CN108539840B - 一种分布式直流电池供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式直流电池供电系统，该系统由多个直流电池供电系统组成，编号记为1,2,......,n，其中，n为所述直流供电系统的总数，所述多个直流供电系统共同连接在一条供电母线上，每个所述直流供电系统包括电池阵列，每个直流供电系统的所述电池阵列有相应的电池容量，所述电池阵列的电池容量与输出电流通过自动负载均衡控制方法实现自动平衡，从而每个所述直流供电系统达到放电的自动均衡。本发明利用电池容量参数作为自动调节系统等效电阻的方式，实现了自适应的放电电流调节，以及直流电池供电系统的自主调节，保证每个在线直流电池供电系统同时完成放电，而无需统一的监测和控制以及联网。
Description
技术领域
本发明涉及一种供电系统，具体涉及一种分布式直流供电系统。
背景技术
分布式直流供电系统作为一种数据机房供电方式，应用愈发广泛。其主要特点是电池供电装置分布式部署在直流母线上，可以根据负载大小和后备需求随意增减；单个模块负载能力较低，总线的负载能力是单个模块负载能力之和；作为分布式直流电源供电装置的一个重要需求就是负载均衡：即根据汇流母线的负载大小实现每个模块的均衡放电，这样在维持总线的整体负载能力不变的情况下保证供电时效，避免“木桶效应”，即由于个别直流电池供电系统提前放电结束，导致总线负载能力下降，造成在有电能储备的情况下无法提供后备电力。
当前负载均衡的主要方式包括：
1、无稳压放电环节的电池模块，通常利用电池本身的电压与容量的对应关系实现自适应平衡：此种方式的优点是：结构简单、成本低；缺点：要求接入母线直流电池供电系统特性一致性高，不利于即插即用和后期维护；无稳压环节造成母线电压变化区间过大，不适用较高要求的数据机房；
2、利用监测装置实现负载实时监测并对全部直流电池供电系统统一输出控制：此种方式的优点是：技术成熟，实现简单；缺点：需要统一的监测和控制，结构较为复杂，包括监控装置和通讯系统等，故障点多，一旦监控装置或通讯系统出现故障，则无法实现均衡功能。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种分布式直流供电系统，该系统解决了需要统一的监测和控制，结构复杂，放电电流调节被动的问题。
技术方案：本发明所述的分布式直流供电系统，该系统由多个直流电池供电系统组成，编号记为1,2,......,n，其中，n为所述直流供电系统的总数，所述多个直流供电系统共同连接在一条供电母线上，每个所述直流供电系统包括电池阵列，每个直流供电系统的所述电池阵列有相应的电池容量，表示为σ[1],σ[2],......,σ[n]，所述电池阵列的电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]与输出电流通过自动负载均衡控制方法实现自动平衡，从而每个所述直流供电系统达到放电的自动均衡；
所述自动负载均衡控制方法，具体步骤包括：
(1)表示出每个直流供电系统的所述电池阵列的电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]和所述电池阵列的实时等效内阻；
(2)根据所述电池阵列的实时等效内阻、直流供电系统的空载输出电压以及所述母线电压表示直流供电系统的实时放电电流；
(3)通过每个直流供电系统的实时放电电流和电压之间的关系，得到每个直流供电系统实时放电电流与每个所述直流供电系统的电池阵列的电池容量之间的关系式；
(4)所述电池阵列的基础内阻R0和所述关系式中的调节系数K选择一定的值，可实现每个直流供电系统同时完成放电。
优选的，步骤(1)中，所述电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]分别表示为：
其中，σ0为电池阵列的标称容量，σ[0]为电池阵列的初始容量，I[1],I[2],......,I[n] 为每个直流供电系统的实时放电电流；
