CN105006884A - 一种本质安全化直流系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种本质安全化直流系统，该系统的输入端同时连接两路三相交流电源，该系统的输出端分别与控制母线和合闸母线相连，包括多组并列运行的蓄电池组，每组蓄电池组有与其相对应的充电回路、非隔离馈出回路和隔离馈出回路，蓄电池组分别和与其相对应的充电回路、非隔离馈出回路和隔离馈出回路连接，其中，多条非隔离馈出回路并联后的输出端与合闸母线连接，多条隔离馈出回路并联后的输出端与控制母线连接。本发明的系统可靠性高、成本低，没有增加蓄电池组的投资和维护成本，能够有效避免当变电站全站停电或发电厂全厂停电时蓄电池组由于故障而不能放电情形的发生，从而避免变电站全站停电或发电厂全厂停电后的事故扩大。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于发电厂、变电站的本质安全化直流系统，属于电力系统技术领域。
背景技术
直流系统常应用于各类变电站以及火力、水力发电厂等需要使用直流设备的地方，直流系统是电力二次系统的重要组成部分，是电力系统控制和保护的基础，同时也是确保事故能得到快速处理的保障。当交流电网出现故障造成变电站全站停电或发电厂全厂停电时，此时若备用的蓄电池组由于维护不到位而发生短路、断路或电池异常也不能正常放电时，不仅会使得检修人员无法快速处理交流电网的故障，甚至还可能引发更严重的事故，为了有效保证变电站、发电厂乃至整个电网的安全稳定运行，需要采取措施防止由于蓄电池组故障而带来的不利影响，目前常见的措施有以下几种：1采用两组蓄电池组；2采用带测试内阻功能的电池巡检仪；3采用大功率放电法检测蓄电池组容量；采取措施1的话需要额外增加一组蓄电池组，不仅投资维护成本提高了，而且该两组蓄电池组并非并列运行，故而不能真正解决问题；而措施2的方案内阻跟蓄电池容量之间没有严格的数学关系，无法根据单个电池的内阻值去预测蓄电池的寿命和容量，只能通过对内阻测试数据不断累积和定量分析，才可以推断出电池容量变化趋势和寿命情况，所以措施2不仅方法复杂，而且实用性不强，在实际运用中容易出现大的误差；措施3的方案只是一种定期检测的方法，不是在线检测，所以并不能实时了解蓄电池组的真实容量。因此，一种可靠性高、成本低的本质安全化直流系统的开发很有必要。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种可靠性高、成本低的本质安全化直流系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
一种本质安全化直流系统，该系统的输入端同时连接两路三相交流电源，该系统的输出端分别与控制母线和合闸母线相连，包括多组并列运行的蓄电池组，每组蓄电池组有与其相对应的充电回路、非隔离馈出回路和隔离馈出回路，蓄电池组分别和与其相对应的充电回路、非隔离馈出回路和隔离馈出回路连接，其中，多条非隔离馈出回路并联后的输出端与合闸母线连接，多条隔离馈出回路并联后的输出端与控制母线连接。
其中，所述蓄电池组为2～3组，该2～3组蓄电池组为采用并列运行。
进一步优选，所述充电回路包括高频充电机；所述非隔离馈出回路包括单片机控制电路1、非隔离型DC/DC变换器和输出二极管；所述隔离馈出回路包括单片机控制电路2、隔离型DC/DC变换器和输出二极管；所述高频充电机连接所述蓄电池组的输入端，所述蓄电池组的输出端分别与所述非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器连接，所述单片机控制电路1的输出端与所述非隔离型DC/DC变换器连接，所述非隔离型DC/DC变换器的输出端与所述输出二极管连接，所述单片机控制电路2的输出端与所述隔离型DC/DC变换器连接，所述隔离型DC/DC变换器的输出端与所述输出二极管连接。
进一步优选，所述非隔离型DC/DC变换器包括蓄电池组输入端Ubat+、Ubat-和输出端U1+、U1-，蓄电池组输入端Ubat+和Ubat-端通过电容C1连接，输出端U1+和U1-通过电容C2连接，电感L1的一端分别连接蓄电池组输入端Ubat+和电容C1的一端，电感L1的另一端分别连接功率管Q的集电极和二极管D的阳极，功率管Q的发射极分别连接蓄电池组输入端Ubat-、电容C1的另一端、电容C2的一端和输出端U1-，功率管Q的栅极连接PWM驱动信号端，PWM端的信号由单片机控制电路1给出，二极管D的阴极分别连接蓄电池组输出端U1+和电容C2的另一端。
进一步优选，所述非隔离型DC/DC变换器包括英飞凌IGBT模块，其中IGBT模块包含功率管Q和二极管D。
