CN108347170A - 一种直流电源调压装置、系统及方法 - Google Patents

一种直流电源调压装置、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种直流电源调压装置、系统及方法，直流电源调压装置包括逆变器、变压器、整流单元、储能单元、选择开关单元、端部抽头单元和自动调压控制电路；逆变器连接在直流电源的母线正负极之间用于提供变压器初级能量，变压器具有多个次级线圈，经过多个整流元件为多个储能元件充电，多个储能元件串联且每个储能元件各自引出一个端部抽头，每个端部抽头上设置有一个选择开关；自动调压控制电路根据预设调压范围从多个端部抽头中选择一目标端部抽头，控制相应的选择开关闭合，实现目标端部抽头与控制母线正极连接并输出相应电压。本发明提供的直流电源调压装置结构简单，能够实现稳压调节以及大范围的升降压，可方便的替代其他调压装置。

Description

一种直流电源调压装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种直流电源调压装置、系统及方法。
背景技术
变电站直流系统的可靠性高低对发电厂和变电站的安全运行至关重要，是电力系统安全、可靠运行的重要保障。直流系统独立于交流动力电源之外，当交流电源处于事故状态时仍可以保证一定时间的供电，即不受电网运行方式变化影响，发电厂和变电站中控制信号、继电保护、自动装置、断路器跳合闸操作回路所需直流电源均由直流系统提供。
电力系统所需的直流电源一般都是由直流蓄电池系统提供的，蓄电池充放电过程中电压变化范围较大，而其母线的输出一般包括合闸母线和控制母线两部分。合闸母线的电压即为充电装置输出的电压值，其作用是为电磁操作机构提供操作电源，其工作时间短，负荷冲击大，但对电压范围要求较宽。控制母线的电压要求比合闸母线的电压高，因为其特点是连续用电，用电量相对较小，但对电压稳定性要求较高，所以用来为继电保护装置、自动装置、事故照明等负荷提供电压。而充电装置在满足给蓄电池正常充电的情况下，其输出电压要高于控制母线电压，要满足控制母线能正常工作，必须把合闸母线电压降至一定范围。
现有调压方式主要有：1、端电池调压；2、硅二极管链式调压器；3、高频斩波；4、逆变整流。以上调压装置1、2简单可靠，可以手动操作或加装自动控制系统，但电压线性度差；3、4方式在一定范围内线性调节，精度高，但采用大功率全控器件，故障率高。2、3方式多数只能降压调节，交流电源停电后输出电压下降明显；1方式的端电池需要定期均衡充放电，比较麻烦。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种直流电源调压装置、系统及方法，本发明提供的直流电源调压装置结构简单，能够实现稳压调节以及大范围的升降压。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种直流电源调压装置，包括：
逆变器、变压器、整流单元、储能单元、选择开关单元、端部抽头单元和自动调压控制电路；所述整流单元包括多个整流元件，所述储能单元包括多个储能元件，所述选择开关单元包括多个选择开关，所述端部抽头单元包括多个端部抽头；
其中，所述逆变器连接在直流电源的母线正负极之间，用于提供变压器初级能量，所述变压器具有多个次级线圈，经过多个整流元件为多个储能元件充电，多个储能元件串联且每个储能元件各自引出一个端部抽头，每个端部抽头上设置有一个选择开关；
所述自动调压控制电路用于根据预设调压范围从多个端部抽头中选择一个目标端部抽头，控制相应的选择开关闭合，实现目标端部抽头与控制母线正极连接，并输出相应电压。
进一步地，所述整流单元的工作模式为半波整流模式或全波整流模式。
进一步地，所述储能元件为超级电容器或锂电池。
第二方面，本发明还提供了一种直流电源系统，包括：交流电源、整流器AC/DC、合闸母线、控制母线以及如上面所述的直流电源调压装置；
