分36，各单体电池之正、负极柱32上开设螺栓孔，通过一螺栓34将柔性连接件29两端的连接头金属部分36压紧于各相邻两单体电池之正、负极柱25的金属头32上。螺栓34固于连接孔上后，可采用一护套保护，并用一绝缘罩35将螺栓34包覆。这样，在整个电池模组受到外来冲击力时，柔性电连接线33可承受和吸收其冲击，以保证电池模组2的正常使用，同时，避免正、负极柱32裸露在外面。

所述单体电池28内置有温度采集元件、电压采集元件，用于将采集的单体电池28温度和电压信号传送至单体电池28的信号端口31上。所述所述信号端口31的信号传送至所属电池包的信号检测模块27的汇总端子排上，所述信号检测模块27通过数据传输线与电池模组监控器8相连。所述信号检测模块27的端子排拔出后，对应的所有单体电池28便与信号检测模块27断开连接，以方便电池包的拆卸和更换，以减少接线工作量。

本发明具体结构中，为方便使用、安装和更换，可将多个电池包固定于一电池柜42或电池架内，所述电池柜42或电池架内设置有多个平行设置的隔板24，形成可放置多个电池包的电池仓10，所述电池仓10内壁具有信号检测模块27，各单体电池信号端口31的温度和电压信号汇总后传送至信号检测模块27的汇总端口，汇总端口从信号检测模块27拔下后，电池包44中的所有单体电池28便全部与信号检测模块断开连接，减少了拆线工作量。

参见图5，所述信号检测模块27实现对来自相应电池包中的单体电池内置温度采集元件和电压采集元件的信号本地化检测汇总后，将数据上传到电池模组监控器8。所述信号检测模块27对相应电池包中各单体电池进行电压检测的方法是:采用高速切换开关对各单体电池的电压信号进行交替检测，避免对每个电池进行持续取电，以节省电池能量。电流检测元件46实现对串联在一起的各电池包44工作电流的本地化分组检测并上传到电池模组监控器8。电池模组监控器8对来自下游信号检测模块27和电流检测元件46的信号进行计算，实现对信号的本地化分组处理，以获得单体电池剩余电量、内阻、温度、电压、电流等状态参数，并进行显示和记录，并通过CAN总线与中央控制系统40。中央控制系统对下游各电池模组监控器进行集中监测和控制。

参见图3，于电池柜42或电池架侧端，竖向设有布线仓11，用于集中、固定各种电缆线，防止线的散乱和相互的牵扯及意外短路。

参见图2，在所述电池柜42的背部，还开设有可进气的百叶窗，顶部设有排气风扇7，用于排除柜内的热量，提高各电池模组的散热性能，有利于提高电池的使用寿命。

本发明具体结构设计中，为便于安装，可将所述电池包44置于一外壳内（未图示），再安装于所述电池仓10内；为防止电池包44安装于外壳内时因震动引起的晃动，本发明在所述外壳内壁，设有与所述电池包外侧柔性接触的弹性件。

为更好的固定各单体电池28，所述外壳上还设有一可将外壳内单体电池压紧、固定的端盖。

为提高置于外壳内的电池模组散热性能，可在所述外壳侧面及底面开设散热槽。

为便于装有电池包的外壳在电池仓10内的固定，在所述外壳两个侧面分别设置有可固定在电池仓10上的第一连接件，通过该第一连接件可将各电池包44牢固固定在电池仓10内。

为方便电池包的更换和维修，在所述外壳底部，设有至少二个滚轮或滚轴，操作者可很方便将电池仓10内电池包抽出和放入。

参见图3，本发明也可将所述单体电池28排列后的电池包置于一端开口的电池筐12上，再安装于所述电池仓10上；同样地，所述电池筐12上设有与所述电池包10外侧柔性接触的弹性件，防止电池包10安装于电池筐12内时因震动引起的晃动。