进一步优选，所述隔离型DC/DC变换器包括蓄电池组输入端Ubat+、Ubat-和输出端U2+、U2-，蓄电池组输入端Ubat+和Ubat-端通过滤波电容C3连接，输出端U2+和U2-通过滤波电容C4连接，功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4选用IGBT模块，所述功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3和功率管Q4的栅极分别与PWM1、PWM2、PWM3和PWM4控制信号输入端连接，控制信号输入端PWM1、PWM2、PWM3和PWM4的信号由单片机控制电路2给出，所述功率管Q1的发射极分别连接功率管Q3的集电极和高频隔离变压器T原边的一端，所述功率管Q2的发射极分别连接功率管Q4的集电极和高频隔离变压器T原边的另一端，所述功率管Q3的发射极分别连接功率管Q4的发射极、滤波电容C3的一端、接地端口和蓄电池组输入端Ubat-，所述功率管Q4的发射极分别连接功率管Q3的发射极、滤波电容C3的一端、接地端口和蓄电池组输入端Ubat-，所述高频隔离变压器T的副边连接由整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、电感L2以及滤波电容C4组成的整流滤波电路。
进一步优选，所述单片机控制电路1的单片机型号为PIC16F72，单片机控制电路1设有两个电压采样输入端U1i和U1o，电压采样输入端U1i串联电阻R1、电阻R2后接地，电压采样输入端U1o串联电阻R3、电阻R4后接地，单片机包括AN0端口和AN1端口，电阻R1和电阻R2之间连接AN0端口，电阻R3和电阻R4之间连接AN1端口，单片机还包括PWM信号输出端口和AN2端口，PWM信号输出端连接到功率管Q的栅极，单片机通过AN2端口与电阻R5串联接地，同时单片机通过AN2端口采集电流传感器LEM感应的非隔离型DC/DC变换器的输入电流Ii，单片机还包括端口1，单片机通过端口1接5V电压端，单片机还包括端口2和端口3，单片机的端口2和端口3分别与晶振连接。
进一步优选，所述单片机控制电路2的单片机型号为dsPIC30F2023，单片机控制电路2设有两个电压采样输入端U2i和U2o，电压采样输入端U2i串联电阻R6、电阻R7后接地，电压采样输入端U2o串联电阻R8、电阻R9后接地，单片机包括AN0端口和AN1端口，电阻R6和电阻R7之间连接AN0端口，电阻R8和电阻R9之间连接AN1端口，单片机还包括PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号输出端口和AN2端口，PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号输出端口分别连接到功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4的栅极，单片机通过AN2端口与电阻R10串联接地，同时单片机通过AN2端口采集电流互感器CT感应的隔离型DC/DC变换器的输出电流Io，单片机还包括端口1，单片机通过端口1接5V电压端，单片机还包括端口2和端口3，单片机的端口2和端口3分别与晶振连接。
有益效果：相比于现有技术，本发明的直流系统利用非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器的升压功能，将原有直流系统中的蓄电池组分成2～3组，在其中一组或两组蓄电池组出现故障的情况下仍能输出稳定的直流电，给直流负荷供电，达到蓄电池组冗余的效果，大大提高了直流系统的可靠性；另外，本发明直流系统还能通过非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器判断蓄电池组是否存在故障，从而及时进行蓄电池组的维护和更换。因此本发明的直流系统可靠性高、成本低，没有增加蓄电池组的投资和维护成本，能够有效避免当变电站全站停电或发电厂全厂停电时蓄电池组由于故障而不能放电情形的发生，从而避免了变电站全站停电或发电厂全厂停电后的事故扩大。
附图说明
图1为本发明本质安全化直流系统的系统原理图；
图2为本发明本质安全化直流系统中非隔离型DC/DC变换器的电路原理图；
图3为本发明本质安全化直流系统中隔离型DC/DC变换器的电路原理图；
图4为本发明本质安全化直流系统中非隔离型DC/DC变换器对应的单片机控制电路1的原理图；
图5为本发明本质安全化直流系统中隔离型DC/DC变换器对应的单片机控制电路2的原理图；
图6为本发明本质安全化直流系统中单片机主控流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术内容作进一步说明。
