CN102624048B - 一体化充放电式中压系统应急电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一体化充放电式中压系统应急电源，其包括至少一组含两级或两级以上串联蓄电池单元的结构，第一级串联蓄电池单元的正极通过正极充电开关与充放电母线的正极连接，其负极直接与充放电母线的负极连接；末级串联蓄电池单元的正极直接与充放电母线的正极连接，其负极通过负极充电开关与充放电母线的负极连接；正常情况下应急电源处于充电状态，各放电开关均关断，所有充电开关均开通；当应急电源放电时，所有正、负极充电开关均关断，所有放电开关均开通。实施本发明可以保证中压交流动力系统在程控系统丧失电源情况下，在任意设定时间内不停止工作，尤其是在突然断电的情况下能正常工作，从而使电网故障停电的损失降为“0”。

Description

一体化充放电式中压系统应急电源

技术领域

本发明涉及0.66KV—10KV（本专利所定义的“中压”）不间断电源领域，更具体地说，涉及一体化充放电式中压系统应急电源。

背景技术

在工业电源领域，~380/220系统的低压型应急电源作为工业及民用领域应急照明和动力负载的应急供电装置在国内已经有十余年历史，形成相关专利十余项，在~380V供电系统中显示了节能、环保、快速、高可靠性、便于维护、智能化管理、提高供电可靠性等一系列优势。而伴随着工业领域大功率拖动负载的出现，用于拖动系统的0.66KV—10KV（以下简称“中压”）电动机早在70年代就已经问世，经过30多年的发展可谓十分成熟。近年来，为了减小大容量电动机的体积和重量，更为了回避大电流载体的敷设安装、连接和过度等安全类难题，许多程控类工业领域流水线上的大容量电动机逐步被中压型电动机所取代，启动和控制中压型电动机的中压变频产品（国外称之为“工业传动”或“交流动力传动”）也逐渐成熟。然而，中压级别的交流应急电源一直是国内外的市场空白，特别是工业领域，几乎找不到成功使用蓄电型交流应急电源的成功案例。一直以来，中压动力系统的工作可靠性完全取决于于电网电源的可靠性，一旦电网因故突然停电，程控类工业正在运行的流程就会骤停，将造成巨大损失（据中石油集团的一个年会报告：仅炼化板块在2011年就发生电力系统故障几十起，因程控流程骤停造成直接和间接损失十几亿元）。为了尽量降低损失，许多程控工业的流水线不得不配置国外进口的气动型延迟系统，用于缓解电源故障流程骤停的损失，但此类气动型延迟系统只能起到有限的缓解作用，把突然停电的损失适当降低，无法把市网电源骤停的损失降到近于“0”，且此类气动延迟装置价格高昂，平时的附加运行成本也不可忽视。

在传统的低压不间断电源（UPS和EPS）中，内部蓄电池的充电往往靠输入电压直接整流来完成。然而，如果蓄电池总串联电压等于交流输入电源的整流后直流电压值，则无法将串联蓄电池组充满电（只有充电电压高于被充电的蓄电池总电压10左右或以上才能将蓄电池充满电），如果蓄电池串联总电压低于输入电源的整流电压值，虽然可能将串联蓄电池组充满电，但停电应急时又不能保证交流输出的电压值符合要求。为了保证蓄电池组能被充满电而应急输出电压又符合要求，不是需要升压整流充电、就是在逆变前或逆变后进行升压处理，而这两种措施在中压系统中相对困难和复杂。前者需要整流充电器件长期工作在较高的直流电压环境下，后者可靠性差，成本也偏高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现代工业程控领域气动延迟系统的技术缺陷，提供一种中压应急电源，又针对交流供电母线直接整流后的直流电压值不能满足为普通应急电源的串联蓄电池组充满电的技术缺陷，提供一种利用工业传动中间直流可同时保障充电效果和放电需求的一体化充放电式中压应急电源。