所述电池筐12上设置有第二连接件，用于连接可将排列于电池筐12内各单体电池28拉紧的紧固条19。

同样地，为便于装有电池包的电池筐12在电池仓10的固定，在所述电池筐12背面上方设有固定耳16，固定耳16可固定于电池仓10的定位耳15上；在所述电池筐12的正面中间位置设有固定耳18，固定耳18可固定于电池仓10内的定位耳17上；在电池筐12的底面两端有四个底脚20，底脚20可固定于电池仓10的承力梁21上。为了使电池筐12中的电池包不在地震中上下窜动，电池仓10内设有可固定在角钢14上的压条13，将电池包44压紧。

为方便电池包44的更换和维修，在所述电池筐12底部，设有至少二个滚轮22或滚轴，操作者可很方便将电池仓10内的电池包44抽出和放入。

所述电池柜42柜体包括设置于四条竖直边内部竖直方向的四根槽钢（未图示）、电池仓10两侧的钢架结构23、电池柜42柜体的侧面焊接加强钢梁；加强钢梁对角交叉设置及对中设置，分别连接于相邻槽钢上，大大增强了电池柜机体的结构稳定性，即使在高烈度的地震等恶劣情况下，电池柜42柜体仍然可以保证结构的可靠性，电池柜42柜体不会变形，从而保证电池柜42柜体内部的电池包的可靠性。

所述隔板24通过锁紧件固定连接于所述槽钢上，其拆装方便且结构可靠，即使在地震等极限情况下仍然可以使隔板24可以可靠地固定。

优选地，所述锁紧件为螺栓，所述锁紧件穿设于所述固定通孔和安装通孔，螺栓采用6.8级以上的螺栓，以保证结构的可靠性。

参见图2，所述电池柜42柜体的底部设置有安装部件，电池柜42柜体固定于水泥台26上，水泥台26中预埋有预埋件，所述预埋件上设置有螺丝孔，所述安装部件通过紧固件锁紧于预埋件的螺丝孔内，通过这样的设计，可以使电池柜42柜体可靠地固定于预埋件上。预埋件埋设于水泥台26中，其十分稳固。

优选地，所述紧固件为螺栓，所述螺栓上套设有弹性垫片，以提高结构的可靠性。

电池柜42顶端还可设有吊耳5，方便安装阶段进行吊装。电池柜42顶端设有电缆孔6，对进出电缆进行固定，电池孔6用防火材料进行封堵。电池柜42正面和背面有柜门43，正面和背面的柜门43均打开后，可对电池柜42的设备进行两个方向的操作，十分方便。柜门43设有上下两个锁紧把手9。

本发明换流装置1包括：

多路换流单元，所述每一路换流单元的交流侧接交流母线，所述每一路换流单元的直流侧接直流母线；

分别与每一路换流单元的输出端连接，采集每一路换流单元的输出电信号的采样单元；

分别与所述多路换流单元连接的多个内置控制器，用于分别控制所述多路换流单元的IGBT开关导通和关断时间完全同步，使所述多路换流单元均流、稳压同步工作；以及

分别与所述采样单元和多个内置控制器连接的中央控制器，用于根据所述采样单元采集的电信号，对所述多个内置控制器的工作进行控制。

图6示出了本发明提供的换流装置1的结构第一实施例，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

参见图6，所述多路换流单元为多路双向换流器100，所述每一路双向换流器100的交流侧接交流母线，所述每一路双向换流器100的直流侧接直流母线。

采样单元为：

分别与每一路双向换流器100的交流侧连接的交流侧采样单元200；

分别与每一路双向换流器100的直流侧连接的直流侧采样单元300。

核电站应急动力电源的蓄能系统模块之换流装置还包括：

分别与多路双向换流器100连接的多个内置控制器400，用于分别控制多路双向换流器100的IGBT开关导通和关断时间完全同步，使多路双向换流器100均流、稳压同步工作；以及

分别与交流侧采样单元200、直流侧采样单元300与多个内置控制器400连接的中央控制器500，用于根据交流侧采样单元200和直流侧采样单元300采集的电信号，对多个内置控制器400的工作进行控制。