所述每个直流供电系统的电池阵列的实时等效内阻表示为：
R1[1]＝R0+(1-σ[1])*K
R1[2]＝R0+(1-σ[2])*K
R1[n]＝R0+(1-σ[n])*K
其中，R0为电池阵列的基础内阻，K为调节系数，其范围为[0.01,0.1]。
优选的，步骤(2)中，所述直流供电系统的实时放电电流表示为：
I[1]＝(V0-V)/R1[1]
I[2]＝(V0-V)/R1[2]
I[n]＝(V0-V)/R1[n]
其中，V0为直流供电系统的空载输出电压，V为所述母线电压，R[1],R[2],......,R[n] 为每个直流供电系统的电池阵列的实时等效内阻。
优选的，步骤(3)中，所述每个直流供电系统实时放电电流与每个所述直流供电系统的电池阵列的电池容量之间的关系式，可表示为：
其中，V0为直流供电系统的空载输出电压，V为所述母线电压，σ0为电池阵列的标称容量，σ[0]为电池阵列的初始容量，K为调节系数，其范围为[0.01,0.1]，R0为电池阵列的基础内阻。
优选的，所述直流供电系统包括电池阵列、控制器、电压平衡模块和监测模块；
所述监测模块与所述电池阵列连接，所述监测模块用于实时监测待接入的供电系统的母线的电压和监测输出电流，并且监测所述电池阵列的电池容量，并与所述控制器连接；
所述电压平衡模块包括稳压输出模块和升压充电模块，所述稳压输出模块连接设置于所述电池阵列供电输出线上，其与所述控制器连接，所述升压充电模块用于从所述母线取电对所述电池阵列充电，其与所述控制器连接；
所述监测模块将检测到的所述母线电压反馈给所述控制器，若所述母线电压高于阈值，则关闭所述稳压输出模块，同时开启所述升压充电模块，从所述母线取电对所述电池阵列充电；若所述母线电压等于或低于阈值时，所述控制器开启所述稳压输出模块向所述母线供电，同时关闭所述升压充电模块停止向所述电池阵列充电。
优选的，所述阈值设置为所述母线电压的2％。
优选的，所述监测模块包括电流监测模块、电池容量监测模块以及电压监测模块，所述电流监测模块将监测到的实时电流信号进行适当放大，并反馈给控制器，所述电池容量监测模块将监测到的实时电池容量反馈给控制器，所述电压监测模块用来监测所述母线电压，并反馈给控制器。
优选的，所述电流监测模块包括电压检测装置和取样电阻，所述取样电阻连接设置于所述电池阵列供电回路上，电压检测装置用于监测所述取样电阻位置的电压大小。
有益效果：本发明利用电池容量参数作为自动调节系统等效电阻的方式，实现了自适应的放电电流调节，以及直流电池供电系统的自主调节，保证每个在线直流电池供电系统同时完成放电，而无需统一的监测和控制以及联网。
附图说明
图1是本发明实施例所述的分布式直流供电系统结构示意图；
图2是本发明实施例所述的直流供电系统整体结构示意图；
图3是本发明实施例所述的直流供电系统详细结构示意图；
图4是本发明实施例所述的自动负载均衡控制方法流程图；
图5是本发明一实施例所述的自动负载均衡控制方法的实验图。
图中包括：母线(1)，电池阵列(2)，控制器(3)，电压平衡模块(4)，监测模块(5)，稳压输出模块(41)，升压充电模块(42)，电流监测模块(51)，电池容量监测模块(52)，电压监测模块(53)，电压检测装置(511)，取样电阻(512)。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明的分布式直流系统由多个直流电池供电系统组成，编号记为1,2,......,n，其中，n为直流供电系统的总数，多个直流供电系统共同连接在一条供电母线1上，每个所述直流供电系统包括电池阵列，每个直流供电系统的所述电池阵列有相应的电池容量，这些电池容量大小不一定相同，可分别表示为σ[1],σ[2],......,σ[n]，电池阵列的电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]与输出电流通过自动负载均衡控制方法实现自动平衡，从而每个直流供电系统达到放电的自动均衡。
