CN107453466B - 一种直流电源系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种直流电源系统及其控制方法，该控制方法包括：S10.分别采集直流母线电压及前i个蓄电池串联后的电压，i＝N、N+1、…、N+M，其中，N+M个蓄电池串联，且第一个蓄电池的负极连接负直流母线，N、M分别为大于等于1的自然数；S20.根据所述直流母线电压及所述前i个蓄电池串联后的电压，控制M+1个串联控制电路的通断，其中，M+1个串联控制电路分别设置在第i个蓄电池的正极与正直流母线之间。实施本发明的技术方案，可确保直流母线上的系统设备正常运行，使直流母线抗冲击能力强，降低直流母线失电的概率，有效地提高了直流电源系统的可靠性。

Description

一种直流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，尤其涉及一种直流电源系统及其控制方法。

背景技术

电力系统中直流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，由交流电网电压通过直流转换模块之后为直流母线提供电能；当交流电网发生掉电故障时，由蓄电池通过直流转换模块之后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。假设发生冲击性负荷，由于直流转换模块的带负荷能力有限，直流母线就会短时失电或者直流母线电压短时跌落过低，因此导致系统设备停止工作，从而影响电力系统的正常运行。直流母线失电的危害严重，而且范围大，是直流电源系统最为严重的事故之一，直流母线是否能有效避免失电是衡量直流电源系统是否可靠的重要指标。

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不能有效避免直流母线失电的缺陷，提供一种稳定可靠的直流电源系统及其控制方法，提高了直流电源系统的耐冲击性负荷的能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种直流电源系统的控制方法，包括：

S10.分别采集直流母线电压及前i个蓄电池串联后的电压，i＝N、N+1、…、N+M，其中，N+M个蓄电池串联，且第一个蓄电池的负极连接负直流母线，N、M分别为大于等于1的自然数；

S20.根据所述直流母线电压及所述前i个蓄电池串联后的电压，控制M+1个串联控制电路的通断，其中，M+1个串联控制电路分别设置在第i个蓄电池的正极与正直流母线之间。

优选地，所述步骤S20包括：

S21.依次判断前i个蓄电池串联后的电压是否在直流母线允许的最低工作电压与正常工作电压之间；

S22.判断满足条件的电压的数量是否大于1，若否，则执行步骤S23；若是，则执行步骤S24；

S23.获取满足条件的电压所对应的蓄电池的串联数量p，并将连接在第p个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通；

S24.获取满足条件的电压中最大的电压所对应的蓄电池的串联数量q，并将连接在第q个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通。

本发明还构造一种直流电源系统，包括：

N+M个串联的蓄电池，且第一个蓄电池的负极连接负直流母线；

与N+M个蓄电池一一对应的直流转换模块，用于在电网电压正常时，将电网电压转换成第一直流电压并为直流母线提供电能，及将电网电压转换成第二直流电压并为相应的蓄电池充电；在电网电压异常时，将相应蓄电池的电压转换成第一直流电压并为直流母线提供电能；

M+1个串联控制电路，分别设置在第i个蓄电池的正极与正直流母线之间，i＝N、N+1、…、N+M；

监控器，用于分别采集直流母线电压及前i个蓄电池串联后的电压，并根据所述直流母线电压及所述前i个蓄电池串联后的电压，控制M+1个串联控制电路的通断。

优选地，所述串联控制电路包括开关及二极管，其中，所述二极管的阳极连接相应蓄电池的正极，所述二极管的阴极连接所述开关的第一端，所述开关的第二端连接所述正直流母线，所述开关的控制端连接所述监控器。

优选地，所述开关为直流接触器。

优选地，所述监控器，用于依次判断前i个蓄电池串联后的电压是否在直流母线允许的最低工作电压与正常工作电压之间，并判断满足条件的电压的数量是否大于1，若否，则获取满足条件的电压所对应的蓄电池的串联数量p，并将连接在第p个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通；若是，则获取满足条件的电压中最大的电压所对应的蓄电池的串联数量q，并将连接在第q个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通。

优选地，所述直流转换模块包括：

与交流电网相连的交流端口；

与直流母线相连的第一直流端口；

与相应蓄电池通过插拔接口相连的第二直流端口。

优选地，所述第二直流端口包括：负极端子、第一正极端子和第二正极端子，所述第一正极端子和所述第二正极端子短接，而且，所述负极端子与所述蓄电池的负极相连，所述第一正极端子与所述蓄电池的正极相连，所述第二正极端子与下一蓄电池的负极相连。