图7示出了本发明换流装置第一实施例的内置控制器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

所述内置控制器400包括：

与一路双向换流器100的交流侧连接的交流侧采样模块4001。

与所述一路双向换流器100的直流侧连接的直流侧采样模块4002。

分别与交流侧采样模块4001、直流侧采样模块4002、中央控制器500和一路双向换流器100连接的控制模块4003，用于根据交流侧采样模块4001和直流侧采样模块4002采集的电信号以及中央控制器500的控制信号，使一路双向换流器100输出的电信号值与预设电信号值相同。

每一路双向换流器100的交流侧与交流母线之间还连接有一交流滤波单元600。

每一路双向换流器100的直流侧与直流母线之间还连接有一直流滤波单元700。

中央控制器500分别通过双线串行通信的CAN-BUS总线分别与多个内置控制器400连接。

中央控制器500采用DSP。

或采用可编程先进控制器。

交流侧采样单元200采集的电信号包括交流电压、交流电流或相角。

直流侧采样单元300采集的电信号包括直流电压或直流电流。

图8示出了本发明换流装置1第二实施例的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

参见图8，多路换流单元为多路整流器101，所述每一路整流器101的交流侧接交流母线，所述每一路整流器101的直流侧接直流母线。

采样单元为：

分别与每一路整流器101的直流侧连接的直流侧采样单元301。

核电站应急动力电源的蓄能系统模块之换流装置还包括：

分别与多路整流器101连接的多个内置控制器401，用于分别控制多路整流器101的IGBT开关导通和关断时间完全同步，使所述多路整流器101均流、稳压同步工作；以及

分别与所述直流侧采样单元301与多个内置控制器401连接的中央控制器501，用于根据所述直流侧采样单元301采集的电信号，对所述多个内置控制器401的工作进行控制。

图9示出了本发明提供的换流装置第二实施例的内置控制器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

参见图9，所述内置控制器401包括：

与所述一路整流器101的直流侧连接的直流侧采样模块4012。

分别与所述直流侧采样模块4012、中央控制器501和一路整流器101连接的控制模块4013，用于根据所述直流侧采样模块4012采集的电信号以及中央控制器501的控制信号，使所述一路整流器101输出的电信号值与预设电信号值相同。

所述每一路整流器101的交流侧与交流母线之间还连接有一交流滤波单元601。

所述每一路整流器101的直流侧与直流母线之间还连接有一直流滤波单元701。

所述中央控制器501分别通过双线串行通信的CAN-BUS总线分别与所述多个内置控制器401连接。

所述中央控制器501采用DSP。

所述中央控制器501采用可编程先进控制器。

所述直流侧采样单元301采集的电信号包括直流电压或直流电流。

图10示出了本发明提供的换流装置第三实施例的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

参见图10，多路换流单元为多路逆变器102，所述每一路逆变器102的交流侧接交流母线，所述每一路逆变器102的直流侧接直流母线。

所述采样单元为：

分别与每一路逆变器102的交流侧连接的交流侧采样单元202。

换流装置还包括：

分别与所述多路逆变器102连接的多个内置控制器402，用于分别控制所述多路逆变器102的IGBT开关导通和关断时间完全同步，使所述多路逆变器102均流、稳压同步工作；以及

分别与所述交流侧采样单元202与多个内置控制器402连接的中央控制器502，用于根据所述交流侧采样单元202采集的电信号，对所述多个内置控制器402的工作进行控制。

图11示出了本发明提供的换流装置1第三实施例的内置控制器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

参见图11，所述内置控制器402包括：

与所述一路逆变器102的交流侧连接的交流侧采样模块4021。

分别与所述交流侧采样模块4021、中央控制器502和一路逆变器102连接的控制模块4023，用于根据所述交流侧采样模块4021采集的电信号以及中央控制器502的控制信号，使所述一路逆变器102输出的电信号值与预设电信号值相同。

