CN107257160B - 一种直流操作电源系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种直流操作电源系统及其控制方法，该直流操作电源系统包括：第一DC/DC变换器，其输入端连接所述第一直流母线，其输出端连接所述第二直流母线；第二DC/DC变换器，其输入端连接所述第二直流母线，其输出端连接所述第一直流母线；监控器，用于分别控制所述第一DC/DC变换器和所述第二DC/DC变换器的输出电压大于或等于所述第一直流母线或所述第二直流母线的最低允许工作电压，且小于所述第一直流母线或所述第二直流母线的正常工作电压。实施本发明的技术方案，可有效的提高直流操作电源系统的可靠性，降低直流母线中断、失电的概率。

Description

一种直流操作电源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种直流操作电源系统及其控制方法。

背景技术

电力系统中直流操作电源系统的主要作用是通过直流母线为系统设备供电，当交流电网正常时，由交流电网通过转换之后为直流母线提供电能；当交流电网发生掉电故障时，由直流操作电源系统中的蓄电池组为直流母线提供电能。直流母线上的系统设备均为重要设备，用于保证电力系统正常运行。对于包含两个蓄电池组两段直流母线的直流操作电源系统，在交流电网失电故障和一组蓄电池组故障同时发生时，故障的蓄电池组所对应的直流母线必然失电，从而导致该段直流母线上的设备停止工作，影响电力系统的正常运行。直流母线上的继电保护设备停止运行，极有可能造成整个变电站的灾难性事故。因此，如何有效防止直流母线失电是衡量直流操作电源系统是否可靠的重要指标之一。

目前电力系统常用的直流操作电源系统的电路结构如图1所示，该直流操作电源系统配置两组充电机、两个蓄电池组(两个蓄电池组通过母联开关K0互为备用)、两段动力母线，两段动力母线分别通过降压装置形成两段控制母线、一组母联开关和一台监控器。假设交流电网和其中一组蓄电池同时故障，由于母联开关K0需要专业人员手动操作合闸，因此在母联开关K0闭合之前，故障的蓄电池组所对应的动力母线和控制母线将同时失电，从而造成该动力母线和该控制母线上的系统设备掉电。变电站的继电保护设备是由控制母线供电的，继电保护设备一旦失电，再次上电后需要10分钟以上才能恢复正常的保护功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述无法有效防止直流母线失电的缺陷，提供一种直流操作电源系统及其控制方法，能有效防止直流母线失电。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种直流操作电源系统，包括：分别与第一直流母线连接的第一蓄电池组及第一充电机、分别与第二直流母线连接的第二蓄电池组及第二充电机，所述直流操作电源系统还包括：

第一DC/DC变换器，其输入端连接所述第一直流母线，其输出端连接所述第二直流母线；

第二DC/DC变换器，其输入端连接所述第二直流母线，其输出端连接所述第一直流母线；

监控器，用于分别控制所述第一DC/DC变换器和所述第二DC/DC变换器的输出电压大于或等于所述第一直流母线或所述第二直流母线的最低允许工作电压，且小于所述第一直流母线或所述第二直流母线的正常工作电压。

优选地，还包括：

设置在互为备用的第一直流母线和第二直流母线之间的母联开关，而且，

所述监控器，还用于分别对第一DC/DC变换器/第二DC/DC变换器的输出电压及输出电流、所述第一直流母线/所述第二直流母线的电压进行实时监测，并在判断所述第一直流母线的当前电压小于等于所述第二DC/DC变换器的输出电压，且所述第二DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，或，所述第二直流母线的当前电压小于等于所述第一DC/DC变换器的输出电压，且所述第一DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，控制所述母联开关闭合。

优选地，所述监控器，还用于在判断所述第一直流母线的当前电压小于等于所述第二DC/DC变换器的输出电压，且所述第二DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，或，所述第二直流母线的当前电压小于等于所述第一DC/DC变换器的输出电压，且所述第一DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，输出告警信息。