结合图1，本发明的本质安全化直流系统，该系统的输入端同时连接两路互为备用的三相交流电源，该系统的输出端分别与控制母线和合闸母线相连，包括多组(2～3组)蓄电池组，2～3组蓄电池组并列运行，每组蓄电池组有与其相对应充电回路、非隔离馈出回路和隔离馈出回路，蓄电池组分别和与其相对应的充电回路、非隔离馈出回路和隔离馈出回路连接，其中，多条非隔离馈出回路并联后的输出端与合闸母线连接，多条隔离馈出回路并联后的输出端与控制母线连接；当系统中其中1组或2组蓄电池组出现故障退出运行时，无故障的蓄电池组的馈出回路仍能输出满足所有负荷的功率；
本发明的本质安全化直流系统，充电回路包括高频充电机；非隔离馈出回路包括单片机控制电路1、非隔离型DC/DC变换器和输出二极管；隔离馈出回路包括单片机控制电路2、隔离型DC/DC变换器和输出二极管；高频充电机连接蓄电池组的输入端，蓄电池组的输出端分别与非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器连接，单片机控制电路1的输出端与非隔离型DC/DC变换器连接，非隔离型DC/DC变换器的输出端与输出二极管连接，单片机控制电路2的输出端与隔离型DC/DC变换器连接，隔离型DC/DC变换器的输出端与输出二极管连接。
参见图2，非隔离型DC/DC变换器包括蓄电池组输入端Ubat+、Ubat-和输出端U1+、U1-，蓄电池组输入端Ubat+和Ubat-端通过电容C1连接，输出端U1+和U1-通过电容C2连接，电感L1的一端分别连接蓄电池组输入端Ubat+和电容C1的一端，电感L1的另一端分别连接功率管Q的集电极和二极管D的阳极，功率管Q的发射极分别连接蓄电池组输入端Ubat-、电容C1的另一端、电容C2的一端和输出端U1-，功率管Q的栅极连接PWM驱动信号端，PWM端的信号由单片机控制电路1给出，二极管D的阴极分别连接蓄电池组输出端U1+和电容C2的另一端；其中，非隔离型DC/DC变换器包括英飞凌IGBT模块，其中IGBT模块包含功率管Q和二极管D。
参见图3，隔离型DC/DC变换器包括蓄电池组输入端Ubat+、Ubat-和输出端U2+、U2-，蓄电池组输入端Ubat+和Ubat-端通过滤波电容C3连接，输出端U2+和U2-通过滤波电容C4连接，功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4选用IGBT模块，功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3和功率管Q4的栅极分别与PWM1、PWM2、PWM3和PWM4控制信号输入端连接，控制信号输入端PWM1、PWM2、PWM3和PWM4的信号由单片机控制电路2给出，功率管Q1的发射极分别连接功率管Q3的集电极和高频隔离变压器T原边的一端，功率管Q2的发射极分别连接功率管Q4的集电极和高频隔离变压器T原边的另一端，功率管Q3的发射极分别连接功率管Q4的发射极、滤波电容C3的一端、接地端口和蓄电池组输入端Ubat-，功率管Q4的发射极分别连接功率管Q3的发射极、滤波电容C3的一端、接地端口和蓄电池组输入端Ubat-，高频隔离变压器T的副边连接由整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、电感L2以及滤波电容C4组成的整流滤波电路，其中，输出整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4选用快恢复二极管。
参见图4，单片机控制电路1的单片机型号为PIC16F72，单片机控制电路1设有两个电压采样输入端U1i和U1o，电压采样输入端U1i串联电阻R1、电阻R2后接地，电压采样输入端U1o串联电阻R3、电阻R4后接地，单片机包括AN0端口和AN1端口，电阻R1和电阻R2之间连接AN0端口，电阻R3和电阻R4之间连接AN1端口，单片机还包括PWM信号输出端口和AN2端口，PWM信号输出端连接到功率管Q的栅极，单片机通过AN2端口与电阻R5串联接地，同时单片机通过AN2端口采集电流传感器LEM感应的非隔离型DC/DC变换器的输入电流Ii，单片机还包括端口1，单片机通过端口1接5V电压端，单片机还包括端口2和端口3，单片机的端口2和端口3分别与晶振连接，单片机还包括端口4，单片机的端口4连接报警模块，报警模块包括报警器，报警器的一端接地，报警器的另一端连接三极管Qo的集电极，三极管Qo的发射极连接5V电压端，三极管Qo的基极连接电阻Ro的一端，电阻Ro的另一端与单片机的端口4连接。