所述每一路逆变器102的交流侧与交流母线之间还连接有一交流滤波单元602。

所述每一路逆变器102的直流侧与直流母线之间还连接有一直流滤波单元702。

所述中央控制器502分别通过双线串行通信的CAN-BUS总线分别与所述多个内置控制器402连接。

所述中央控制器502采用DSP。

所述中央控制器502采用可编程先进控制器。

所述交流侧采样单元202采集的电信号包括交流电压、交流电流或相角。

图12示出了本发明实施例提供的核电站应急动力电源的蓄能系统模块之换流装置的同步工作控制方法的流程图。

上述换流装置1的同步工作控制方法流程如下：

步骤S101，多个内置控制器分别采集多路换流单元输出的电信号值；

步骤S102，中央控制器根据所述电信号值，计算出电信号平均值；

步骤S103，采样单元采集多路换流单元输出的电信号数值的实时并列电信号平均值；

步骤S104，中央控制器根据所述电信号平均值和实时并列电信号平均值，计算电信号平均差值，并对所述电信号平均差值进行分解，得到补偿值；

步骤S105，多个内置控制器得到补偿值，并控制与所述内置控制器相对应的换流单元输出的电信号，使所述多路换流单元输出的电信号同步。

图13示出了本发明换流装置的模块结构实施例。

核电站应急动力电源的蓄能系统模块之换流装置的工作模式分为两种：一种是将交流电变直流电；另一种是将直流电变交流电。

工作模式的选择由工作模式选择器来控制，工作模式选择器可通过自动检测、接受来自核电站应急动力电源之蓄能系统的在线监控系统的远动信号和手动信号来决定双向换流装置的工作模式。

核电站应急动力电源的蓄能系统模块之换流装置的运行模式有以下几种：

a)平均充电：在蓄电池电量下降或放电试验完成后，需要对电池深度充电，可以设置为均充，保证蓄电池储存尽可能多的电量；

b)强制充电：在核电站可能面临失电风险时，可以对蓄电池进行强制充电，保证电池阵列储存更多的电量，以应对电站失电后的需求；

c)强制放电：正常运行时，强制放电可以实现一个模块的放电试验，并将其电能转移入其他模块；最为重要的是，可以在电站在危急情况下让其输出尽可能多的电量，直至电池模组损坏为止。

本发明中电池柜或电池架的结构设计合理，实现大量高容量单体电池的有序叠放，既便于维修更换、节省占地空间，又有利于电池散热保证使用寿命，而且从物理结构上支持电池管理系统的模块化及本地化检测汇总、本地化分组监控和集中监控,方便蓄能模块进行模块化扩容,同时，该电池柜或电池架的结构及内部电池仓、电池包的结构，能够在遭受核电站运行基准地震（OBE）和安全停堆地震（SSE）时不会出现松动或开裂等损坏，保证设备功能正常。

本发明电池管理系统采用模块化及本地化检测分组汇总、本地化分组计算处理和集中监控的结构方法，连线简单，减少了电缆的数量和长度，减少了受外界电磁干扰的机会，测量精度较高；信号检测模块利用高速切换开关实现对电池包内多个单体电池的电压进行交替检测，避免了对单体电池的长期连续取电，有利于节能；利用总线通信方式解决了外界中央控制系统与电池模组的隔离问题，加强了蓄电储能系统的灵活性和易扩容性，实现了本地化监控和集中监控，增加了系统的可靠性。

本发明中，换流装置包括多路换流单元、采样单元、多个内置控制器和中央控制器，多个内置控制器在中央控制器的控制下使多路换流单元均流、稳压同步工作，当一路换流单元因故障停止工作，其它路换流单元仍然能独立正常工作，因此提高了核电站应急动力电源换流装置的可靠性，并且增大了核电站应急动力电源换流装置的容量，另外，核电站应急动力电源换流装置采用模块化设计，可以实现在线更换与维修。