优选地，还包括：

X个蓄电池；

与所述X个蓄电池一一对应的直流转换模块。

实施本发明的技术方案，监控器中预先设置有控制策略，且可根据所检测的直流母线电压及串联蓄电池组的端电压，自动调整串联蓄电池组的个数。当直流母线上出现短时冲击性负荷时，由串联蓄电池组为冲击性负荷供电，而由于蓄电池的瞬间放电能力很强，对于短时冲击性负荷，蓄电池组串联后的端电压下降有限，所以可确保直流母线上的系统设备正常运行，使直流母线抗冲击能力强，降低直流母线失电的概率，有效地提高了直流电源系统的可靠性。

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是本发明直流电源系统实施例一的逻辑结构图；

图2是本发明直流电源系统的控制方法实施例一的流程图；

图3是图2中步骤S20实施例一的流程图。

具体实施方式

图1是本发明直流电源系统实施例一的逻辑结构图，该实施例的直流电源系统包括有：N+M+X个蓄电池、N+M+X个直流转换模块、M+1个串联控制电路和监控器U，而且，N+M+X个直流转换模块与N+M+X个蓄电池一一对应，M+1个串联控制电路分别与第N个、第N+1个、…、第N+M个蓄电池一一对应。

在该实施例中，M取2，N+2个蓄电池B1、B2、…BN、BN+1、BN+2依次串联，且第一个蓄电池的负极连接负直流母线。而且，共设置3(M+1)个串联控制电路，第一个串联控制电路设置在第N个蓄电池的正极与正直流母线之间，第二个串联控制电路设置在第N+1个蓄电池的正极与正直流母线之间，第三个串联控制电路设置在第N+2个蓄电池的正极与正直流母线之间。具体地，每个串联控制电路均包括一个开关和一个二极管，而且，相应二极管的阳极连接相应蓄电池的正极，相应二极管的阴极连接相应开关的第一端，相应开关的第二端连接正直流母线，相应开关的控制端连接监控器U的一个输出端，其中，二极管的作用是防止直流母线电压倒灌至串联蓄电池组。在该实施例中，第一个串联控制电路由开关K1和二极管D1组成，第二个串联控制电路由开关K2和二极管D2组成，第三个串联控制电路由开关K3和二极管D3组成。另外，优选地，开关K1、K2、K3可选择直流接触器。

在该实施例中，N+2个直流转换模块Z1、Z2、…ZN、ZN+1、ZN+2与蓄电池B1、B2、…BN、BN+1、BN+2一一对应，且每个直流转换模块均用于在电网电压正常时，将电网电压转换成第一直流电压并为直流母线提供电能，及将电网电压转换成第二直流电压并为相应的蓄电池充电，还用于在电网电压异常时，将相应蓄电池的电压转换成第一直流电压并为直流母线提供电能。具体地，直流转换模块包括三组端口：交流端口、第一直流端口和第二直流端口，而且，三组端口电气上相互隔离，为蓄电池串联创造了条件。其中，交流端口与交流电网相连，第一直流端口与直流母线相连，第二直流端口与相应蓄电池通过插拔接口相连。第二直流端口进一步包括三个端子：一个负极端子及两个相短接的正极端子，其中，负极端子通过保险管与相应蓄电池的负极相连，第一正极端子与相应蓄电池的正极相连，第二正极端子与下一蓄电池的负极相连。当直流转换模块插入相应蓄电池端口插座后，使相邻蓄电池构成串联连接。

在该实施例中，直流母线的电压、前N个蓄电池串联后的电压U1、前N+1个蓄电池串联后的电压U2及前N+2个蓄电池串联后的电压U3经过采集单元(图中未画出来)之后送入监控器U，以使监控器U能采集直流母线电压及电压U1、U2、U3。监控器U在分别采集直流母线电压及电压U1、U2、U3后，控制3个串联控制电路的通断。具体地，监控器U用于依次判断电压U1、U2、U3是否在直流母线允许的最低工作电压与正常工作电压之间，并判断满足条件的电压的数量是否大于1，若否，则获取满足条件的电压所对应的蓄电池的串联数量p，并将连接在第p个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通；若是，则获取满足条件的电压中最大的电压所对应的蓄电池的串联数量q，并将连接在第q个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通。