优选地，所述监控器，还用于在判断所述第一直流母线的当前电压小于等于所述第二DC/DC变换器的输出电压，且所述第二DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，或，所述第二直流母线的当前电压小于等于所述第一DC/DC变换器的输出电压，且所述第一DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，上传故障信息。

优选地，所述监控器分别与所述第一DC/DC变换器和所述第二DC/DC变换器通过RS485或CAN总线连接。

优选地，所述第一直流母线包括第一动力母线和第一控制母线，所述第一充电机和所述第一蓄电池组连接所述第一动力母线，所述第二直流母线包括第二动力母线和第二控制母线，所述第二充电机和所述第二蓄电池组连接所述第二动力母线；而且，所述直流操作电源系统还包括：

连接在所述第一动力母线和所述第一控制母线之间的第一降压装置；

连接在所述第二动力母线和所述第二控制母线之间的第二降压装置。

优选地，所述第一降压装置和所述第二降压装置分别为硅链。

优选地，所述母联开关在故障排除后断开。

本发明还构造一种直流操作电源系统的控制方法，包括：

控制第一DC/DC变换器的输出电压大于或等于第一直流母线或第二直流母线的最低允许工作电压，且小于第一直流母线或第二直流母线的正常工作电压，其中，第一DC/DC变换器的输入端连接第一直流母线，其输出端连接第二直流母线；

控制第二DC/DC变换器的输出电压大于或等于第一直流母线或第二直流母线的最低允许工作电压，且小于第一直流母线或第二直流母线的正常工作电压，其中，第二DC/DC变换器的输入端连接第二直流母线，其输出端连接第一直流母线。

优选地，还包括：

分别对第一DC/DC变换器/第二DC/DC变换器的输出电压及输出电流、所述第一直流母线/所述第二直流母线的电压进行实时监测；

在判断所述第一直流母线的当前电压小于等于所述第二DC/DC变换器的输出电压，且所述第二DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，或，所述第二直流母线的当前电压小于等于所述第一DC/DC变换器的输出电压，且所述第一DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，控制母联开关闭合，其中，所述母联开关设置在互为备用的第一直流母线和第二直流母线之间。

实施本发明的技术方案，由于在两段直流母线之间分别设置第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器，且监控器控制两个DC/DC变换器的输出电压在直流母线的最低允许工作电压与正常工作电压之间。所以，当交流电网和其中一段直流母线上的蓄电池组故障时，其中一个DC/DC变换器便可从另一侧直流母线取电，并为失电的直流母线供电，因此，可有效的提高直流操作电源系统的可靠性，降低直流母线中断、失电的概率。

进一步地，在交流电网和其中一段直流母线上的蓄电池组故障时，监控器即可判断出故障侧的直流母线的当前电压小于等于相应的DC/DC变换器的输出电压，且该DC/DC变换器的输出电流也急剧增加，直至超过阈值，此时，监控器可控制设置在两段直流母线之间的母联开关闭合，由另一侧的蓄电池组同时为两段直流母线供电。这样，不但有效的提高直流操作电源系统的可靠性，还对两个DC/DC变换器的功率及传输效率降低了要求，从而节省了系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是现有技术的一种直流操作电源系统的电路结构图；

图2是本发明直流操作电源系统实施例一的电路结构图；

图3是本发明直流操作电源系统实施例二的电路结构图；

图4是本发明直流操作电源系统的控制方法实施例一的流程图。

具体实施方式

图2是本发明直流操作电源系统实施例一的电路结构图，该实施例的直流操作电源系统为包含两段直流母线的直流操作电源系统，且具体包括：监控器U1、第一蓄电池组B1、第一充电机Z1、第二蓄电池组B2、第二充电机Z2、第一DC/DC变换器M1、第二DC/DC变换器M2。而且，第一蓄电池组B1通过开关K1与第一直流母线L1连接，第一充电机Z1通过开关K5与第一直流母线L1连接。第二蓄电池组B2通过开关K2与第二直流母线L2连接，第二充电机Z2通过开关K6与第二直流母线L2连接。两个DC/DC变换器M1、M2分别设置两组端口，其中一组为直流输入端口，另一组为直流输出端口，且两组端口电气上相互隔离，而且，第一DC/DC变换器M1的输入端通过开关K3连接第一直流母线L1，其输出端连接第二直流母线L2，第二DC/DC变换器M2的输入端通过开关K4连接第二直流母线L2，其输出端连接第一直流母线L1。另外，两个DC/DC变换器M1、M2还分别与监控器U1通讯连接，例如，可采用RS485或CAN总线连接。