由本发明蓄能系统模块构成的高容量蓄电池蓄能系统可以作为核电站的应急动力电源，避免了核电站现有应急电源的共模故障，增强了核电站应急电源的可靠性，降低反应堆堆芯熔化概率20%，提高了核电站的安全水平。

本发明为核电站的设计提供了新的理念，突破了传统蓄电池蓄能系统的应用范围，使蓄能系统取代或补充核电站的应急电源成为可能。因此，高容量蓄电池蓄能系统将拥有广阔的使用范围和良好的推广前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (37)

1.一种用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：

包括由多个电池模组并联构成的电池阵列、通过直流母线与各所述电池模组电连接的换流装置，可实时监测和控制各电池模组状态的电池模组监控器；

所述电池模组由多个电池包串联或/和并联构成，所述电池包为多个单体电池串接后形成的模块式结构；

所述电池包对应有一个信号检测模块，所述单体电池内置有温度采集元件、电压采集元件，用于将采集的单体电池温度和电压信息传送至所属电池包的信号检测模块上，所述信号检测模块通过数据传输线与电池模组监控器相连；

所述电池包串联在一起时，串联总线上设有测量该串电池包工作电流的电流检测器件；

所述信号检测模块实现对相应电池包中单体电池的温度、电压进行本地化检测汇总；所述电池模组监控器对来自其下游各信号检测模块的信号、以及来自其下游各串电池包的电流检测元件的信号进行集中计算处理，以获得各电池包中单体电池的温度、电压、电流、内阻、剩余电量和定位地址，实现对其下游各电池包监控；所述电池模组监控器可与外界中央控制系统进行通讯，即中央控制系统通过与各电池模组监控器的通讯，实时监视各电池模组中电池状态，并对电池模组进行控制。

2.如权利要求1所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述各单体电池成行或成列排列，各单体电池之间夹设有柔性垫或至少两竖向设置的柔性条，且各相邻的单体电池正、负极柱之间柔性电连接。

3.如权利要求2所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述各单体电池之正、负极柱上开设有连接孔，柔性电连接线两端通过连接件固定于连接孔上。

4.如权利要求3所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述连接件顶部包覆有一绝缘罩。

5.如权利要求1所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：将所述电池包置于一电池柜或电池架内。

6.如权利要求5所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述电池柜或电池架内设置有多个平行设置的隔板，形成可放置多个电池包的电池仓，所述信号检测模块设于电池仓内，于电池柜或电池架侧端，竖向设有布线仓，所述电流检测器件设于布线仓中，所述电池模组监控器设于柜体或架体上。

7.如权利要求5所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述电池柜背部开设有可进气的百叶窗，顶部设有排气风扇，隔板上开设有散热槽。

8.如权利要求6所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：将所述电池包置于一外壳内，再安装于所述电池仓内；所述外壳内壁设有与所述电池包外侧柔性接触的弹性件。

9.如权利要求8所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述外壳侧面及底面开设有散热槽，所述外壳两个侧面还分别设置有可固定在电池仓上的第一连接件。

10.如权利要求8所述的一种用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述外壳底部设有至少二个便于移动的滚轮或滚轴。

11.如权利要求8所述的一种用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述外壳上还设有一可将外壳内单体电池压紧、固定的端盖。

12.如权利要求6所述的一种用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：将所述电池包置于一端开口的电池筐上，再安装于所述电池仓上；所述电池筐上设有与所述电池包外侧柔性接触的弹性件。

13.如权利要求12所述的一种用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述电池筐上设置有第二连接件，用于连接可将排列于电池筐内单体电池拉紧的紧固条，所述电池筐上还设置有可将其固定在所述电池仓上的第三连接件。

14.如权利要求12所述的一种用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述电池筐底部设有至少二个滚轮或滚轴。

