CN113315220A - 一种不间断直流供电装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不间断直流供电装置及控制方法，其中装置包括多个供电变压器（1）、多个二极管整流模块、多个电池组、多个充电模块、多个DCDC模块、多个双向开关（3）；其控制方法如下：当电网电压正常时，二极管整流模块输出预设的直流电压，直接向负载供电；当电网电压过低，负载由电池组存储的电能通过DCDC模块供电。当两路中的一路直流电（Udc）发生故障失电时，闭合跨接于该两路直流电的双向开关（3），使得故障路的负载得以切换至另一路直流电，保持继续不间断供电状态。本发明的一种不间断直流供电装置及控制方法有电路简单、效率高、可靠性高的优点，显著降低线路复杂程度及装置成本，可大幅度降低自身功耗节约电能。

Description

一种不间断直流供电装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一用于用于高可靠直流供电系统的不间断供电装置及其控制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着通信技术、智能化生产、计算机系统的快速发展，安全可靠、高效率、低成本的供电系统越来越重要。

现有技术提供的高可靠供电技术， 较成熟的包括不间断电源供电技术和高压直流供电技术。

而这两种技术都存在有一定的不足之处。其中不间断电源供电技术将交流输入电转变为直流电，同时为蓄电池充电，继而将直流电转变为交流电，为用电负载供电。该方案对电力经过2次变换，自身损耗大，且复杂程度高、可靠性低。而目前的高压直流供电方案是电网高压交流电通过整流后，对蓄电池组进行充电，同时经过DCDC电源稳压至所需要的直流电压，当电网断电时，蓄电池电压经过DCDC可持续为负载供电。该方案供电时，当DCDC电源故障时，虽然一般都设计有旁路电路，但负载仍会有短时间电压跌落情况发生，对敏感负载、尤其是数据中心等职能设备，会有停机风险，另外DCDC一般采用高频开关电源实现，其自身损耗仍然较高，电能损失较大。

因此，随着碳减排标准的日益提高，目前的高可靠供电技术函待进一步提升效率，同时提升供电的可靠性。

发明内容

本发明的目的是设计一种不间断直流供电装置及控制方法，具有电路简单、效率高、可靠性高的优点，可满足目前对高质量供电的要求，尤其是可大幅度降低数据中心能耗，提升其总体PUE值。

本发明的一种不间断直流供电装置，其包括：

多个供电变压器（1），其输入端连接高压电网，对电网电压做隔离及降压变换；

多个二极管整流模块，连接所述变压器副边侧，将所述变压器输出的低压交流电整流为直流电（Udc）；

多个电池组，用于存储电能，当电网失电时，向负载提供电能；

多个充电模块，其输入端与所述直流电（Udc）连接，其输出端连接电池组，所述充电模块向蓄电池组进行充电，向其补充电能；

多个DCDC模块，其一端与通过直流开关（2）与所述直流电（Udc）连接，其另一端连接电池组，当电网失电时，所述电池组的电能由DCDC模块经过变换、或经过其内部二极管，向负载不间断提供电能；

多个双向开关（3），所述双向开关跨接于两路直流电（Udc）间，当其中一路直流电失电时，可闭合所述双向开关，由另一路直流电实现不间断供电。

本发明的一种不间断直流供电装置，其中所述的供电变压器（1）是三相变压器，其每相原边绕组有多个分接抽头，通过切换分接抽头，可调节变压器变比，从而实现调节变压器副边电压的功能。

本发明的一种不间断直流供电装置，其中所述供电变压器（1）是副边绕组采用移相绕法的移相变压器，所述移相变压器包含多个独立的三相副边绕组，每个所述三相副边绕组电气隔离，所述多个独立三相副边绕组的移相角在0-60度角度内均匀分布；通过移相变压器为整流电路供电，可大幅度降低原边电网的谐波含量及提升功率因数。

本发明的一种不间断直流供电装置，其中所述的二极管整流模块包括多个三相整流桥，每个三相整流桥的三个输入端分别与所述供电变压器（1）的三相输出端连接，每个三相整流桥的两个输出端并联连接，形成总的输出直流电（Udc）。