电池阵列2的电压等级没有必需的规定，优选的，选择48V，电池的串联数量决定的电压等级，不同的电池类型略有区别，电池单体容量和并联的数量决定了电池的总容量。
母线1的作用是将所有的电源模块(AC/DC)和所有的电池供电系统并在一起，统一向设备供电，就好像主管路，每个支管路或输入电流，或输出电流。
如图2所示，上述直流供电系统包括电池阵列2、控制器3、电压平衡模块4和监测模块5，所述控制器3用于控制整个系统工作。
监测模块5与电池阵列2连接，监测模块5用于实时监测待接入的供电系统的母线1的电压和监测输出电流，并且监测电池阵列2的电池容量，并与控制器3连接；
电压平衡模块4包括稳压输出模块41和升压充电模块42，稳压输出模块41连接设置于电池阵列2供电输出线上，其与控制器3连接，升压充电模块42用于从母线1取电对电池阵列2充电，其与控制器3连接；
所述监测模块5将检测到的母线1电压反馈给控制器3，若母线1电压高于阈值，优选的，阈值设置为所述母线电压的2％，则关闭稳压输出模块41，同时开启升压充电模块42，从母线1取电对电池阵列2充电；若母线电压等于或低于阈值时，控制器3 开启稳压输出模块42向母线1供电，同时关闭升压充电模块42停止向电池阵列2充电。
如图3所示，监测模块5包括电流监测模块51、电池容量监测模块52以及电压监测模块53，电流监测模块51将监测到的实时电流信号进行适当放大，并反馈给控制器 3，电池容量监测模块52将监测到的实时电池容量反馈给控制器3，电压监测模块53 用来监测母线电压，并反馈给控制器3。
电流监测模块51包括电压检测装置511和取样电阻512，取样电阻512连接设置于电池阵列2的供电回路上，电压检测装置511用于监测取样电阻512位置的电压大小。
上述的自动负载均衡控制方法为控制算法，置于控制器内，并根据控制算法实现对稳压输出模块41的微调，电池容量监测模块52将监测到的实时电池容量系统反馈给控制器3，控制器3将根据电池容量计算出相应的输出等效内阻，并根据输出等效内阻和当前总线电压计算出稳压输出模块42的输出电压，最终实现了输出电流的控制。
上述自动负载均衡控制方法，如图4所示，具体步骤包括：
S01表示出每个直流供电系统的所述电池阵列的电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]和电池阵列的实时等效内阻；
电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]分别表示为：
其中，σ0为电池阵列的标称容量，σ[0]为电池阵列的初始容量，I[1],I[2],......,I[n] 为每个直流供电系统的实时放电电流；
电池初始容量是电池后备期间，由于充电未完成或者自放电或者电池容量衰减或者本身各个电池的额定容量就不同等等原因，每个电池的容量均不同。因此电池的初始容量指的是放电开始时，每个电池的容量，为了方便计算，本发明利用百分比来表示。
每个直流供电系统的电池阵列的实时等效内阻表示为：
其中，R0为电池阵列的基础内阻，K为调节系数，其范围为[0.01,0.1]。
上述两个公式分别给出了电池供电装置实时容量的计算依据，即(初始容量-消耗容量)与标称容量的比值和给出了电池供电装置实时等效内阻的计算公式，即内阻伴随容量下降而升高。基础内阻是实际电路设计中表现出来的基本内阻特性，这个内阻是客观存在的，不可消除的。
上述公式中，
是采用库伦计量方式进行的消耗电量计量。
S02根据电池阵列的实时等效内阻、直流供电系统的空载输出电压以及母线电压表示直流供电系统的实时放电电流；
每个直流供电系统的实时放电电流表示为：
其中，V0为直流供电系统的空载输出电压，V为所述母线电压，R[1],R[2],......,R[n] 为每个直流供电系统的电池阵列的实时等效内阻。
S03通过每个直流供电系统的实时放电电流和电压之间的关系，得到每个直流供电系统实时放电电流与每个所述直流供电系统的电池阵列的电池容量之间的关系式。
S04所述电池阵列的基础内阻R0和所述关系式中的调节系数K选择一定的值，可实现每个直流供电系统同时完成放电。