其中，所述整流器AC/DC的一端与所述交流电源连接，另一端与所述合闸母线连接；
其中，所述直流电源调压装置的一端与所述合闸母线连接，另一端与所述控制母线连接。
第三方面，本发明还提供了一种基于上面所述的直流电源调压装置的直流电源调压方法，包括：
S1、输入直流电源调压装置的直流信号经逆变器后为变压器提供初级能量，变压器的多个次级线圈，经过多个整流元件为多个储能元件充电；
S2、自动调压控制电路根据预设调压范围从多个端部抽头中选择一个目标端部抽头，控制相应的选择开关闭合，实现目标端部抽头与控制母线正极连接，并输出相应电压。
进一步地，所述S1具体包括：
输入直流电源调压装置的直流信号经逆变器后为变压器提供初级能量，变压器的多个次级线圈，经过多个整流元件整流后对多个储能元件充电，同时对充电电压进行统一控制；其中，通过调整变压器变比改变多个储能元件充电电压，以使直流电源调压装置满足不同预设调压精度的需求。
进一步地，所述S2具体包括：
自动调压控制电路对控制母线电压进行电压检测，当检测到控制母线电压低于预设电压范围的下限值时，根据检测值与下限值的差值，确定需要连接端部抽头Sk-m，实现升压调节；当检测到控制母线电压高于预设电压范围的上限值时，根据检测值与上限值的差值，确定需要连接端部抽头Sk+m，实现降压调节，其中在对控制母线电压进行电压检测之前，控制母线连接端部抽头Sk。
由上述技术方案可知，本发明提供的直流电源调压装置，可以把相对电压不稳定的直流电源转化输出为一定稳压要求的直流电源。本发明实施例利用多个串联储能元件分别充放电，通过控制系统选择不同的储能元件端点输出，从而实现非线性调压。
本发明提供的直流电源调压装置，能够实现控制母线电压升降压调节，由于串联储能元件充电后极性固定，且存在一个平衡节点，当选择开关与平衡节点两侧储能元件的端部抽头连接时，通过对接入储能元件极性与不稳定电源正极间极性判断，实现不稳定电源升降压调节。本发明提供的直流电源调压装置的优点在于能够实现大范围升降压，采用电容器储能元件时可以根据调压精度选择设置充电电压，结构简单，能够方便的替代其他调压装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。
图1是本发明一实施例提供的直流电源调压装置采用半波整流的结构示意图；
图2是直流电源调压装置采用全波整流的结构示意图；
图3是本发明另一实施例提供的直流电源系统的结构示意图；
图4是本发明另一实施例提供的直流电源调压方法的流程图；
上面各图中，1表示交流电源信号；2表示整流器AC/DC；3表示合闸母线；4表示直流电源调压装置；5表示控制母线；101表示逆变器；102表示变压器；103表示整流单元；104表示储能单元；105表示选择开关单元；106表示自动调压控制电路；107表示端部抽头单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种直流电源调压装置，可以把相对电压不稳定的直流电源转化输出为一定要求稳压的直流电源，同时可实现大范围升降压调节，此外，还可以根据调压精度设置储能元件充电电压，结构简单，能够方便的替代其他调压装置。可以理解的是，下述实施例中的“相连”或“连接”等词语，包括直接相连和间接相连两种情况。
本发明一实施例提供了一种直流电源调压装置，参见图1，包括：逆变器101、变压器102、整流单元103、储能单元104、选择开关单元105、端部抽头单元107和自动调压控制电路106；所述整流单元103包括多个整流元件，所述储能单元104包括多个储能元件，所述选择开关单元105包括多个选择开关，所述端部抽头单元107包括多个端部抽头；
其中，所述逆变器101连接在直流电源的母线正负极之间，用于提供变压器102初级能量，所述变压器102具有多个次级线圈，经过多个整流元件为多个储能元件充电，多个储能元件串联且每个储能元件各自引出一个端部抽头，每个端部抽头上设置有一个选择开关；