参见图5，单片机控制电路2单片机的型号为dsPIC30F2023，单片机控制电路2设有两个电压采样输入端U2i和U2o，电压采样输入端U2i串联电阻R6、电阻R7后接地，电压采样输入端U2o串联电阻R8、电阻R9后接地，单片机包括AN0端口和AN1端口，电阻R6和电阻R7之间连接AN0端口，电阻R8和电阻R9之间连接AN1端口，单片机还包括PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号输出端口和AN2端口，PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号输出端口分别连接到功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4的栅极，单片机通过AN2端口与电阻R10串联接地，同时单片机通过AN2端口采集电流互感器CT感应的隔离型DC/DC变换器的输出电流Io，单片机还包括端口1，单片机通过端口1接5V电压端，单片机还包括端口2和端口3，单片机的端口2和端口3分别与晶振连接。
结合图1和图6，本发明直流系统的工作原理如下：将原有直流系统的蓄电池组(DC 220V)进行分组，本实施例分成2组，即蓄电池组1和蓄电池组2，每组蓄电池组的电压为DC 110V。与该组蓄电池组对应的单片机控制电路1和单片机控制电路2分别通过自身的AD单元来采样该组蓄电池组的输入电压，当该组蓄电池组的电压正常时，该组蓄电池组的单片机控制电路1和单片机控制电路2分别输出相应功率管的驱动控制信号，即该组蓄电池组的非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器的功率管都处于工作状态，DC/DC变换器将该组蓄电池组电压升高至DC 220V，输出至合闸母线和控制母线。在变电站/发电厂内交流电源运行正常的情况下，蓄电池组1和蓄电池组2以小倍率电流放电，如0.1C放电，给经常性负荷供电；当交流电源出现故障即事故情况下，事故初期蓄电池组以较大电流倍率放电，如1C放电，给经常性负荷、事故负荷和冲击负荷供电，冲击负荷由过载能力强的非隔离馈出回路供电。
若其中1组蓄电池组(如电池组1)出现故障，蓄电池组1电压下降，蓄电池组1的单片机控制电路1和单片机控制电路2的AD单元采样的蓄电池组1电压不符合初设条件，单片机控制电路1和单片机控制电路2同时发出禁止输出功率管的驱动信号，即该蓄电池组1的非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器的功率管均处于截止状态，则该组蓄电池组1馈出回路无输出，同时系统进行报警，告知工作人员蓄电池组存在故障，需要维修或更换，此时负荷全部转移至蓄电池组2馈出回路。在变电站/发电厂内交流电源运行正常的情况下，蓄电池组2以无故障情况下的2倍放电电流放电，即0.2C放电，给经常性负荷供电；当交流电源出现故障即事故情况下，事故初期蓄电池组2以故障情况下的2倍放电电流放电，如2C放电，给经常性负荷、事故负荷和冲击负荷供电，冲击负荷由过载能力强的非隔离馈出回路供电。
本发明的直流系统利用非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器的升压功能，将原有直流系统中的蓄电池组分成2～3组，在其中一组或两组蓄电池组出现故障的情况下仍能输出稳定的直流电，给直流负荷供电，达到蓄电池组冗余的效果，大大提高了直流系统的可靠性，一方面有效避免了变电站全站停电或发电厂全厂停电后的事故扩大，另一方面有效避免了当变电站全站停电或发电厂全厂停电时蓄电池组由于故障而不能放电情形的发生，本发明系统可通过非隔离型馈出回路和隔离型馈出回路判断蓄电池组的故障，并通过该蓄电池组的单片机控制电路1上的报警电路(即单片机上的嗡鸣报警器)进行报警，从而及时了解蓄电池组的状态，进行蓄电池组的维护和更换。
上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种本质安全化直流系统，该系统的输入端同时连接两路三相交流电源，该系统的输出端分别与控制母线和合闸母线相连，其特征在于：包括多组并列运行的蓄电池组，每组蓄电池组有与其相对应的充电回路、非隔离馈出回路和隔离馈出回路，蓄电池组分别和与其相对应的充电回路、非隔离馈出回路和隔离馈出回路连接，其中，多条非隔离馈出回路并联后的输出端与合闸母线连接，多条隔离馈出回路并联后的输出端与控制母线连接。
2.根据权利要求1所述的本质安全化直流系统，其特征在于：所述蓄电池组为2～3组。