因为所有的直流电池供电系统均接在母线1上，因此输出到母线1的电压均为V，由公式1、2和3得出：
V[1]＝V0-I[1]*(R0+(1-σ[1])*K)
V[2]＝V0-I[2]*(R0+(1-σ[2])*K)
V[n]＝V0-I[n]*(R0+(1-σ[n])*K)
公式4
V[1]＝V[2]＝...＝V[n] 公式5
I＝I[1]+I[2]+…+I[n] 公式6
其中，I为分布式直流电池供电系统的总电流。
由公式4和5得出：
I[1]＝(V0-V)/(R0+(1-σ[1])*K)
I[2]＝(V0-V)/(R0+(1-σ[2])*K)
I[n]＝(V0-V)/(R0+(1-σ[n])*K) 公式7
进一步推导，可以得出：
其中，V0为直流供电系统的空载输出电压，V为所述母线电压，σ0为电池阵列的标称容量，σ[0]为电池阵列的初始容量，K为调节系数，其范围为[0.01,0.1]，R0为电池阵列的基础内阻。
由公式8可以得到，V0-V为定值，输出电流与等效内阻成反比，即直流电池供电系统的电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]越大，则对应的输出等效内阻越小，输出电流越大；而输出电流越大则电池容量下降的越快；伴随着电池容量的下降，输出电流将逐渐减小；只要合理选择K及R0，优选取值为1.0mΩ，按照公式8，一定周期计算和调整，结果就是电量趋于一致了，电流计算得结果当然也就趋于一致了，即可以实现电池容量与输出电流的自动平衡，最终达到放电的自动均衡，即各个直流电池供电系统同时完成放电，实时电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]均为0。
在实际应用中，通过离散化方式实现库伦量的计算，考虑到鉴于调节精度的需求，无需连续调节，连续计算太过复杂，浪费计算资源，离散化后可以大大简化实现的难度，且满足系统调控需求。采用
取代
其中△t为取样时间间隔，I为实时电流，n为取样次数，由于取样间隔期间，I不变，因此采用离散化方式计算并没有引入误差。
实施例2
通过一个例子来说明本发明的效果，此处直流电池供电系统的空载输出电压 V0＝48V，总线负载电流I＝100A，总计5个分布式电池供电系统在线，对应放电电流为 I[1]、I[2]、I[3]、I[4]和I[5]，对应的初始容量用标称容量的百分比表示，分别为σ[1]＝100％，σ[2]＝90％，σ[3]＝80％，σ[4]＝70％，σ[5]＝60％，电池标称容量均为10AH， K＝0.05，按照控制算法控制的5个电池供电装置实时放电电流状况模拟，如图5所示，其中：横轴时间轴，采样周期20秒，放电时间为940秒(15.7分钟)，纵轴为放电电流，单位为A。
从图5可以看出，由于每个电池供电装置初始容量不同，因此放电电流也不同。伴随着放电过程，σ[1],σ[2],......,σ[5]最终趋于一致，同时I[1]、I[2]、I[3]、I[4]和I[5]也趋于一致，达成了均衡放电的目标。
本实施例所述的电压等级48V和电流等级仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种分布式直流电池供电系统，其特征在于，该系统由多个直流电池供电系统组成，编号记为1,2,......,n，其中，n为所述直流供电系统的总数，所述多个直流供电系统共同连接在一条供电母线(1)上，每个所述直流供电系统包括电池阵列，每个直流供电系统的所述电池阵列有相应的电池容量，表示为σ[1],σ[2],......,σ[n]，所述电池阵列的电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]与输出电流通过自动负载均衡控制方法实现自动平衡，从而每个所述直流供电系统达到放电的自动均衡；
所述自动负载均衡控制方法，具体步骤包括：
(1)表示出每个直流供电系统的所述电池阵列的电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]和所述电池阵列的实时等效内阻；