所述自动调压控制电路106用于根据预设调压范围从多个端部抽头中选择一个目标端部抽头，控制相应的选择开关闭合，实现目标端部抽头与控制母线正极连接，并输出相应电压。
可见，本发明实施例中实现了统一控制储能元件的充电电压，可以避免过充或欠充。在具体实施时，要求储能元件单体电压低，因此可以采用超级电容器、锂电池等维护量小的储能元件，以保证调压精度。
可以理解的是，所述整流单元的工作模式为半波整流模式或全波整流模式。
其中，图1为直流电源调压装置采用半波整流的结构示意图，图2为直流电源调压装置采用全波整流的结构示意图，其组成部分与工作原理同采用半波整流的调压装置。
本发明实施例提供的直流电源调压装置，可以把相对电压不稳定的直流电源转化输出为一定要求稳压的直流电源。本发明实施例利用多个串联储能元件分别充放电，通过控制系统选择不同的储能元件端点输出，从而实现非线性调压。
本发明实施例提供的直流电源调压装置，能够实现控制母线电压升降压调节，由于串联储能元件充电后极性固定，且存在一个平衡节点，当选择开关与平衡节点两侧储能元件的端部抽头连接时，通过对接入储能元件极性与不稳定电源正极间极性判断，实现不稳定电源升降压调节。本发明实施例提供的直流电源调压装置的优点在于能够实现大范围升降压，采用电容器储能元件时可以根据调压精度选择设置充电电压，结构简单，能够方便的替代其他调压装置。
本发明另一实施例提供了一种直流电源系统，参见图3，该系统包括：交流电源、整流器AC/DC、合闸母线、控制母线以及如上面实施例所述的直流电源调压装置；
其中，所述整流器AC/DC的一端与所述交流电源连接，另一端与所述合闸母线连接；
其中，所述直流电源调压装置的一端与所述合闸母线连接，另一端与所述控制母线连接。
如图3所示，整流器AC/DC2的输入接点接收外部交流电源信号1，将交流电源信号转换为直流信号，其输出接点接入合闸母线3，该调压装置4设置在合闸母线3和控制母线5之间。
例如，变电站的直流电源系统的蓄电池组长时间处于浮充电的备用状态，此时合闸母线为充电装置输出电压，根据电力工程直流电源系统设计技术规程，充电装置浮充电时，直流输出电压调节范围95％Un-115％Un。根据电力工程设计手册，直流电源系统所控制的母线电压波动范围是85％Un-110％Un。因此合闸母线电压范围85％Un-110％Un。控制母线对电压稳定性要求较高，要求控制母线电压-1％Un-1％Un。根据母线电压范围可确定储能单元104中储能元件的个数。
本实施例所述的直流电源系统中的直流电源调压装置的工作原理和有益效果和上述实施例所述的直流电源调压装置类似，此处不再赘述。
本发明另一实施例提供了一种基于上述实施例所述的直流电源调压装置的直流电源调压方法，参见图4，该方法包括如下步骤：
步骤100：输入直流电源调压装置的直流信号经逆变器后为变压器提供初级能量，变压器的多个次级线圈，经过多个整流元件为多个储能元件充电。
步骤200：自动调压控制电路根据预设调压范围从多个端部抽头中选择一个目标端部抽头，控制相应的选择开关闭合，实现目标端部抽头与控制母线正极连接，并输出相应电压。
在一种可选实施方式中，上述步骤100具体包括：
输入直流电源调压装置的直流信号经逆变器后为变压器提供初级能量，变压器的多个次级线圈，经过多个整流元件整流后对多个储能元件充电，同时对充电电压进行统一控制；其中，通过调整变压器变比改变多个储能元件充电电压，以使直流电源调压装置满足不同预设调压精度的需求。
在一种可选实施方式中，上述步骤200具体包括：
自动调压控制电路对控制母线电压进行电压检测，当检测到控制母线电压低于预设电压范围的下限值时，根据检测值与下限值的差值，确定需要连接端部抽头Sk-m，实现升压调节；当检测到控制母线电压高于预设电压范围的上限值时，根据检测值与上限值的差值，确定需要连接端部抽头Sk+m，实现降压调节，其中在对控制母线电压进行电压检测之前，控制母线连接端部抽头Sk。
