CN104682550B - 一种应急电源系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应急电源系统及其控制方法，该方法包括：切换装置，与市电及交流输出端连接；用于在应急供电时作为电压源输出且在市电正常供电时作为电流源输出的双向变换器，与切换装置连接；电池，与双向变换器连接；用于对应急电源系统进行控制的控制器，与切换装置、双向变换器及电池连接；支路检测装置，与控制器及交流输出端连接。实施本发明的有益效果是，通过采用双向变换器实现对负载的应急供电及对电池的充电，且双向变换器可以全功率为电池充电，如此，既节省了充电器的成本、功耗及故障概率，又加快了电池充电时间。

Description

一种应急电源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及市电供电技术领域，尤其涉及一种应急电源系统及其控制方法。

背景技术

EPS应急电源主要应用在各类建筑的工作供电和消防供电；医院安全供电；高速公路、隧道、地铁、轻轨、民用机场的供电；电力系统的供电；各类不能断电的生产、实验设备的供电。是一种能向负载设备提供纯净正弦波的高质量供电电源。

目前市场上EPS应急电源集逆变器、充电器及控制器于一体，系统内部设计了电池检测、分路检测回路。其主要部件的工作原理框图参见图1，图1为现有技术中EPS应急电源的结构框图。这种系统架构的特点是含有独立的充电器部分，充电器占用系统一定的成本和体积以及效率损耗等，同时增加了故障概率。此外，通常该充电器容量较小(通常20％左右)，所以电池充电时间较长。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应急电源系统及其控制方法，旨在解决现有技术中充电器占用系统一定的成本和体积以及效率损耗、故障率高、电池充电时间长的技术问题。

本发明的技术方案实现如下：

提供一种应急电源系统，包括：

切换装置，与市电及交流输出端连接；

用于在应急供电时作为电压源输出且在市电正常供电时作为电流源输出的双向变换器，与所述切换装置连接；

电池，与所述双向变换器连接；

用于对所述应急电源系统进行控制的控制器，与所述切换装置、所述双向变换器及所述电池连接；

支路检测装置，与所述控制器及所述交流输出端连接。

在本发明所述的应急电源系统中，所述双向变换器包括：

逆变器，与所述控制器连接；

受控于所述控制器以作为电压源输出的电压源受控电路，与所述逆变器连接；

受控于所述控制器以作为电流源输出的电流源受控电路，与所述电压源受控电路及所述切换装置连接。

在本发明所述的应急电源系统中，所述控制器包括：

电压控制环，与所述电池连接；

电流控制环，与所述电压控制环连接；

第一模数变换器，与所述电流控制环连接；

第二模数变换器，与所述电压控制环及所述切换装置连接；

第三模数变换器，与所述电流控制环及所述切换装置连接；

SPWM驱动接口，与所述第一模数变换器及所述双向变换器连接。

在本发明所述的应急电源系统中，所述逆变器包括：第一电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管及第六MOS管；对每个MOS管，体二极管的正极连接到该MOS管的源极，体二极管的负极连接到该MOS管的漏极，第一MOS管、第三MOS管和第五MOS管的漏极相连并连接到第一电容的正极，第二MOS管、第四MOS管和第六MOS管的源极相连并连接到第一电容的负极。

在本发明所述的应急电源系统中，所述电压源受控电路包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二电容、第三电容及第四电容；所述第一电感连接至所述第一MOS管及第二MOS管之间，所述第二电感连接至所述第三MOS管及第四MOS管之间，所述第三电感连接至所述第五MOS管及第六MOS管之间，所述第一电阻连接于所述第一电感，所述第二电阻连接于所述第二电感，所述第三电阻连接于所述第三电感，所述第二电容连接于所述第一电阻、第三电容及第四电容，所述第三电容连接于所述第二电阻及第四电容，所述第四电容连接于所述第三电阻。