两组充电机Z1、Z2的作用是当交流电网正常时，将交流电转化为直流电，并为相应的直流母线供电及为相应的蓄电池组充电。两组充电机Z1、Z2一般由高频开关电源模块组成。

监控器U1用于分别控制第一DC/DC变换器M1和第二DC/DC变换器M2的输出电压大于或等于第一直流母线L1或第二直流母线L2的最低允许工作电压，且小于第一直流母线L1或第二直流母线L2的正常工作电压。

在该实施例的直流操作电源系统中，进一步还包括母联开关K0，该母联开关K0设置在互为备用的第一直流母线L1和第二直流母线L2之间，且其作用是使两个蓄电池组B1、B2，两段直流母线L1、L2互为备用，任何一组蓄电池组均满足两段直流母线的负载需求。另外，在该实施例中，监控器U1还用于分别对第一DC/DC变换器M1/第二DC/DC变换器M2的输出电压及输出电流、第一直流母线L1/第二直流母线L2的电压进行实时监测，并在判断第一直流母线L1的当前电压小于等于第二DC/DC变换器M2的输出电压，且第二DC/DC变换器M2的输出电流超过阈值时，或，第二直流母线L2的当前电压小于等于第一DC/DC变换器M1的输出电压，且第一DC/DC变换器M1的输出电流超过阈值时，控制母联开关K0闭合。

优选地，监控器U1在判断满足以上条件时，除了闭合母联开关K0外，还输出告警信息。

优选地，监控器U1在判断满足以上条件时，除了闭合母联开关K0外，还上传故障信息。

下面说明该实施例的直流操作电源系统的工作原理：

当直流操作电源系统正常运行时，开关K1、K2、K3、K4、K5、K6均为闭合状态，母联开关K0为断开状态。交流电网通过第一充电机Z1为第一直流母线L1提供电能，同时为第一蓄电池组B1补充电能；交流电网通过第二充电机Z2为第二直流母线L2提供电能，同时为第二蓄电池组B2补充电能。第一DC/DC变换器M1由第一直流母线L1提供电能，第二DC/DC变换器M2由第二直流母线L2提供电能。两个蓄电池组B1、B2，两段直流母线L1、L2通过母联开关K0互为备用，且监控器U1可根据预先制定的控制策略自动控制母联开关K0的闭合。监控器U1的控制策略为：检测到第一直流母线L1的当前电压小于等于第二DC-DC变换器M2的输出电压，且第二DC-DC变换器M2的输出电流超过阈值(阈值可通过监控器设定)，或者，第二直流母线L2的当前电压小于等于第一DC-DC变换器M1的输出电压，且第一DC-DC变换器M1的输出电流超过阈值(阈值可通过监控器设定)时，闭合母联开关K0。

两个蓄电池组B1、B2长期工作在浮充状态下，对应的直流母线的正常工作电压Uc。假设保证两段直流母线L1、L2上的系统设备正常工作要求的最低电压(即最低允许工作电压)为Ucmin。则两个DC/DC变换器M1、M2的输出电压Udcout需要满足如下条件：大于或等于两段直流母线L1、L2的最低允许工作电压Ucmin，小于两段直流母线L1、L2的正常工作电压Uc。所以，当交流电网及其中一个蓄电池组故障时，在母联开关K0未闭合的时段(电压、电流检测及判断时段)，由相应的DC/DC变换器为故障侧的直流母线供电。优选地，为了保证监控器U1判断动作的可靠性，两个DC/DC变换器M1、M2的输出电压Udcout应靠近Ucmin。