本发明所述的一种不间断直流供电装置，其中所述的DCDC模块是升降压斩波电路，其包括：

一个或多个电感（4），其与所述电池组一的端连接，用于降低电池组的纹波电流；

一个或多个桥臂（5），每个桥臂包括两个串联连接的半导体开关器件，桥臂中点连接所述电感（4），桥臂负端连接电池的负端，而桥臂的正端是输出正端，所述半导体开关器件是逆导型，即每个半导体开关器件包含有反向并联连接的二极管（6）；

通过对所述半导体开关器件的pwm调制，DCDC模块可实现使电池组向直流电（Udc）提供电力，同时，当直流电（Udc）电压低于电池组电压时，电池组可直接向直流电（Udc）供电。

本发明的一种不间断直流供电装置，其中所述的双向开关（3）是机械式开关，如接触器、断路器。

本发明的一种不间断直流供电装置，其所述的双向开关（3）还可以由半导体开关器件组成，其包括两个反串联连接的逆导型半导体开关器件。

本发明的一种不间断直流供电装置的控制方法，所述装置包括多个供电变压器（1）、

多个二极管整流模块、多个电池组、多个充电模块、多个DCDC模块、 多个双向开关（3）；所述控制方法包括：

当电网电压正常时，通过预设匝比的供电变压器（1），所述二极管整流模块输出预设的直流电压，直接向负载供电，而此时电池组的电压低于预设值，不输出电流，DCDC模块处于停机状态；

当电网电压过低，从而二极管整流模块输出电压低于预设值时，启动DCDC模块，使其工作于升压状态，并通过pwm调制，使其输出电压稳定在一个预设电压值，此时负载由电池组存储的电能供电，而电网停止供电；

当电网电压瞬间跌落时，二极管整流模块输出电压则瞬间降低，当其低于电池组电压时，DCDC模块延时启动，待电池组通过所述DCDC模块中半导体开关器件的反向并联二极管向负载供电后，再启动DCDC模块，使其工作于升压状态，并通过pwm调制，使其输出电压高于电池组电压、并稳定在一个预设电压值；

本发明的一种不间断直流供电装置的控制方法，其还包括：

当两路中的一路直流电（Udc）发生故障失电时，断开该路的DCDC模块输出开关（2），闭合跨接于该两路直流电的双向开关（3），使得故障路的负载得以切换至另一路直流电，保持继续不间断供电状态。

本发明采用上述技术方案，能产生如下有益的技术效果：

本发明具有电路简单、效率高、可靠性高的优点，显著降低了线路复杂程度及装置成本，可大幅度降低自身功耗，节约电能。

附图说明

图1是本发明一种不间断直流供电装置的电气结构框图。

图2是本发明一种不间断直流供电装置的DCDC模块的电气原理图。

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，下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是本发明一种不间断直流供电装置的电气结构框图。如图所示，本发明包括多个供电变压器（1），其输入端连接高压电网，电网电压一般是10kv、20kv、35kv等中压供电电压等级，也可以是400V供电电压等级，通过该变压器，对供电电压做隔离及降压变换。

本发明还包括多个二极管整流模块，如图1所示，二极管整流模块与变压器副边侧绕组连接，将所述变压器输出的低压交流电整流为直流电（Udc）。

本发明还包括有多个电池组，电池组用于存储电能，当电网失电时，向负载提供电能，一般电池组可以是铅酸电池或者锂离子电池等。

本发明图1中包括多个充电模块，其输入端与所述直流电（Udc）连接，其输出端连接电池组，所述充电模块向蓄电池组进行充电，向其补充电能，充电模块容量一般低于装置容量，其值需要对电池组进行慢速充电及浮充充电即可，因此具有较低的造价。

本发明图1中包括多个DCDC模块，其一端与通过直流开关（2）与所述直流电（Udc）连接，其另一端连接电池组，当电网失电时，所述电池组的电能由DCDC模块经过变换、或经过其内部二极管，向负载不间断提供电能。当电网正常时，该DCDC模块处于待机状态，因而不产生功耗，节约了这部分电能，因为本发明装置具有很低的自身功耗。