下面说明该直流电源系统的工作原理：单节蓄电池的端电压随着存储电量的不同在一定范围内变化，另外，M在取2时，对应设置三路串联控制电路，分别对应第N个蓄电池、第N+1个蓄电池和第N+2个蓄电池。一般情况，当串联蓄电池组处于均衡充电时，各单节蓄电池的端电压较高，需要闭合开关K1；当串联蓄电池组处于浮充电时，单节蓄电池的端电压会有所降低，需要闭合开关K2；当串联蓄电池组放电到接近放电终止电压时，需要闭合开关K3。在交流电网电压正常时，交流电网电压通过N+M+X个直流转换模块的第一直流端口为直流母线提供电能，同时交流电网电压通过直流转换模块的第二直流端口为单节蓄电池充电。在交流电网故障时，各个单节蓄电池通过与之相连的直流转换模块为直流母线提供稳定的直流电压。在任何运行条件下，开关K1、K2、K3均只有一个处于闭合状态，当直流母线上出现短时冲击性负荷超过直流转换模块的第一直流端口的带载能力时，直流母线的电压将会下降。当直流母线的电压低于串联蓄电池组的端电压时(U1或U2或U3)，串联蓄电池组将为直流母线提供电能，而且，由于蓄电池的瞬间放电能力很强，因此对于短时冲击性负荷，串联蓄电池组的端电压下降有限，从而保证直流母线在允许的电压范围内，确保直流母线上系统设备的正常运行。

下面以一个具体的例子来说明该直流电源系统的工作原理：

假设单节蓄电池电压为12V，根据蓄电池运行状态的不同，单节蓄电池的电压将在10.8V～14.1V范围内变化。直流转换模块的交流端口输入单相交流220V的电网电压，直流母线的正常工作电压为220V×1.05＝231V，直流母线允许最低工作电压为220V×0.875＝193V。直流转换模块的第二直流端口(电池端口)的输出电压范围设置为10.8～14.1V连续可调，直流转换模块的第一直流端口的输出电压为231V。

监控器U根据控制策略自动控制开关K1、K2、K3的状态，控制策略遵循的原则为：闭合的开关对应的串联蓄电池组端电压必须低于直流母线的正常工作电压231V，必须高于直流母线允许的最低工作电压193V，且满足要求的串联蓄电池组端电压越高越好。

根据以上描述，图1中N取16比较合适，且M取2，设置三路串联控制电路，且第一个串联控制电路由二极管D1和开关K1组成，且设置在第16个蓄电池的正极与正直流母线之间，第二个串联控制电路由二极管D2和开关K2组成，且设置在第17个蓄电池的正极与正直流母线之间，第三个串联控制电路由二极管D3和开关K3之间，且设置在第18个蓄电池的正极与正直流母线之间。

当蓄电池处于均衡充电时，假设单节蓄电池的电压为14.1V，则前16节蓄电池串联后的电压(第16节蓄电池的正极与第1节蓄电池的负极之间的电压)U1为14.1V*16＝225.6V，前17节蓄电池串联后的电压(第17节蓄电池的正极与第一节蓄电池的负极之间的电压)U2为14.1V*17＝239.7V，前18节蓄电池串联后的电压(第18节蓄电池的正极与第一节蓄电池的负极之间的电压)U3为14.1V*18＝253.8V，只有电压U1满足策略要求，监控器U控制开关K1闭合。

当蓄电池处于浮充电时，假设单节蓄电池电压为13.5V，则前16节蓄电池串联后的电压U1为13.5V*16＝216V，前17节蓄电池串联后的电压U2为13.5V*17＝229.5V，前18节蓄电池串联后的电压U3为13.5V*18＝243V，其中电压U1、U2均满足要求，但U2>U1，监控器U将控制开关K2闭合。

当串联蓄电池组放电到终止电压附近时，假设端电压为10.8V，则前16节蓄电池串联后的电压U1为10.8V*16＝172.8V，前17节蓄电池串联后的电压U2为10.8V*17＝183.6V，前18节蓄电池串联后的电压U3为10.8V*18＝194.4V，只有U3满足策略要求，监控器U将控制开关K3闭合。

系统正常运行时，交流电网通过直流转换模块的第一直流端口为直流母线提供稳定的直流电压，直流转换模块的第一直流端口的输出电压为231V。同时交流电网通过直流转换模块的第二直流端口为相应的单节蓄电池充电，单节蓄电池长期工作在浮充状态下，即端电压为13.5V。根据上述分析可知，此时监控器U将自动闭合开关K2，即单节蓄电池1～17号组成的串联蓄电池组将通过二极管D2、开关K2与直流母线连接，前17节蓄电池串联后的电压U2为229.5V。假设直流母线上出现短时冲击性负荷，导致直流转换模块的直流端口输出电压低于229.5V时，二极管D2导通，由于蓄电池的瞬间放电能力很强，因此对于短时冲击性负荷，前17节蓄电池组串联后的端电压下降有限，不会低于直流母线允许的最低工作电压193V，从而保证直流母线上系统设备的正常运行。

