CN112821547A - 一种应急供电电源及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应急供电电源及控制方法。本发明通过背靠背设置的整流变流器和逆变变流器，将储能系统与背靠背双变流器直流侧相连接，当所述变流器组故障时，采用自动旁路将所述变流器组进行旁路以实现负载不间断供电。本发明取得减少因负载突加突卸而引起的功率波动，提高并网电能质量稳定性并维持直流电容电压，同时兼顾负载运行时的电能质量管理和能量管理的有益技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域，具体涉及一种应急供电电源及控制方法。
背景技术
随着现代社会对电力能源的依赖性日益增强，用电需求的迅猛增长，供电质量要求越来越高，突然的断电必然会给人们的正常生活秩序和社会的正常运转造成破坏，特别是对于一级负荷中特别重要的负荷，一旦中断供电，将会造成重大的政治影响或经济损失。作为电网应急供电设备的主要力量，移动式应急电源车具有机动灵活、技术成熟、启动迅速等诸多优点，在政治保电、城市电网应急、对抗重大自然灾害以及电力紧缺地区临时用电等中小型用电场所发挥日趋显著的作用。
传统的在线式的UPS，不能集成储能变流器四象限运行的特点，针对感性负载及容性负载，UPS无法全功率范围支撑。能量不能输入输出双向流动。柴油机需要预启动，热备用，启动时间过长，这在一定程度上造成效率低下，与电网不能无缝切换，设备供电有间断；存在严重的电能质量问题，电源的可靠性降低，造成用电设备频繁损坏，且在一定程度上影响燃料发动机供电装置的使用寿命。柴油发电机启动时间长需5～30s(一般情况10s内可正常启动)，供电电压、频率波动大、效率低，只能在离网状态下做主电源运行，无法做到无缝切换，并且柴发的使用也将不可避免的带来环境和噪声污染。此外，部分供电局反映部分柴油发电机组无法达到额定的出力，只到了一半功率就跳闸停机。飞轮储能应急电源车高效节能绿色无污染、可靠性高、功率密度高、效率高、寿命长、对电网无谐波污染。但设备需进口，价格昂贵、投资成本很高，能量密度较低，后备保障时间较短，需要与传统柴油发电机配合使用。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种应急供电电源及控制方法。为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下。
一种应急供电电源，包括切换单元、变流器组、储能装置、旁路单元和控制单元；所述切换单元与所述变流器组连接，所述变流器组与所述负载相连接，所述储能装置与所述变流器组连接，所述旁路单元与所述变流器组连接，且所述变流器组、储能装置和旁路单元分别与所述控制单位连接；
所述变流器组包括整流变流器和逆变变流器，整流变流器和逆变变流器背靠背设置，所述整流变流器与所述切换单元连接，切换单元用于切换外部电源的供电方式；所述逆变PCS整流器与负载连接，所述整流变流器和逆变变流器共享直流侧，所述储能装置与所述直流侧连接；当所述变流器组故障时，所述自动旁路将所述变流器组进行旁路以实现负载不间断供电；所述储能装置包含有锂电池和电池管理系统BMS，所述锂电池和电池管理系统BMS相连接，储能装置使得负载突加或突卸时维持直流侧电容电压通过逆变变流器，从而供给负载稳定的电能，以及外部电源发生故障时通过储能装置供给负载电能。
优选的，所述旁路单元包括检修旁路和自动旁路，并且当自动旁路故障时，通过检修旁路实现负载不间断供电的旁路动作。
优选的，外部电源包括市电和柴油发电机供电，并且当市电和柴油发电供电同时存在时，市电优先于柴油发电供电。
优选的，所述控制单元包含有第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器，所述第一控制器与所述整流变流器相连接，所述第二控制器与所述逆变变流器相连接，所述第三控制器与所述储能装置相连接，所述第四控制器与所述旁路单元相连接。
一种基于上述应急供电电源的控制方法，包括：
若电网状态正常，则静态开关闭合以实现并网运行，并实时监测锂电池的 SOC：
若SOC小于20％，则系统进入并网模式，
若大于20％SOC且小于80％则选择进入待机备用状态、并网放电模式或并网充电模式；
若电网状态异常，则静态开关断开以实现离网运行，并实时监测锂电池的 SOC：
若SOC大于20％，则系统进入离网放电模式，
若SOC小于20％，则进入离网放电模式，同时进入报警状态。
优选的，在并网模式，AC/DC变流器工作于并网整流状态，采用PQ控制策略，AC/DC变流器输出电流内环控制，直流母线电压外环控制。
优选的，在充电模式模式，AC/DC变流器工作在离网逆变状态，采用V/F控制策略，交流母线电压外环控制，直流母线电流内环控制。