在本发明所述的应急电源系统中，所述电流源受控电路包括：第一阻抗、第二阻抗及第三阻抗；所述第一阻抗连接于所述第二阻抗及第三阻抗，所述第二阻抗连接于第三阻抗。

另一方面，一种应急电源系统的控制方法，提供如上述应急电源系统，包括：

在应急供电时，控制器控制双向变换器作为电压源输出，从而由电池为交流输出端的负载提供电能；

在市电正常供电时，所述控制器控制切换装置接通市电，从而由市电为交流输出端的负载提供电能；

所述控制器控制双向变换器作为电流源输出，从而由市电为所述电池充电。

在本发明所述的控制方法中，在市电正常供电时，还包括：

所述控制器判断市电电压是否正常，若正常，则所述双向变换器的逆变器停止脉冲输入，由市电为交流输出端的负载供电，并将所述逆变器接通于所述市电。

在本发明所述的控制方法中，还包括：

在市电掉电时，所述双向变换器由电流源输出转换为电压源输出，从而由所述电池为交流输出端的负载提供电能。

在本发明所述的控制方法中，在市电掉电时，还包括：

所述控制器判断市电电压是否正常，若不正常，则所述双向变换器的逆变器停止脉冲输入，由电池为交流输出端的负载供电，并将所述市电断开。

因此，本发明的有益效果是，通过采用双向变换器实现对负载的应急供电及对电池的充电，且双向变换器可以全功率为电池充电，如此，既节省了充电器的成本、功耗及故障概率，又加快了电池充电时间。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为现有技术中EPS应急电源的结构框图；

图2为本发明提供的一种应急电源系统的结构框图；

图3为本发明提供的双向变换器的电路图；

图4为本发明提供的控制器在双向变换器作为电压源输出时的结构框图；

图5为本发明提供的控制器在双向变换器作为电流源输出时的结构框图；

图6为本发明提供的一种应急电源系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下将对照附图详细说明本发明的具体实施方式。应当理解，以下说明仅为本发明实施例的具体阐述，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供一种应急电源系统100及其控制方法，其目的在于，采用双向变换器2替换现有技术中的逆变器21，减少了充电器电路，实现应急供电及电池3充电功能。即在EPS系统中采用双向变换器2实现对负载的应急供电及对电池3的充电，同时双向变换器2具备全功率为电池3充电的能力，从而减少了充电时间；采用可以同时为负载及变换器切换供电的切换装置1，同时在双向变换器2的电压源和电流源之间切换，灵活地达到双功能切换的目的。

参见图2，图2为本发明提供的一种应急电源系统100的结构框图，该应急电源系统100包括：

切换装置1，与市电200及交流输出端300连接；切换装置1可以采用机械的开关，也可以采用功率电子的开关，其控制方式可以采用自身控制或者系统控制器4控制；

用于在应急供电时作为电压源输出且在市电200正常供电时作为电流源输出的双向变换器2，与所述切换装置1连接；双向变换器2可以是三相的，也可以是单相的，变换器的物理开关也可以是其他功率变换器器件，参见图3，图3为本发明提供的双向变换器2的电路图，该双向变换器2包括：

逆变器21，与所述控制器4连接；所述逆变器21包括：第一电容211、第一MOS管212、第二MOS管213、第三MOS管214、第四MOS管215、第五MOS管216及第六MOS管217；对每个MOS管，体二极管的正极连接到该MOS管的源极，体二极管的负极连接到该MOS管的漏极，第一MOS管212、第三MOS管214和第五MOS管216的漏极相连并连接到第一电容211的正极，第二MOS管213、第四MOS管215和第六MOS管217的源极相连并连接到第一电容211的负极。

受控于所述控制器4以作为电压源输出的电压源受控电路22，与所述逆变器21连接；所述电压源受控电路22包括：第一电感221、第二电感222、第三电感223、第一电阻224、第二电阻225、第三电阻226、第二电容227、第三电容228及第四电容229；所述第一电感221连接至所述第一MOS管212及第二MOS管213之间，所述第二电感222连接至所述第三MOS管214及第四MOS管215之间，所述第三电感223连接至所述第五MOS管216及第六MOS管217之间，所述第一电阻224连接于所述第一电感221，所述第二电阻225连接于所述第二电感222，所述第三电阻226连接于所述第三电感223，所述第二电容227连接于所述第一电阻224、第三电容228及第四电容229，所述第三电容228连接于所述第二电阻225及第四电容229，所述第四电容229连接于所述第三电阻226。

受控于所述控制器4以作为电流源输出的电流源受控电路23，与所述电压源受控电路22及所述切换装置1连接。所述电流源受控电路23包括：第一阻抗231、第二阻抗232及第三阻抗233；所述第一阻抗231连接于所述第二阻抗232及第三阻抗233，所述第二阻抗232连接于第三阻抗233。