本发明图1中包括多个双向开关（3），所述双向开关跨接于两路直流电（Udc）间，当其中一路直流电失电时，可闭合所述双向开关，由另一路直流电实现不间断供电。

本发明所述的供电变压器（1）是三相变压器，其每相原边绕组有多个分接抽头，通过切换分接抽头，可调节变压器变比，从而实现调节变压器副边电压的功能。

本发明所述的供电变压器（1）是副边绕组采用移相绕法的移相变压器，所述移相变压器包含多个独立的三相副边绕组，每个所述三相副边绕组电气隔离，所述多个独立三相副边绕组的移相角在0-60度角度内均匀分布；通过移相变压器为整流电路供电，可大幅度降低原边电网的谐波含量及提升功率因数。通过副边绕组移相设计，可省去了变压器原边需要增加的高次谐波滤波器，同时也降低了无功补偿的容量，降低总体的造价。

本发明所述的二极管整流模块包括多个三相整流桥，每个三相整流桥的三个输入端分别与所述供电变压器（1）的三相输出端连接，每个三相整流桥的两个输出端并联连接，形成总的输出直流电（Udc）。与变压器副边绕组对应的多个三相整流桥，由于相位角错开，因而输入谐波成分电流相互抵消，同时，多组三相整流桥可相互备份，其中任何一个损坏，均不会影响整个装置的运行。

本发明不间断直流供电装置，其所述的DCDC模块，如图2所示，是升降压斩波电路，包括：

一个或多个电感（4），其与所述电池组一的端连接，用于降低电池组的纹波电流；

一个或多个桥臂（5），每个桥臂包括两个串联连接的半导体开关器件，桥臂中点连接所述电感（4），桥臂负端连接电池的负端，而桥臂的正端是输出正端，所述半导体开关器件是逆导型，即每个半导体开关器件包含有反向并联连接的二极管（6）；

通过对所述半导体开关器件的pwm调制，DCDC模块可实现使电池组向直流电（Udc）提供电力，同时，当直流电（Udc）电压低于电池组电压时，电池组可直接向直流电（Udc）供电。

本发明所述的双向开关（3）是机械式开关，如接触器、断路器，还可以是由半导体开关器件组成，其包括两个反串联连接的逆导型半导体开关器件。

本发明的一种不间断直流供电装置的控制方法，其中装置包括多个供电变压器（1）、

多个二极管整流模块、多个电池组、多个充电模块、多个DCDC模块、 多个双向开关（3）；所述的控制方法包括如下步骤：

当电网电压正常时，通过预设匝比的供电变压器（1），所述二极管整流模块输出预设的直流电压，直接向负载供电，通过选取电池组串联组数，使电池组的端电压低于该预设直流电压，丛而电池组不输出电流，DCDC模块处于停机状态，不消耗电能。

当电网电压过低，从而二极管整流模块输出低于预设值时，启动DCDC模块，使其工作于升压状态，并通过pwm调制，使其输出电压稳定在一个预设电压值，此时负载由电池组存储的电能通过DCDC模块供电，而二极管整流模块由于电压低而自动停止输出电流。

当电网电压瞬间跌落时，二极管整流模块输出电压则瞬间降低，当其低于电池组电压时，通过控制半导体开关器件，使DCDC模块延时启动，待电池组通过所述DCDC模块中半导体开关器件的反向并联二极管向负载供电后，再启动DCDC模块，使其工作于升压状态，并通过pwm调制，使其输出电压高于电池组电压、并稳定在一个预设电压值。从电网电压瞬间跌落到电池组通过DCDC模块的反向并联二极管向负载供电、期间无需控制干预，是通过电路自动实现，因此可自动保证供电的不间断。

本发明的一种不间断直流供电装置的控制方法，其还包括如下步骤：

当两路中的一路直流电（Udc）发生故障失电时，断开该路的DCDC模块输出开关（2），闭合跨接于该两路直流电的双向开关（3），使得故障路的负载得以切换至另一路直流电，保持继续不间断供电状态。通过该方法，使双路直流供电互为备份，进一步提高了供电的可靠性。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种不间断直流供电装置，其特征在于，其包括：