本发明提供的一体化充放电式中压系统应急电源，其特征在于，包括至少一组含两级或两级以上串联蓄电池单元的结构，第一级串联蓄电池单元的正极通过正极充电开关与充放电母线的正极连接，其负极直接与充放电母线的负极连接；末级串联蓄电池单元的正极直接与充放电母线的正极连接，其负极通过负极充电开关与充放电母线的负极连接；中间各级串联蓄电池单元的正极通过正极充电开关与充放电母线的正极连接，其负极通过负极充电开关与充放电母线的负极连接；前级串联蓄电池单元的正极与后级串联蓄电池单元的负极通过放电开关连接；正常情况下应急电源处于充电状态，各放电开关均关断，所有充电开关均开通；当应急电源放电时，所有正、负极充电开关均关断，所有放电开关均开通。

优选地，包括两组含两级串联蓄电池单元的结构，各组的第一级串联蓄电池单元的正极通过正极充电开关与充放电母线的正极连接，其负极直接与充放电母线的负极连接；各组的第二级串联蓄电池单元的正极直接与充放电母线的正极连接，其负极通过负极充电开关与充放电母线的负极连接；各组的第一级串联蓄电池单元的正极与第二级串联蓄电池单元的负极通过放电开关连接；正常情况下应急电源处于充电状态，各放电开关均关断，所有充电开关均开通；当应急电源放电时，所有充电开关均关断，所有放电开关均开通。

优选地，充放电母线的正极与工业传动中间直流母线的正极连接，负极与工业传动中间直流母线的负极连接。

优选地，各级串联蓄电池单元充满电后总串联电压值不低于工业传动的中间直流电压值。

优选地，工业传动的交流输出电压值的范围为0.66KV至10KV。

优选地，正极充电开关和负极充电开关是可控类电力电子无触点开关或由其构成的开关电路。

优选地，放电开关是可控类电力电子开关或由其构成的开关电路。

优选地，放电开关是可控类电力电子无触点开关或由其构成的开关电路。

实施本发明的一体化充放电式中压系统应急电源，具有以下有益效果：通过采用两级或两级以上串联蓄电池单元并联充电，串联放电的方式，既能保证蓄电池被充满电，又能为中压交流动力系统提供满足电压要求的应急电源，以保证中压交流动力系统能在任意设定时间内不停止工作，尤其是在突然断电的情况下正常工作，从而使电网故障停电的损失降为“0”。

附图说明

图1为本发明一体化充放电式中压系统应急电源的一具体实施例的结构示意图。

图2为本发明一体化充放电式中压系统应急电源的另一具体实施例的结构示意图。

图3为本发明一体化充放电式中压系统应急电源的又一具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的工业传动的交流能量变换输出值的范围为0.66KV至10KV。工业传动作为交流能量变换装置，可以是ABB、西门子或施奈德等著名品牌的工业传动型变频主机，也可以是国产的中压变频装置，还可以是中压宽频逆变装置等等。工业传动逆变环节的输入直流电压应不低于工业传动输出值的1.35倍，例如，当要求工业传动输出值不低于~660时，工业传动逆变环节的输入直流电压应不低于891V，即串联蓄电池组的串联总电压应不低于891V，而对总电压值为891V的串联蓄电池组进行充电需要充电电压高于1000V左右（比891V高出10%—15%），否则无法将串联蓄电池组充满电，因此，靠工业传动的中间直流电压（891V）无法将串联蓄电池组充满电。为此，本专利的做法是将1组串联蓄电池按前后级分成两个单元，每个单元电压都低于中间直流电压，充电时两个单元并联，放电时两个单元串联，既保证能利用工业传动的中坚直流将所有蓄电池充满电，又保证放电时交流输出能满足要求。