3.根据权利要求1所述的本质安全化直流系统，其特征在于：所述充电回路包括高频充电机；所述非隔离馈出回路包括单片机控制电路1、非隔离型DC/DC变换器和输出二极管；所述隔离馈出回路包括单片机控制电路2、隔离型DC/DC变换器和输出二极管；所述高频充电机连接所述蓄电池组的输入端，所述蓄电池组的输出端分别与所述非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器连接，所述单片机控制电路1的输出端与所述非隔离型DC/DC变换器连接，所述非隔离型DC/DC变换器的输出端与所述输出二极管连接，所述单片机控制电路2的输出端与所述隔离型DC/DC变换器连接，所述隔离型DC/DC变换器的输出端与所述输出二极管连接。
4.根据权利要求3所述的本质安全化直流系统，其特征在于：所述非隔离型DC/DC变换器包括蓄电池组输入端Ubat+、Ubat-和输出端U1+、U1-，蓄电池组输入端Ubat+和Ubat-端通过电容C1连接，输出端U1+和U1-通过电容C2连接，电感L1的一端分别连接蓄电池组输入端Ubat+和电容C1的一端，电感L1的另一端分别连接功率管Q的集电极和二极管D的阳极，功率管Q的发射极分别连接蓄电池组输入端Ubat-、电容C1的另一端、电容C2的一端和输出端U1-，功率管Q的栅极连接PWM驱动信号端，PWM端的信号由单片机控制电路1给出，二极管D的阴极分别连接蓄电池组输出端U1+和电容C2的另一端。
5.根据权利要求3所述的本质安全化直流系统，其特征在于：所述非隔离型DC/DC变换器包括英飞凌IGBT模块，其中IGBT模块包含功率管Q和二极管D。
6.根据权利要求3所述的本质安全化直流系统，其特征在于：所述隔离型DC/DC变换器包括蓄电池组输入端Ubat+、Ubat-和输出端U2+、U2-，蓄电池组输入端Ubat+和Ubat-端通过滤波电容C3连接，输出端U2+和U2-通过滤波电容C4连接，功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4选用IGBT模块，所述功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3和功率管Q4的栅极分别与PWM1、PWM2、PWM3和PWM4控制信号输入端连接，控制信号输入端PWM1、PWM2、PWM3和PWM4的信号由单片机控制电路2给出，所述功率管Q1的发射极分别连接功率管Q3的集电极和高频隔离变压器T原边的一端，所述功率管Q2的发射极分别连接功率管Q4的集电极和高频隔离变压器T原边的另一端，所述功率管Q3的发射极分别连接功率管Q4的发射极、滤波电容C3的一端、接地端口和蓄电池组输入端Ubat-，所述高频隔离变压器T副边连接由整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、电感L2以及滤波电容C4组成的整流滤波电路。
7.根据权利要求3所述的本质安全化直流系统，其特征在于：所述单片机控制电路1的单片机型号为PIC16F72，单片机控制电路1设有两个电压采样输入端U1i和U1o，电压采样输入端U1i串联电阻R1、电阻R2后接地，电压采样输入端U1o串联电阻R3、电阻R4后接地，单片机包括AN0端口和AN1端口，电阻R1和电阻R2之间连接AN0端口，电阻R3和电阻R4之间连接AN1端口，单片机还包括PWM信号输出端口和AN2端口，PWM信号输出端连接到功率管Q的栅极，单片机通过AN2端口与电阻R5串联接地，同时单片机通过AN2端口采集电流传感器LEM感应的非隔离型DC/DC变换器的输入电流Ii，单片机还包括端口1，单片机通过端口1接5V电压端，单片机还包括端口2和端口3，单片机的端口2和端口3分别与晶振连接。
8.根据权利要求3所述的本质安全化直流系统，其特征在于：所述单片机控制电路2的单片机型号为dsPIC30F2023，单片机控制电路2设有两个电压采样输入端U2i和U2o，电压采样输入端U2i串联电阻R6、电阻R7后接地，电压采样输入端U2o串联电阻R8、电阻R9后接地，单片机包括AN0端口和AN1端口，电阻R6和电阻R7之间连接AN0端口，电阻R8和电阻R9之间连接AN1端口，单片机还包括PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号输出端口和AN2端口，PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号输出端口分别连接到功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4的栅极，单片机通过AN2端口与电阻R10串联接地，同时单片机通过AN2端口采集电流互感器CT感应的隔离型DC/DC变换器的输出电流Io，单片机还包括端口1，单片机通过端口1接5V电压端，单片机还包括端口2和端口3，单片机的端口2和端口3分别与晶振连接。
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