多个供电变压器（1），其输入端连接高压电网，对电网电压做隔离及降压变换；

多个二极管整流模块，连接所述变压器副边侧，将所述变压器输出的低压交流电整流为直流电（Udc）；

多个电池组，用于存储电能，当电网失电时，向负载提供电能；

多个充电模块，其输入端与所述直流电（Udc）连接，其输出端连接电池组，所述充电模块向蓄电池组进行充电，向其补充电能；

多个DCDC模块，其一端与通过直流开关（2）与所述直流电（Udc）连接，其另一端连接电池组，当电网失电时，所述电池组的电能由DCDC模块经过变换、或经过其内部二极管，向负载不间断提供电能；

多个双向开关（3），所述双向开关跨接于两路直流电（Udc）间，当其中一路直流电失电时，可闭合所述双向开关，由另一路直流电实现不间断供电。

2.根据权利要求1所述的一种不间断直流供电装置，其特征在于，所述供电变压器（1）是三相变压器，其每相原边绕组有多个分接抽头，通过切换分接抽头，可调节变压器变比，从而实现调节变压器副边电压的功能。

3.根据权利要求1所述的一种不间断直流供电装置，其特征在于，所述供电变压器（1）是副边绕组采用移相绕法的移相变压器，所述移相变压器包含多个独立的三相副边绕组，每个所述三相副边绕组电气隔离，所述多个独立三相副边绕组的移相角在0-60度角度内均匀分布；通过移相变压器为整流电路供电，可大幅度降低原边电网的谐波含量及提升功率因数。

4.根据权利要求1所述的一种不间断直流供电装置，其特征在于，所述的二极管整流模块包括多个三相整流桥，每个三相整流桥的三个输入端分别与所述供电变压器（1）的三相输出端连接，每个三相整流桥的两个输出端并联连接，形成总的输出直流电（Udc）。

5.根据权利要求1所述的一种不间断直流供电装置，其特征在于，所述的DCDC模块是升降压斩波电路，其包括：

一个或多个电感（4），其与所述电池组一的端连接，用于降低电池组的纹波电流；

一个或多个桥臂（5），每个桥臂包括两个串联连接的半导体开关器件，桥臂中点连接所述电感（4），桥臂负端连接电池的负端，而桥臂的正端是输出正端，所述半导体开关器件是逆导型，即每个半导体开关器件包含有反向并联连接的二极管（6）；

通过对所述半导体开关器件的pwm调制，DCDC模块可实现使电池组向直流电（Udc）提供电力，同时，当直流电（Udc）电压低于电池组电压时，电池组可直接向直流电（Udc）供电。

6.根据权利要求1所述的一种不间断直流供电装置，其特征在于，所述的双向开关（3）是机械式开关，如接触器、断路器。

7.根据权利要求1所述的一种不间断直流供电装置，其特征在于，所述的双向开关（3）由半导体开关器件组成，其包括两个反串联连接的逆导型半导体开关器件。

8.一种不间断直流供电装置的控制方法，其特征在于，所述装置包括多个供电变压器（1）、多个二极管整流模块、多个电池组、多个充电模块、多个DCDC模块、多个双向开关（3）；所述控制方法包括：

当电网电压正常时，通过预设匝比的供电变压器（1），所述二极管整流模块输出预设的直流电压，直接向负载供电，而此时电池组的电压低于预设值，不输出电流，DCDC模块处于停机状态；

当电网电压过低，从而二极管整流模块输出电压低于预设值时，启动DCDC模块，使其工作于升压状态，并通过pwm调制，使其输出电压稳定在一个预设电压值，此时负载由电池组存储的电能供电，而电网停止供电；

当电网电压瞬间跌落时，二极管整流模块输出电压则瞬间降低，当其低于电池组电压时，DCDC模块延时启动，待电池组通过所述DCDC模块中半导体开关器件的反向并联二极管向负载供电后，再启动DCDC模块，使其工作于升压状态，并通过pwm调制，使其输出电压高于电池组电压、并稳定在一个预设电压值。

9.一种不间断直流供电装置的控制方法，其特征在于，其还包括：

当两路中的一路直流电（Udc）发生故障失电时，断开该路的DCDC模块输出开关（2），闭合跨接于该两路直流电的双向开关（3），使得故障路的负载得以切换至另一路直流电，保持继续不间断供电状态。

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