图1为具有一组两级串联蓄电池单元的一体化充放电式中压系统应急电源的具体实施例的结构示意图，其特点是含1组蓄电池分为两级串联单元。如图所示，应急电源包括两级串联蓄电池单元，第一级串联蓄电池单元E11的正极通过正极充电开关G1与充放电母线M的正极连接，负极直接与充放电母线M的负极连接；第二级串联蓄电池单元E12的正极直接与充放电母线M的正极连接，其负极通过负极充电开关G2与充放电母线M的负极连接；第一级串联蓄电池单元E11的正极通过放电开关G01与第二级串联蓄电池单元E12的负极连接。正极充电开关G1的正极连接充放电母线M的正极，负极连接第一串联蓄电池单元E11的正极；负极充电开关G2的正极接第二级串联蓄电池单元E12的负极，负极接充放电母线M的负极；放电开关G01的正极接第一级串联蓄电池单元E11的正极，负极接第二级串联蓄电池单元E12的负极；各正、负极充电开关和放电开关的控制级接控制器K；充放电母线M的正极与工业传动PM的中间直流母线的正极连接，负极与工业传动PM的中间直流母线的负极连接。工业传动PM的输入端连接中压交流供电母线，输出端连接中压应急动力负载D，例如电动机。

当中压交流供电母线正常为应急动力负载供电期间，控制器K控制正极充电开关G1和负极充电开关G2开通，放电开关G01关断，中压交流供电母线L通过工业传动PM的中间直流母线同时为第一级串联蓄电池单元E11和第二级串联蓄电池单元E12充电。当中压交流供电母线出现故障时，在控制器K作用下，正、负极充电开关G1和G2关断，放电开关G01开通，应急电源启动，蓄电池第一级串联蓄电池单元E11和第二级串联蓄电池单元E12串联为应急动力负载供电。直到串联蓄电池组能量放尽欠压保护启动后放电开关G01关断、工业传动PM停止输出；或直到收到上位机发来的停机信号时放电开关G01自动关断、工业传动PM停止输出；或直到中压交流供电母线电源恢复时，串联开关G01关断，正、负极充电开关G1和G2接通并重新进入充电控制状态。第二级串联蓄电池单元E12和第一级串联蓄电池单元E11串联后的总电压值为中压交流供电母线电压值的1.35倍。

第二级串联蓄电池单元E12和第一级串联蓄电池单元E11内的单节蓄电池可以完全相同，也可以不同，但串联总电压值应相等。正极充电开关G1和负极充电开关G2可以是P-MOSFET、IGBT、IGCT、IPM、SITH、MCT或可关断晶闸管（GTO）等，也可以是由电力电子器件组合而成的开关电路。正极充电开关G1和负极充电开关G2可以相同，也可以不同。放电开关G01可以是P-MOSFET、IGBT、IGCT、IPM、SITH、MCT或可关断晶闸管（GTO）等，也可以是由电力电子器件组合而成的开关电路。工业传动PM可以为进口品牌中压型变频器，也可以是国产品牌的中压型动力用变频器，还可以是宽频逆变器。

图2为具有一组三级串联蓄电池单元的一体化充放电式中压系统应急电源的具体实施例的结构示意图，其特点是1组蓄电池分为三级串联单元。如图所示，应急电源包括三级串联蓄电池单元，第一级串联蓄电池单元E11的正极通过正极充电开关G1与充放电母线M的正极连接，其负极直接与充放电母线M的负极连接；第二级串联蓄电池单元E12的正极通过正极充电开关G3与充放电母线M的正极相接，其负极通过负极充电开关G2与充放电母线M的负极连接；第三级串联蓄电池单元E13的正极直接与充放电母线M的正极连接，其负极通过负极充电开关G4与充放电母线M的负极连接；正极充电开关G1和G3的正极接充放电母线M的正极，其负极分别接第一级串联蓄电池单元E11和第二级串联蓄电池单元E12的正极；负极充电开关G2和G4的负极连接充放电母线M的负极，其正极分别接第二级串联蓄电池单元E12和第三级串联蓄电池单元E13的负极；放电开关G01和G02的正极分别接第一级串联蓄电池单元E11和第二级串联蓄电池单元E12的正极，其负极分别接第二级串联蓄电池单元E12和第三级串联蓄电池单元E13的负极；充电开关和放电开关的控制级均接控制器K。充放电母线M的正极与工业传动PM的中间直流母线的正极连接，负极与工业传动PM的中间直流母线的负极连接。工业传动PM的输入端连接中压交流供电母线，输出端连接中压应急动力负载D，例如电动机。