15.如权利要求1所述的一种用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述换流装置包括：

多路换流单元，所述每一路换流单元的交流侧接交流母线，所述每一路换流单元的直流侧接直流母线；

分别与每一路换流单元的输出端连接，采集每一路换流单元的输出电信号的采样单元；

分别与所述多路换流单元连接的多个内置控制器，用于分别控制所述多路换流单元的IGBT开关导通和关断时间完全同步，使所述多路换流单元均流、稳压同步工作；以及分别与所述采样单元和多个内置控制器连接的中央控制器，用于根据所述采样单元采集的电信号，对所述多个内置控制器的工作进行控制。

16.如权利要求15所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述多路换流单元为多路双向换流器，所述每一路双向换流器的交流侧接交流母线，所述每一路双向换流器的直流侧接直流母线。

17.如权利要求16所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述采样单元为：

分别与每一路双向换流器的交流侧连接的交流侧采样单元；

分别与每一路双向换流器的直流侧连接的直流侧采样单元。

18.如权利要求17所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述内置控制器包括：

与所述一路双向换流器的交流侧连接的交流侧采样模块，

与所述一路双向换流器的直流侧连接的直流侧采样模块，

分别与所述交流侧采样模块、直流侧采样模块、中央控制器和一路双向换流器连接的控制模块，用于根据所述交流侧采样模块和直流侧采样模块采集的电信号以及中央控制器的控制信号，使所述一路双向换流器输出的电信号值与预设电信号值相同。

19.如权利要求17所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述每一路双向换流器的交流侧与交流母线之间还连接有一交流滤波单元。

20.如权利要求17或19所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述每一路双向换流器的直流侧与直流母线之间还连接有一直流滤波单元。

21.如权利要求17所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述中央控制器分别通过双线串行通信的CAN-BUS总线分别与所述多个内置控制器连接。

22.如权利要求17所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述交流侧采样单元采集的电信号包括交流电压、交流电流或相角。

23.如权利要求17所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述直流侧采样单元采集的电信号包括直流电压或直流电流。

24.如权利要求15所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述多路换流单元为多路整流器，所述每一路整流器的交流侧接交流母线，所述每一路整流器的直流侧接直流母线。

25.如权利要求24所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述采样单元为：

分别与每一路整流器的直流侧连接的直流侧采样单元。

26.如权利要求25所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述内置控制器包括：

与所述一路整流器的直流侧连接的直流侧采样模块，

分别与所述直流侧采样模块、中央控制器和一路整流器连接的控制模块，用于根据所述直流侧采样模块采集的电信号以及中央控制器的控制信号，使所述一路整流器输出的电信号值与预设电信号值相同。

27.如权利要求25所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述每一路整流器的交流侧与交流母线之间还连接有一交流滤波单元。

28.如权利要求25或27所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述每一路整流器的直流侧与直流母线之间还连接有一直流滤波单元。

29.如权利要求25所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述中央控制器分别通过双线串行通信的CAN-BUS总线分别与所述多个内置控制器连接。

30.如权利要求25所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述直流侧采样单元采集的电信号包括直流电压或直流电流。

31.如权利要求15所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述多路换流单元为多路逆变器，所述每一路逆变器的交流侧接交流母线，所述每一路逆变器的直流侧接直流母线。

32.如权利要求31所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述采样单元为：

分别与每一路逆变器的交流侧连接的交流侧采样单元。

33.如权利要求32所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述内置控制器包括：

与所述一路逆变器的交流侧连接的交流侧采样模块，

分别与所述交流侧采样模块、中央控制器和一路逆变器连接的控制模块，用于根据所述交流侧采样模块采集的电信号以及中央控制器的控制信号，使所述一路逆变器输出的电信号值与预设电信号值相同。

34.如权利要求32所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述每一路逆变器的交流侧与交流母线之间还连接有一交流滤波单元。

35.如权利要求32或34所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述每一路逆变器的直流侧与直流母线之间还连接有一直流滤波单元。

36.如权利要求32所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述中央控制器分别通过双线串行通信的CAN-BUS总线分别与所述多个内置控制器连接。

37.如权利要求32所述的用于核电站动力应急电源的蓄能系统模块，其特征在于：所述交流侧采样单元采集的电信号包括交流电压、交流电流和相角。

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