(2)根据所述电池阵列的实时等效内阻、直流供电系统的空载输出电压以及所述母线电压表示直流供电系统的实时放电电流；
(3)通过每个直流供电系统的实时放电电流和电压之间的关系，得到每个直流供电系统实时放电电流与每个所述直流供电系统的电池阵列的电池容量之间的关系式；
所述每个直流供电系统实时放电电流与每个所述直流供电系统的电池阵列的电池容量之间的关系式，可表示为：
其中，V0为直流供电系统的空载输出电压，V为所述母线(1)电压，σ0为电池阵列的标称容量，σ[0]为电池阵列的初始容量，K为调节系数，其范围为[0.01,0.1]，R0为电池阵列的基础内阻；
(4)所述电池阵列的基础内阻R0和所述关系式中的调节系数K选择一定的值，可实现每个直流供电系统同时完成放电。
2.根据权利要求1所述的分布式直流供电系统，其特征在于，步骤(1)中，所述电池容量σ[1],σ[2],......,σ[n]分别表示为：
其中，σ0为电池阵列的标称容量，σ[0]为电池阵列的初始容量，I[1],I[2],......,I[n]为每个直流供电系统的实时放电电流；
所述每个直流供电系统的电池阵列的实时等效内阻表示为：
R1[1]＝R0+(1-σ[1])*K
R1[2]＝R0+(1-σ[2])*K
R1[n]＝R0+(1-σ[n])*K
其中，R0为电池阵列的基础内阻，K为调节系数，其范围为[0.01,0.1]。
3.根据权利要求1所述的分布式直流供电系统，其特征在于，步骤(2)中，所述直流供电系统的实时放电电流表示为：
I[1]＝(V0-V)/R1[1]
I[2]＝(V0-V)/R1[2]
I[n]＝(V0-V)/R1[n]
其中，V0为直流供电系统的空载输出电压，V为所述母线(1)电压，R[1],R[2],…R[n]为每个直流供电系统的电池阵列的实时等效内阻。
4.根据权利要求1所述的分布式直流供电系统，其特征在于，所述直流供电系统包括电池阵列(2)、控制器(3)、电压平衡模块(4)和监测模块(5)；
所述监测模块(5)与所述电池阵列(2)连接，所述监测模块(5)用于实时监测待接入的供电系统的母线(1)的电压和监测输出电流，并且监测所述电池阵列(2)的电池容量，并与所述控制器(3)连接，所述自动负载均衡控制方法置于所述控制器内；
所述电压平衡模块(4)包括稳压输出模块(41)和升压充电模块(42)，所述稳压输出模块(41)连接设置于所述电池阵列(2)供电输出线上，其与所述控制器(2) 连接，所述升压充电模块(42)用于从所述母线(1)取电对所述电池阵列(2)充电，其与所述控制器(3)连接；
所述监测模块(5)将检测到的所述母线(1)电压反馈给所述控制器(3)，若所述母线(1)电压高于阈值，则关闭所述稳压输出模块(41)，同时开启所述升压充电模块(42)，从所述母线(1)取电对所述电池阵列(2)充电；若所述母线(1)电压等于或低于阈值时，所述控制器(3)开启所述稳压输出模块(41)向所述母线(1)供电，同时关闭所述升压充电模块(42)停止向所述电池阵列(2)充电。
5.根据权利要求4所述的分布式直流电池供电系统，其特征在于，所述阈值设置为所述母线(1)电压的2％。
6.根据权利要求4所述的分布式直流电池供电系统，其特征在于，所述监测模块(5)包括电流监测模块(51)、电池容量监测模块(52)以及电压监测模块(53)，所述电流监测模块(51)将监测到的实时电流信号进行适当放大，并反馈给控制器(3)，所述电池容量监测模块(52)将监测到的实时电池容量反馈给控制器(3)，所述电压监测模块(53)用来监测所述母线(1)电压，并反馈给控制器(3)。
7.根据权利要求6所述的分布式直流供电系统，其特征在于，所述电流监测模块(51)包括电压检测装置(511)和取样电阻(512)，所述取样电阻(512)连接设置于所述电池阵列(2)供电回路上，电压检测装置(511)用于监测所述取样电阻(512)位置的电压大小。
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