当中压交流供电母线正常为应急动力负载供电时，控制器K控制放电开关G01、G02关断，控制正、负极充电开关G1、G3和G2、G4接通，中压交流供电母线L通过工业传动PM的中间直流母线同时为各级串联蓄电池单元E11、E12和E13充电。当中压交流供电母线出现故障时，控制器K控制正、负极充电开关G1、G3和G2、G4关断，控制放电开关G01、G02开通，应急电源启动，各级串联蓄电池单元E11、E12和E13串联为应急动力负载供电。直到串联蓄电池组能量放尽欠压保护启动后放电开关G01、G02关断、工业传动PM停止输出；或直到收到上位机发来的停机信号时放电开关G01、G02自动关断、工业传动PM停止输出；或直到中压交流供电母线电源恢复时，控制器K控制放电开关G01、G02关断，充电开关G1、G3和G2、G4重新开通并重新进入充电控制状态。各级串联蓄电池单元都被充满电后，其E11、E12和E13总串联的电压值应不低于中压交流供电母线电压值的1.35倍。

各级串联蓄电池单元E11、E12和E13可以完全相同（品牌、电压和电流），也可以不同，但同一单元内的各节蓄电池应相同，三级单元串联总电压应相同，三级单元大串联后的总电压值应满足输出交流电压的需求。正、负极充电开关G1、G3和G2、G4，可以是P-MOSFET、IGBT、IGCT、IPM、SITH、MCT或可关断晶闸管（GTO）等，也可以是由电力电子器件组合而成的开关电路。正极充电开关G1、G3和负极充电开关G2、G4可以相同，也可以不同。放电开关G01、G02可以是P-MOSFET、IGBT、IGCT、IPM、SITH、MCT或可关断晶闸管（GTO）等，也可以是由电力电子器件组合而成的开关电路。放电开关G01和放电开关G02可以相同，也可以不同。工业传动PM可以为进口品牌中压型变频器，也可以是国产品牌的中压型动力用变频器，还可以是宽频逆变器。

图3为本发明一体化充放电式中压系统应急电源的又一具体实施例的结构示意图，其特点是2组蓄电池分别被分为两级串联单元。。如图所示，包括两组两级串联蓄电池单元，第一组和第二组内的两级串联蓄电池单元均分别与图1中第一级单元和第二级单元相同。在第一组中，第一级串联蓄电池单元E11的正极通过正极充电开关G11与充放电母线M的正极连接，其负极直接与充放电母线M的负极连接；第二级串联蓄电池单元E12的正极直接与充放电母线M的正极相接，其负极通过负极充电开关G12与充放电母线M的负极连接；正极充电开关G11的正极接充放电母线M的正极，其负极接第一级串联蓄电池单元E11的正极；负极充电开关G12的正极连接第二级单元E12的负极，其负极接充放电母线M的负极；放电开关G01的正极连接第一级串联蓄电池单元E11的正极，其负极连接第二级串联蓄电池单元E12的负极。在第二组中，第一级串联蓄电池单元E21的正极通过正极充电开关G21与充放电母线M正极连接，其负极直接与充放电母线M的负极连接，第二级串联蓄电池单元E22的正极直接与充放电母线M的正极连接，其负极通过负极充电开关G22与充放电母线M的负极连接，正极充电开关G21的正极连接充放电母线M的正极，其负极连接第一级串联蓄电池单元E21的正极；负极充电开关G22的正极接第二级串联蓄电池单元E22的负极，其负极接充放电母线M的负极；放电开关G02的正极连接第一级串联蓄电池单元E21的正极，其负极连接第二级串联蓄电池单元E22的负极。

充放电母线M的正极与工业传动PM的中间直流母线的正极连接，负极与工业传动PM的中间直流母线的负极连接。工业传动PM的输入端连接中压交流供电母线，输出端连接中压应急动力负载D，例如电动机。