电池3，与所述双向变换器2连接；用于在应急供电时提供电源。

用于对所述应急电源系统100进行控制的控制器4，与所述切换装置1、所述双向变换器2及所述电池3连接；该控制器4可以是传统PI控制器4，也可以是其他形式的电压电流控制器4。参见图4，图4为本发明提供的控制器4在双向变换器2作为电压源输出时的结构框图，所述控制器4包括：

电压控制环41，与所述电池3连接；

电流控制环42，与所述电压控制环41连接；

第一模数变换器43，与所述电流控制环42连接；

第二模数变换器44，与所述电压控制环41及所述切换装置1连接；

第三模数变换器45，与所述电流控制环42及所述切换装置1连接；

SPWM驱动接口46，与所述第一模数变换器43及所述双向变换器2连接。

支路监测装置5，与所述控制器4及所述交流输出端300连接。

参见图5，图5为本发明提供的控制器4在双向变换器2作为电流源输出时的结构框图，所述控制器4包括：

电压控制环41，与所述电池3连接；

电流控制环42，与所述电压控制环41连接；

第一模数变换器43，与所述电流控制环42连接；

第三模数变换器45，与所述电流控制环42及所述切换装置1连接；其中，第二模数转换器44可以加设一开关，从而使所述电压控制环41直接导通外部模拟信号。

SPWM驱动接口46，与所述第一模数变换器及所述双向变换器2连接。

支路监测装置5，与所述控制器4及所述交流输出端300连接。用于检测支路供电情况。支路监测装置5是一种可以判断出支路故障的装置，该装置采用高精度电流传感器检测，受控于控制器4，因此处理判断故障准确、可靠、灵敏度较高。

参见图6，图6为本发明提供的一种应急电源系统100的控制方法的流程图，该控制方法，提供如上述应急电源系统100，包括：

S1、在应急供电时，控制器4控制双向变换器2作为电压源输出，从而由电池3为交流输出端300的负载提供电能；即应急供电时，参见图4，双向变换器2作为电压源输出，产品标准正弦波的三相(或单相)电压输出，为负载提供电能；此时该双向变换器2的控制模式为电压控制，控制目标为逆变器21的输出电压。

S2、在市电200正常供电时，所述控制器4控制切换装置1接通市电200，从而由市电200为交流输出端300的负载提供电能；切换工作逻辑为间断切换或不间断切换。在市电200正常供电时，还包括：

所述控制器4判断市电200电压是否正常，若正常，则所述双向变换器2的逆变器21停止脉冲输入，由市电200为交流输出端300的负载供电，并将所述逆变器21接通于所述市电200。即市电200正常时，切换装置1接通市电200输入，负载由市电200供电；同时仍与双向变换器2保持连接，为其供电；时序逻辑为：判断市电200电压Ug是否正常，如果正常，则逆变器21封锁脉冲，然后闭合市电200输入开关，由市电200为负载供电；此时逆变器21的输出保持连接于电网上面。

S3、所述控制器4控制双向变换器2作为电流源输出，从而由市电200为所述电池3充电。市电200正常时(同时上述步骤S2切换完毕)，双向变换器2作为电流源来工作，把切换装置1连接过来的市电200进行单位功率因数整流，从而为电池3充电，实现充电器的功能；此时该双向变换器2的控制模式为电流源控制，控制目标为电池3侧电压(或充电电流)以及逆变侧电流的单位功率因数，双向变换器2作为电流源输出时，控制器4参见图5。双向变换器2为电池3充电时，可以以变换器的全功率对电池3进行充电，从而可以更加快速地时电池3充满电量(比传统充电器快3～4倍)。

S4、在市电200掉电时，所述双向变换器2由电流源输出转换为电压源输出，从而由所述电池3为交流输出端300的负载提供电能。在市电200掉电时，还包括：

所述控制器4判断市电200电压是否正常，若不正常，则所述双向变换器2的逆变器21停止脉冲输入，由电池3为交流输出端300的负载供电，并将所述市电200断开。即市电200突然掉电时，双向变换器2实现由电流控制模式向电压控制模式的转变，同时切换装置1切换至逆变器21侧，实现由双向变换器2作为电压源为负载供电；时序逻辑如下：判断市电200电压Ug是否正常，如果异常，则逆变器21封锁脉冲，然后断开市电200输入开关，将市电200切出；逆变器21启动并工作于电压源模式，控制输出电压应急供电。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种应急电源系统，其特征在于，包括：