优选的，若电网状态正常，则静态开关闭合以实现并网运行，若SOC大于 80％则AC/DC变流器停止工作。
优选的，所述在并网放电模式，AC/DC变流器工作于并网逆变状态，采用PQ 控制策略，直流母线电压外环，输出电流内环控制，DC/DC变流器工作于Boost 状态，恒流源控制。
优选的，在并网充电模式，模块的AC/DC变流器工作于并网整流状态，采用 PQ控制策略，变流器输出电流内环控制，直流母线电压外环控制，DC/DC变流器工作于Buck状态，采用恒流限压控制。
相对于现有技术，本发明的有益技术效果在于：发明通过背靠背设置的整流变流器和逆变变流器，将储能系统与背靠背双变流器直流侧相连接，当所述变流器组故障时，采用自动旁路将所述变流器组进行旁路以实现负载不间断供电。本发明取得减少因负载突加突卸而引起的功率波动，提高并网电能质量稳定性并维持直流电容电压，同时兼顾负载运行时的电能质量管理和能量管理的有益技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明应急供电电源的系统示意图；
图2为本发明应急供电电源的系统的控制流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本实施例提供了一种应急供电电源，其工作原理是通过将储能系统安装于背靠背双变流器的直流侧，减少因负载变化而引起的功率波动，将背靠背双变流器控制系统、旁路单元控制系统和储能装置的控制系统进行整合，综合协调控制，达到提高并网电能质量稳定性、维持直流电容电压、便于控制和兼顾负载运行时的电能质量管理和能量管理的目的。
背靠背双变流器直流侧与储能装置相连接，当市电柴发正常时，此时运行在并网模式下，整流变流器以P/Q模式运行，逆变变流器以V/F模式运行，为负载提供可靠电能，同时为储能系统充电。当市电柴发故障时，系统控制0ms切换储能装置供给负载电能，从而解决对敏感负载短时间掉电重启，影响网侧电能质量等问题。
市电柴发切换单元由双路输入自动切换开关ATS、输入电流电压检测仪表等组成，具备市电优于柴发输入供电，市电故障情况下自行切换至油机输入供电，并将输入侧的电压电流采集通过通讯上传至控制系统；整流变流器基于电力电子技术高功率密度小的两电平输出功率模块，具备为储能装置进行充放电管理、逆变变流器建立母线电压功能；同时可接入市电作为储能双向变流器为交流侧输送电能。逆变变流器硬件拓扑与整流变流器一致，均为两电平功率模块，可四象限运行，具备离网为负载提供能量功能，也可通过旁路开关为市电输送电能。储能系统包括锂电池、BMS系统，具备电池信息采集、通讯、均衡、保护功能；旁路单元包括自动旁路及检修旁路，具备在逆变变流器出现故障时，可短时间自动切换至旁路由市电直接供负载电能的功能，可具备检修系统时手动旁路的功能。控制系统为协调控制系统的核心控制单元，实现市电柴发切换单元、整流变流器、逆变变流器、旁路单元、储能装置的有序高效运行控制，具备UPS在线应急电源供电模式及储能并网工作模式。分别利用旁路单元、背靠背双变流器和储能装置在充电时间，充放电功能及为负载持续供电的优势来进行，以达到为交流侧输送及负载提供稳定电能的效果，保证系统的正常运行。
整流变流器及逆变变流器硬件拓扑一致，主要由两电平逆变功率单元、输出滤波单元、控制单元等组成，是交/直流侧可控的四象限运行的变流装置，实现对电能的交直流双向转换。变流器可以实现电池储能系统直流电池与交流电网之间的双向能量传递，通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、对网侧负荷功率的跟踪、对电池储能系统充放电功率的控制、对离网运行方式下网侧电压的控制等。
当市电柴发正常时，若储能装置剩余(SOC)不足，直流母线通过整流PCS 变换器给锂电池充电；当市电柴发故障时，若储能装置剩余(SOC)容量正常，则锂电池放电通过逆变变流器释放能量以维持直流母线电压在正常范围内，为负载正常供电，保证系统的正常运行。
通过以上的方式，本发明所提供的应急供电电源，通过将储能系统安装于背靠背双变流器直流侧，减少因负载突加突卸变化而引起的功率波动，将背靠背双变流器控制系统、旁路单元控制系统和储能装置的控制系统进行整合，综合协调控制，达到提高并网电能质量稳定性、维持直流电容电压、便于控制和兼顾负载运行时的电能质量管理和能量管理的目的。
系统运行控制策略如图所示。通过传感器判定电网电压是否正常(失压、电压跌落、三相不平衡、谐波等)，若电网状态正常，静态开关闭合，构成并网系统。此时，根据检测储能介质SOC，若小于20％，则进入并网充电模式：模块的AC/DC 变流器工作于并网整流模式，采用PQ控制策略，变流器输出电流内环控制，直流母线电压外环控制。