当中压交流供电母线正常为应急动力负载供电时，放电开关G01和G02均处于关断状态，而正、负极充电开关G11、G12和G21、G22均处于开通状态，第一组和第二组内各串联蓄电池单元同时并联充电。当中压交流供电母线L出现故障时，充电开关全部关断，放电开关G01开通或G02开通或二者全部开通，任一组内的两级串联蓄电池单元自动串联后为动力负载供电，或者两组同时放电，直到蓄电池组能量均放尽欠压保护启动后工业传动PM停止输出；或直到收到上位机发来的停机信号时工业传动PM停止输出；或直到中压交流供电母线电源恢复时，所有放电开关自动关断，充电开关自动开通，重新进入充电控制状态。所有蓄电池被充满电后，各组的两级单元串联总电压值应不低于中压交流供电母线电压值的1.35倍，即，第一组的第一级串联蓄电池单元E11和第二级串联蓄电池单元E12串联电压总值应不低于中压交流供电母线电压值的1.35倍，第二组的第一级串联蓄电池单元E21和第二级串联蓄电池单元E22串联电压总值应不低于中压交流供电母线电压值的1.35倍。

在本发明中，控制器K可以为具有控制功能的单片机、单板机、工控机、智能控制仪表、PLC或其他计算机类控制装置，也可以由工业传动控制器代替。

本发明可广泛应用于工业领域各类过程控制系统，特别是化工、石油、石化和煤化工领域的应急电源系统。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种一体化充放电式中压系统应急电源，其特征在于，包括至少一组含两级或两级以上串联蓄电池单元的结构，第一级串联蓄电池单元的正极通过正极充电开关与充放电母线的正极连接，其负极直接与充放电母线的负极连接；末级串联蓄电池单元的正极直接与充放电母线的正极连接，其负极通过负极充电开关与充放电母线的负极连接；中间各级串联蓄电池单元的正极通过正极充电开关与充放电母线的正极连接，其负极通过负极充电开关与充放电母线的负极连接；前级串联蓄电池单元的正极与后级串联蓄电池单元的负极通过放电开关连接；正常情况下应急电源处于充电状态，各放电开关均关断，所有充电开关均开通；当应急电源放电时，所有正、负极充电开关均关断，所有放电开关均开通，各正、负极充电开关和放电开关的控制级接控制器。

2.一种一体化充放电式中压系统应急电源，其特征在于，包括两组含两级串联蓄电池单元的结构，各组的第一级串联蓄电池单元的正极通过正极充电开关与充放电母线的正极连接，其负极直接与充放电母线的负极连接；各组的第二级串联蓄电池单元的正极直接与充放电母线的正极连接，其负极通过负极充电开关与充放电母线的负极连接；各组的第一级串联蓄电池单元的正极与第二级串联蓄电池单元的负极通过放电开关连接；正常情况下应急电源处于充电状态，各放电开关均关断，所有充电开关均开通；当应急电源放电时，所有充电开关均关断，所有放电开关均开通。

3.根据权利要求1或2所述的一体化充放电式中压系统应急电源，其特征在于，充放电母线的正极与工业传动中间直流母线的正极连接，负极与工业传动中间直流母线的负极连接。

4.根据权利要求3所述的一体化充放电式中压系统应急电源，其特征在于，各级串联蓄电池单元充满电后总串联电压值不低于工业传动的中间直流电压值。

5.根据权利要求4所述的一体化充放电式中压系统应急电源，其特征在于，工业传动的交流输出电压值的范围为0.66KV至10KV。

6.根据权利要求5所述的一体化充放电式中压系统应急电源，其特征在于，正极充电开关和负极充电开关是可控类电力电子无触点开关或由其构成的开关电路。

7.根据权利要求6所述的一体化充放电式中压系统应急电源，其特征在于，放电开关是可控类电力电子开关或由其构成的开关电路。

8.根据权利要求7所述的一体化充放电式中压系统应急电源，其特征在于，放电开关是可控类电力电子无触点开关或由其构成的开关电路。