假设发生交流电网失电故障，且第一蓄电池组B1也存在故障不能保证为第一直流母线L1正常供电，第一直流母线L1的电压将会不断下降，当电压降低到小于等于第二DC/DC变换器M2的输出电压时，该第二DC/DC变换器M2将自动为第一直流母线L1供电，同时第二DC/DC变换器M2的输出电流将大幅增加，当超过阈值时，监控器U1将控制母联开关K0闭合，由第二蓄电池组B2同时为第一直流母线L1和第二直流母线L2供电，以确保第一直流母线L1供电的连续性。另外，监控器U1还会发出声光告警，并上传故障信息到远程监控器。

专业人员检测排除交流电网故障和第一蓄电池组B1故障之后，可由专业人员手动断开母联开关K0，或者由专业人员输入触发信号，以断开母联开关K0。

同理，当交流电网与第二蓄电池B2同时故障时，控制过程同上，不再累述。

从上述控制过程可见，监控器U1预先设置好控制策略，并设置好两个DC/DC变换器M1、M2的输出电压满足要求。监控器U1通过实时监测两段直流母线L1、L2的电压与两个DC/DC变换器M1、M2的输出电压及输出电流，能自动地判断是否需要闭合母联开关K0，以确保两段直流母线L1、L2供电的连续性。

图3是本发明直流操作电源系统实施例二的电路结构图，该实施例的直流操作电源系统相比图2所示的实施例，所不同的仅是：第一直流母线包括第一动力母线L12和第一控制母线L11，第二直流母线包括第二动力母线L22和第二控制母线L21。而且，第一充电机Z1和第一蓄电池组B1连接第一动力母线L12，第二充电机Z2和第二蓄电池组B2连接第二动力母线L22，而系统设备一般连接在两段控制母线L11、L21上。第一降压装置D1连接在第一动力母线L12和第一控制母线L11之间，第二降压装置D2连接在第二动力母线L22和第二控制母线L21之间。即，两个降压装置D1、D2的输入连接相应的动力母线，输出连接相应的控制母线，且其主要作用是将相应的动力母线的电压降低一定幅值之后形成控制母线的电压。

在该实施例中，蓄电池组B1、B2长期工作在浮充状态下，其对应的动力母线的电压即为蓄电池组浮充电压值Up，对应的控制母线的正常工作电压Uc，则Up-Uc即为降压装置的电压。另外，还需说明的是，当动力母线和控制母线的电压比较接近时，可以去掉降压装置，将动力母线和控制母线合并(动控合一)，称为直流母线，即图2所示的实施例。

优选地，第一降压装置D1和第二降压装置D2分别为硅链。

下面结合具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细说明：

在一个具体实施方式中，如图3所示，假设该直流操作电源系统为220V直流电源系统，两个蓄电池组B1、B2均为108节，则两个蓄电池组B1、B2的浮充电压值为108*2.23＝241V，两段控制母线L11、L21的电压允许范围在192.5V～242V之间，两个降压装置D1、D2为5V*7节，该实施例仅用两级降压，即，降10V电压，那么，两段控制母线L11、L21的正常工作电压为231V，最低允许工作电压为192.5V。根据监控器U1预先设置好的控制策略，两个DC/DC变换器M1、M2的输出电压应设置在192.5V～229V之间，假设输出电压设置为200V。