若SOC大于20％，则可进入放电模式：可以根据场景选择多种应用，首先当选择待机备用时，应保证储能处于高电位，若SOC大于80％则立即待机备用，若SOC 小于80％则进入充电模式：模块的AC/DC变流器工作于并网整流模式，采用PQ控制策略，变流器输出电流内环控制，直流母线电压外环控制。
若电网状态异常，静态开关打开，构成离网系统。此时，检测储能SOC，若 SOC大于20％，系统进入离网放电模式：AC/DC工作在离网逆变状态，采用V/F控制策略，交流母线电压外环控制，直流母线电流内环控制。若SOC小于20％，立即进入报警状态，继续进入离网放电模式。
当选择除了待机备用之外的其他应用时，系统会根据应用场景计算输出电流指令值(不同场景指令值不同)，然后根据指令系统进入并网放电模式或并网充电模式。并网放电模式为：AC/DC工作于并网逆变模式，采用PQ控制策略，直流母线电压外环，输出电流内环控制，DC/DC变流器工作于Boost状态，恒流源控制。并网充电模式为：模块的AC/DC变流器工作于并网整流模式，采用PQ控制策略，变流器输出电流内环控制，直流母线电压外环控制，DC/DC变流器工作于Buck状态，采用恒流限压控制。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种应急供电电源，其特征在于，包括切换单元、变流器组、储能装置、旁路单元和控制单元；所述切换单元与所述变流器组连接，所述变流器组与所述负载相连接，所述储能装置与所述变流器组连接，所述旁路单元与所述变流器组连接，且所述变流器组、储能装置和旁路单元分别与所述控制单位连接；
所述变流器组包括整流变流器和逆变变流器，整流变流器和逆变变流器背靠背设置，所述整流变流器与所述切换单元连接，切换单元用于切换外部电源的供电方式；所述逆变变流器与负载连接，所述整流变流器和逆变变流器共享直流侧，所述储能装置与所述直流侧连接；所述旁路单元包括自动旁路电路和检修旁路电路，当所述变流器组故障时，自动旁路电路将所述变流器组进行旁路以实现负载不间断供电；所述储能装置包含有锂电池和电池管理系统，所述锂电池和电池管理系统相连接，储能装置使得负载突加或突卸时维持直流侧电容电压通过逆变变流器，从而供给负载稳定的电能，以及外部电源发生故障时通过储能装置供给负载电能。
2.根据权利要求1所述的应急供电电源，其特征在于，当自动旁路电路故障时，通过检修旁路电路实现负载不间断供电的旁路动作。
3.根据权利要求2所述的应急供电电源，其特征在于，外部电源包括市电和柴油发电机供电，并且当市电和柴油发电供电同时存在时，市电优先于柴油发电供电。
4.根据权利要求1-3任一所述的应急供电电源，其特征在于，所述控制单元包含有第一控制器、第二控制器、第三控制器和第四控制器，所述第一控制器与所述整流变流器相连接，所述第二控制器与所述逆变变流器相连接，所述第三控制器与所述储能装置相连接，所述第四控制器与所述旁路单元相连接。
5.一种基于权利要求1-4任一所述的应急供电电源的控制方法，其特征在于，
若电网状态正常，则静态开关闭合以实现并网运行，并实时监测锂电池的SOC：其中，静态开关为整流变流器的半导体开关；
若SOC小于20％，则系统进入并网模式，
若大于20％SOC且小于80％则选择进入待机备用状态、并网放电模式或并网充电模式；
若电网状态异常，则静态开关断开以实现离网运行，并实时监测锂电池的SOC：
若SOC大于20％，则系统进入离网放电模式，
若SOC小于20％，则进入离网放电模式，同时进入报警状态。
6.根据权利要求5所述的应急供电电源的控制方法，其特征在于，在并网模式，整流变流器工作于并网整流状态，采用PQ控制策略，AC/DC变流器输出电流内环控制，直流母线电压外环控制。
7.根据权利要求6所述的应急供电电源的控制方法，其特征在于，在充电模式模式，AC/DC变流器工作在离网逆变状态，采用V/F控制策略，交流母线电压外环控制，直流母线电流内环控制。
8.根据权利要求7所述的应急供电电源的控制方法，其特征在于，若电网状态正常，则静态开关闭合以实现并网运行，若SOC大于80％则AC/DC变流器停止工作。
9.根据权利要求8所述的应急供电电源的控制方法，其特征在于，在并网放电模式，AC/DC变流器工作于并网逆变状态，采用PQ控制策略，直流母线电压外环，输出电流内环控制，DC/DC变流器工作于Boost状态，恒流源控制。
10.根据权利要求9所述的应急供电电源的控制方法，其特征在于，并网充电模式为：模块的AC/DC变流器工作于并网整流状态，采用PQ控制策略，变流器输出电流内环控制，直流母线电压外环控制，DC/DC变流器工作于Buck状态，采用恒流限压控制。
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