另外，前18个蓄电池相串联，且每个蓄电池均通过插拔接口连接一直流转换模块。所以，当系统需要检修时，任意拔掉一台直流转换模块，串联蓄电池组回路即断开，这样可保证系统检修的安全性。

图2是本发明直流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.分别采集直流母线电压及前i个蓄电池串联后的电压，i＝N、N+1、…、N+M，其中，N+M个蓄电池串联，且第一个蓄电池的负极连接负直流母线，N、M分别为大于等于1的自然数；

S20.根据所述直流母线电压及所述前i个蓄电池串联后的电压，控制M+1个串联控制电路的通断，其中，M+1个串联控制电路分别设置在第i个蓄电池的正极与正直流母线之间。

在一个优选实施例中，如图3所示，步骤S20包括：

S21.依次判断前i个蓄电池串联后的电压是否在直流母线允许的最低工作电压与正常工作电压之间；

S22.判断满足条件的电压的数量是否大于1，若否，则执行步骤S23；若是，则执行步骤S24；

S23.获取满足条件的电压所对应的蓄电池的串联数量p，并将连接在第p个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通；

S24.获取满足条件的电压中最大的电压所对应的蓄电池的串联数量q，并将连接在第q个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通。。

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 (7)

1.一种直流电源系统的控制方法，其特征在于，包括：

S10.分别采集直流母线电压及前i个蓄电池串联后的电压，i＝N、N+1、…、N+M，其中，N+M个蓄电池串联，且第一个蓄电池的负极连接负直流母线，N、M分别为大于等于1的自然数；

S20.根据所述直流母线电压及所述前i个蓄电池串联后的电压，控制M+1个串联控制电路的通断，其中，M+1个串联控制电路分别设置在第i个蓄电池的正极与正直流母线之间；

所述步骤S20包括：

S21.依次判断前i个蓄电池串联后的电压是否在直流母线允许的最低工作电压与正常工作电压之间；

S22.判断满足条件的电压的数量是否大于1，若否，则执行步骤S23；若是，则执行步骤S24；

S23.获取满足条件的电压所对应的蓄电池的串联数量p，并将连接在第p个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通；

S24.获取满足条件的电压中最大的电压所对应的蓄电池的串联数量q，并将连接在第q个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通。

2.一种直流电源系统，其特征在于，包括：

N+M个串联的蓄电池，且第一个蓄电池的负极连接负直流母线，N、M分别为大于等于1的自然数；

与N+M个蓄电池一一对应的直流转换模块，用于在电网电压正常时，将电网电压转换成第一直流电压并为直流母线提供电能，及将电网电压转换成第二直流电压并为相应的蓄电池充电；在电网电压异常时，将相应蓄电池的电压转换成第一直流电压并为直流母线提供电能；

M+1个串联控制电路，分别设置在第i个蓄电池的正极与正直流母线之间，i＝N、N+1、…、N+M；

监控器，用于分别采集直流母线电压及前i个蓄电池串联后的电压，并依次判断前i个蓄电池串联后的电压是否在直流母线允许的最低工作电压与正常工作电压之间，并判断满足条件的电压的数量是否大于1，若否，则获取满足条件的电压所对应的蓄电池的串联数量p，并将连接在第p个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通；若是，则获取满足条件的电压中最大的电压所对应的蓄电池的串联数量q，并将连接在第q个蓄电池的正极与正直流母线之间的串联控制电路开通。

3.根据权利要求2所述的直流电源系统，其特征在于，所述串联控制电路包括开关及二极管，其中，所述二极管的阳极连接相应蓄电池的正极，所述二极管的阴极连接所述开关的第一端，所述开关的第二端连接所述正直流母线，所述开关的控制端连接所述监控器。

4.根据权利要求3所述的直流电源系统，其特征在于，所述开关为直流接触器。

5.根据权利要求2所述的直流电源系统，其特征在于，所述直流转换模块包括：

与交流电网相连的交流端口；

与直流母线相连的第一直流端口；

与相应蓄电池通过插拔接口相连的第二直流端口。

6.根据权利要求5所述的直流电源系统，其特征在于，所述第二直流端口包括：负极端子、第一正极端子和第二正极端子，所述第一正极端子和所述第二正极端子短接，而且，所述负极端子与所述蓄电池的负极相连，所述第一正极端子与所述蓄电池的正极相连，所述第二正极端子与下一蓄电池的负极相连。

7.根据权利要求2所述的直流电源系统，其特征在于，还包括：

X个蓄电池；

与所述X个蓄电池一一对应的直流转换模块。

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