例如，自动调压控制电路106对母线电压进行检测，检测到控制母线电压满足预设的电压范围，选择开关与端部抽头Sk连接，此时无储能元件串联入回路，控制母线直接与合闸母线相连。当采集到的控制母线电压低于预设电压范围的下限值时，根据两者差值，确定选择开关需要连接端部抽头Sk-m，此时断开与端部抽头Sk的连接，系统串联接入相应个数极性与母线电压一致的储能元件，实现升压调节。当采集到的控制母线电压高于预设电压范围的上限值时，根据两者差值，选择开关确定需要连接的端部抽头Sk+m，并断开与端部抽头Sk-m的连接，系统串联接入相应个数极性与母线电压相反的储能元件，实现降压调节。从而确保控制母线电压在规定范围之内，实现了将相对电压不稳定的直流电源转化输出为一定要求稳压的直流电源。
本实施例所述的直流电源调压方法的工作原理和有益效果和上述实施例所述的直流电源调压装置类似，此处不再赘述。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种直流电源调压装置，其特征在于，包括：
逆变器、变压器、整流单元、储能单元、选择开关单元、端部抽头单元和自动调压控制电路；所述整流单元包括多个整流元件，所述储能单元包括多个储能元件，所述选择开关单元包括多个选择开关，所述端部抽头单元包括多个端部抽头；
其中，所述逆变器连接在直流电源的母线正负极之间，用于提供变压器初级能量，所述变压器具有多个次级线圈，经过多个整流元件为多个储能元件充电，多个储能元件串联且每个储能元件各自引出一个端部抽头，每个端部抽头上设置有一个选择开关；
所述自动调压控制电路用于根据预设调压范围从多个端部抽头中选择一个目标端部抽头，控制相应的选择开关闭合，实现目标端部抽头与控制母线正极连接，并输出相应电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述整流单元的工作模式为半波整流模式或全波整流模式。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能元件为超级电容器或锂电池。
4.一种直流电源系统，其特征在于，包括：交流电源、整流器AC/DC、合闸母线、控制母线以及如权利要求1～3任一项所述的直流电源调压装置；其中，所述整流器AC/DC的一端与所述交流电源连接，另一端与所述合闸母线连接；
其中，所述直流电源调压装置的一端与所述合闸母线连接，另一端与所述控制母线连接。
5.一种基于权利要求1～3任一项所述的直流电源调压装置的直流电源调压方法，其特征在于，包括：
S1、输入直流电源调压装置的直流信号经逆变器后为变压器提供初级能量，变压器的多个次级线圈，经过多个整流元件为多个储能元件充电；
S2、自动调压控制电路根据预设调压范围从多个端部抽头中选择一个目标端部抽头，控制相应的选择开关闭合，实现目标端部抽头与控制母线正极连接，并输出相应电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S1具体包括：
输入直流电源调压装置的直流信号经逆变器后为变压器提供初级能量，变压器的多个次级线圈，经过多个整流元件整流后对多个储能元件充电，同时对充电电压进行统一控制；其中，通过调整变压器变比改变多个储能元件充电电压，以使直流电源调压装置满足不同预设调压精度的需求。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述S2具体包括：
自动调压控制电路对控制母线电压进行电压检测，当检测到控制母线电压低于预设电压范围的下限值时，根据检测值与下限值的差值，确定需要连接端部抽头Sk-m，实现升压调节；当检测到控制母线电压高于预设电压范围的上限值时，根据检测值与上限值的差值，确定需要连接端部抽头Sk+m，实现降压调节，其中在对控制母线电压进行电压检测之前，控制母线连接端部抽头Sk。
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