在系统正常运行时，开关K1、K2、K3、K4、K5、K6均为闭合状态，母联开关K0处于断开状态，交流电网通过第一充电机Z1为第一动力母线L12和第一控制母线L11提供电能并为第一蓄电池组B1补充电；交流电网通过第二充电机Z2为第二动力母线L22和第二控制母线L21提供电能并为第二蓄电池组B2补充电。两个蓄电池组B1、B2均工作在浮充状态，两组充电机Z1、Z2的输出电压均设置为241V，即两段动力母线L12、L22的正常工作电压均为241V，两段控制母线L11、L21的正常工作电压均为231V。两个DC/DC变换器M1、M2的输出电压均为200V。由于第一DC/DC变换器M1的输出电压(200V)小于第二控制母线L21的正常工作电压(231V)，第二DC/DC变换器M2的输出电压(200V)小于第一控制母线L11的正常工作电压(231V)，因此两个DC/DC变换器M1、M2均处于空载的备用状态。监控器U1实时监测两段动力母线L12、L22、两段控制母线L11、L21的电压值，且通过通讯实时监测两个DC/DC变换器M1、M2的输出电压值和输出电流值。

假设系统发生交流电网故障，且第一蓄电池组B1也存在故障，导致第一动力母线L12和第一控制母线L11的电压不断降低，当第一控制母线L11的电压降低到小于等于200V，且第二DC/DC变换器M2的输出电流大幅增加，直至超过阈值(阈值通过监控器U1预先设好)时，监控器U1将自动控制母联开关K0闭合，由第二蓄电池组B2同时为两段动力母线L12、L22及两段控制母线L11、L21提供电能，保证两段控制母线L11、L21上的系统设备能正常工作。同时监控器U1发出声光告警，并将故障信息上传至运程监控系统。

在专业人员检测排除交流电网故障和蓄电池组故障之后，由专业人员手动断开母联开关K0。

同样地，如果第一蓄电池组B1正常，第二蓄电池组B2与交流电网同时存在故障，控制过程同上，在此不做赘述。

在另一个具体实施方式中，如图2所示，假设该直流操作电源系统为220V直流系统，两个蓄电池组B1、B2均为104节，则蓄电池组B1、B2的浮充电压值为104*2.225＝231V，两段直流母线L1、L2的正常工作电压均为231V，最低工作电压为192.5V。两个DC/DC变换器M1、M2的输出电压均设置为200V。

假设系统发生交流电网故障，且第一蓄电池组B1也存在故障，导致第一直流母线L1的电压不断降低，当第一直流母线电压降低到小于等于第二DC/DC变换器M2的输出电压(200V)，且第二DC/DC变换器M2的输出电流急剧增加，直至超过阈值(阈值通过监控器U1预先设好)时，监控器U1将自动控制母联开关K0闭合，由第二蓄电池组B2同时为两段直流母线L1、L2提供电能，保证两段直流母线L1、L2上的系统设备能正常工作。同时，监控器U1发出声光告警，并将故障信息上传运程监控系统。专业人员检测排除交流电网故障和蓄电池组故障之后，由专业人员手动断开母联开关K0。

若第一蓄电池组B1正常，第二蓄电池组B2与交流电网同时故障，控制过程同上，在此不做赘述。

图4是本发明直流操作电源系统的控制方法实施例一的流程图，该实施例的控制方法包括：

S10.控制第一DC/DC变换器的输出电压大于或等于第一直流母线或第二直流母线的最低允许工作电压，且小于第一直流母线或第二直流母线的正常工作电压，其中，第一DC/DC变换器的输入端连接第一直流母线，其输出端连接第二直流母线；

S20.控制第二DC/DC变换器的输出电压大于或等于第一直流母线或第二直流母线的最低允许工作电压，且小于第一直流母线或第二直流母线的正常工作电压，其中，第二DC/DC变换器的输入端连接第二直流母线，其输出端连接第一直流母线。

本发明的直流操作电源系统的控制方法还进一步包括：

S30.分别对第一DC/DC变换器/第二DC/DC变换器的输出电压及输出电流、第一直流母线/第二直流母线的电压进行实时监测；

S40.在判断第一直流母线的当前电压小于等于第二DC/DC变换器的输出电压，且第二DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，或，第二直流母线的当前电压小于等于第一DC/DC变换器的输出电压，且第一DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，控制母联开关闭合，其中，母联开关设置在互为备用的第一直流母线和第二直流母线之间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种直流操作电源系统，包括：分别与第一直流母线连接的第一蓄电池组及第一充电机、分别与第二直流母线连接的第二蓄电池组及第二充电机，其特征在于，所述直流操作电源系统还包括：