切换装置，与市电及交流输出端连接；

用于在应急供电时作为电压源输出且在市电正常供电时作为电流源输出的双向变换器，与所述切换装置连接；所述双向变换器包括逆变器、受控于控制器以作为电压源输出的电压源受控电路及受控于所述控制器以作为电流源输出的电流源受控电路；所述逆变器与所述控制器连接；所述电压源受控电路与所述逆变器连接；所述电流源受控电路与所述电压源受控电路及所述切换装置连接；所述逆变器包括：第一电容、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管及第六MOS管；所述第一MOS管的源级连接至所述第二MOS管的漏极，所述第三MOS管的源级连接至所述第四MOS管的漏极，所述第五MOS管的源级连接至所述第六MOS管的漏极，第一MOS管的漏极、第三MOS管的漏极和第五MOS管的漏极相连并连接到第一电容的正极，第二MOS管的源极、第四MOS管的源极和第六MOS管的源极相连并连接到第一电容的负极；所述电压源受控电路包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二电容、第三电容及第四电容；所述第一电感的一端连接至所述第一MOS管及第二MOS管之间，所述第二电感的一端连接至所述第三MOS管及第四MOS管之间，所述第三电感的一端连接至所述第五MOS管及第六MOS管之间，所述第一电阻的一端连接于所述第一电感的另一端，所述第二电阻的一端连接于所述第二电感的另一端，所述第三电阻的一端连接于所述第三电感的另一端，所述第二电容的一端连接于所述第一电阻的另一端，所述第三电容的一端连接于所述第二电阻的另一端，所述第四电容的一端连接于所述第三电阻的另一端，所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端及所述第四电容的另一端相连；所述电流源受控电路包括：第一阻抗、第二阻抗及第三阻抗；所述第一阻抗的一端连接于所述第一电感的另一端，所述第二阻抗的一端连接于所述第二电感的另一端，所述第三阻抗的一端连接于所述第三电感的另一端，所述第一阻抗的另一端、所述第二阻抗的另一端及所述第三阻抗的另一端相连；

电池，与所述双向变换器连接；

用于对所述应急电源系统进行控制的控制器，与所述切换装置、所述双向变换器及所述电池连接；所述控制器包括电压控制环、电流控制环、第一模数变换器、第二模数变换器、第三模数变换器及SPWM驱动接口；所述电压控制环与所述电池连接；所述电流控制环与所述电压控制环连接；所述第一模数变换器与所述电流控制环连接；所述第三模数变换器与所述电流控制环及支路检测装置连接；当所述控制器控制双向变换器作为电压源输出时，由电池为交流输出端的负载提供电能，所述第二模数变换器与所述电压控制环及所述支路检测装置连接；当所述控制器控制双向变换器作为电流源输出时，由市电为所述电池充电，所述第二模数转换器加设一开关，从而使所述电压控制环直接导通电池侧电压；所述SPWM驱动接口与所述第一模数变换器及所述双向变换器连接；

支路检测装置，与所述控制器及所述交流输出端连接。

2.一种应急电源系统的控制方法，采用如权利要求1所述的应急电源系统，其特征在于，包括：

在应急供电时，控制器控制双向变换器作为电压源输出，从而由电池为交流输出端的负载提供电能；

在市电正常供电时，所述控制器控制切换装置接通市电，从而由市电为交流输出端的负载提供电能；在市电正常供电时，还包括：所述控制器判断市电电压是否正常，若正常，则所述双向变换器的逆变器停止脉冲输入，由市电为交流输出端的负载供电，并将所述逆变器接通于所述市电；

所述控制器控制双向变换器作为电流源输出，从而由市电为所述电池充电；

在市电掉电时，所述双向变换器由电流源输出转换为电压源输出，从而由所述电池为交流输出端的负载提供电能；在市电掉电时，还包括：所述控制器判断市电电压是否正常，若不正常，则所述双向变换器的逆变器停止脉冲输入，由电池为交流输出端的负载供电，并将所述市电断开。