第一DC/DC变换器，其输入端连接所述第一直流母线，其输出端连接所述第二直流母线；

第二DC/DC变换器，其输入端连接所述第二直流母线，其输出端连接所述第一直流母线；

监控器，用于分别控制所述第一DC/DC变换器和所述第二DC/DC变换器的输出电压大于或等于所述第一直流母线或所述第二直流母线的最低允许工作电压，且小于所述第一直流母线或所述第二直流母线的正常工作电压；还用于分别对第一DC/DC变换器/第二DC/DC变换器的输出电压及输出电流、所述第一直流母线/所述第二直流母线的电压进行实时监测，并在判断所述第一直流母线的当前电压小于等于所述第二DC/DC变换器的输出电压，且所述第二DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，或，所述第二直流母线的当前电压小于等于所述第一DC/DC变换器的输出电压，且所述第一DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，输出告警信息及上传故障信息。

2.根据权利要求1所述的直流操作电源系统，其特征在于，还包括：

设置在互为备用的第一直流母线和第二直流母线之间的母联开关，而且，

所述监控器，还用于在判断所述第一直流母线的当前电压小于等于所述第二DC/DC变换器的输出电压，且所述第二DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，或，所述第二直流母线的当前电压小于等于所述第一DC/DC变换器的输出电压，且所述第一DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，控制所述母联开关闭合。

3.根据权利要求2所述的直流操作电源系统，其特征在于，所述监控器分别与所述第一DC/DC变换器和所述第二DC/DC变换器通过RS485或CAN总线连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的直流操作电源系统，其特征在于，所述第一直流母线包括第一动力母线和第一控制母线，所述第一充电机和所述第一蓄电池组连接所述第一动力母线，所述第二直流母线包括第二动力母线和第二控制母线，所述第二充电机和所述第二蓄电池组连接所述第二动力母线；而且，所述直流操作电源系统还包括：

连接在所述第一动力母线和所述第一控制母线之间的第一降压装置；

连接在所述第二动力母线和所述第二控制母线之间的第二降压装置。

5.根据权利要求4所述的直流操作电源系统，其特征在于，所述第一降压装置和所述第二降压装置分别为硅链。

6.根据权利要求2所述的直流操作电源系统，其特征在于，所述母联开关在故障排除后断开。

7.一种直流操作电源系统的控制方法，其特征在于，包括：

控制第一DC/DC变换器的输出电压大于或等于第一直流母线或第二直流母线的最低允许工作电压，且小于第一直流母线或第二直流母线的正常工作电压，其中，第一DC/DC变换器的输入端连接第一直流母线，其输出端连接第二直流母线；

控制第二DC/DC变换器的输出电压大于或等于第一直流母线或第二直流母线的最低允许工作电压，且小于第一直流母线或第二直流母线的正常工作电压，其中，第二DC/DC变换器的输入端连接第二直流母线，其输出端连接第一直流母线；

分别对第一DC/DC变换器/第二DC/DC变换器的输出电压及输出电流、所述第一直流母线/所述第二直流母线的电压进行实时监测；

在判断所述第一直流母线的当前电压小于等于所述第二DC/DC变换器的输出电压，且所述第二DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，或，所述第二直流母线的当前电压小于等于所述第一DC/DC变换器的输出电压，且所述第一DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，输出告警信息或上传故障信息。

8.根据权利要求7所述的直流操作电源系统的控制方法，其特征在于，还包括：

在判断所述第一直流母线的当前电压小于等于所述第二DC/DC变换器的输出电压，且所述第二DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，或，所述第二直流母线的当前电压小于等于所述第一DC/DC变换器的输出电压，且所述第一DC/DC变换器的输出电流超过阈值时，控制母联开关闭合，其中，所述母联开关设置在互为备用的第一直流母线和第二直流母线之间。