CN113422363A - 一种智慧型并联直流电源管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智慧型并联直流电源管理系统，应用于并联直流电源系统，所述并联直流电源系统包括交流进线切换电路、并联电源组件、直流母线、DC/DC变换模块、过载续流电路、直流断路器和馈线回路；所述管理系统包括：交流监测模块、并联电源变换模块、直流采集模块、馈线检测模块和总监控模块；其效果是：通过改变蓄电池之间的连接方式，利用设有的并联电源变换模块，从而构建出并联型直流电源系统，进而避免现有技术中，单节劣化影响整组的性能输出、难以在线进行蓄电池组全容量核容等问题；同时，本实施例可实现的智能化系统管理，也可减少操作人员所需的部分繁琐操作相应的充电时间，进而实现效率的提升。

Description

一种智慧型并联直流电源管理系统

技术领域

本发明涉及直流电源系统技术领域，具体涉及一种智慧型并联直流电源管理系统。

背景技术

在变电站直流操作电源系统中，现有的直流电源系统蓄电池组为串联连接方式。串联型蓄电池组存在诸多问题，包括单节劣化影响整组性能、难以在线进行蓄电池组全容量核容、不同品牌的蓄电池无法混用等；这是由于串联结构充放电回路电流一致，如果蓄电池存在较大差异，则必然会产生过度充电或过度放电现象，急速缩短电池寿命，因此需要保持蓄电池个体间性能参数严格一致。但是，即使同一品牌不同批次的蓄电池也难以达到这种一致性，并且在运行过程中蓄电池个体差异不可避免地会扩大，难以人为控制。从而导致个体问题影响整体的输出。

发明内容

针对现有技术中的技术缺陷，本发明实施例的目的在于提供一种智慧型并联直流电源管理系统，以克服现有技术中，由于蓄电池的个体差异化所导致的影响整体输出的缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种智慧型并联直流电源管理系统，应用于并联直流电源系统，所述并联直流电源系统包括交流进线切换电路、并联电源组件、直流母线、DC/DC变换模块、过载续流电路、直流断路器和馈线回路；所述管理系统包括：

交流监测模块，用于监测双路三相交流输入电压、电流，监测交流接触器状态，并根据监测的交流输入电压自动完成双路交流输入的自动切换，实现双路交流互为备用供电；

并联电源变换模块，用于根据交流输入提供稳定的直流输出电压至直流母线带载；其中，一个并联电源变换模块与一个蓄电池串连接，组成所述并联电源组件，多个所述并联电源组件的直流高压输出端并联形成所述直流母线；

直流采集模块，用于实时在线监测直流母线电压、电流；

馈线检测模块，用于实时在线监测直流馈线回路的漏电流、馈线开关的分合状态、故障脱扣状态，以及为馈线漏电流监测的传感器提供电源；

总监控模块，用于获取所述交流监控模块、并联电源变换模块、直流采集模块和馈线检测模块所得到的信息，并以此进行智能化系统管理。

优选的，所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，还包括并联电源监控模块，所述并联电源监控模块用于对所述并联电源变换模块进行实时在线监测和控制管理，并对每个并联电源变换模块、蓄电池的实时运行状态、参数进行监测，以及对蓄电池的在线核容与均流管理。

优选的，在线核容时，需要同时满足以下条件：

系统交流输入正常；

蓄电池处于浮充电阶段；

直流系统的负荷能满足核容所需的最小负载；

如果核容后报低于80％标称容量告警。

优选的，在核容过程中交流掉电，则该并联电源监控模块维持核容至结束，核容过程中遇到不满足条件，跳转后继续核容；该模块核容完成后立刻转均充，均充完成后处于浮充，可通过监控导出核容数据。

优选的，并联电源组件中的智能模块可对每节蓄电池单体进行精细化管理，具体包括：电池充放电管理、定时均浮充管理、温度补偿、容量监测和各种完善保护；当并联电源变换模块与监控连接失效状态下，按默认参数对电池进行管理；与监控连接有效状态下，按监控设置参数进行电池管理。

优选的，系统利用母线上负载，通过监控控制所述并联电源变换模块，逐一实现对各个蓄电池按照通用的0.1C10标准进行放电，实现自动在线全容量核容。

优选的，所述均流管理具体包括：

各并联电源变换模块之间通过CAN总线进行信息交互，并采用一主多从方式，从而调节各个模块电压的幅值，最终实现模块均流；其中，主模块可以确定模块个数，并计算平均电流，然后下发平均电流给各从模块；从模块调节本模块电压，进行均流，主模块只进行运算，不进行均流，而从模块全部调节好电流后，剩余的电流自然就分配给主模块了。

优选的，均流时，首先判断电路是否处于过流状态，若处于过流状态，则进行软启动，并得出主、从模块的电压电流以及均流比例。

优选的，均流控制时，所述主模块与所述从模块之间做以下参数设置：

初始设置时，所述主模块占空比大于从模块，主从电流从初始状态电流不对称开始调节；

所述主模块的调节速率小于从模块的调节速率；

所述主模块的比例积分系数小于从模块的比例积分系数；

所述主模块进行限流设置。

与现有技术相比，实施本发明实施例，具有以下优点：

通过改变蓄电池之间的连接方式，利用设有的并联电源变换模块，从而构建出并联型直流电源系统，进而避免现有技术中，单节劣化、个体差异化影响整组的性能输出、难以在线进行蓄电池组全容量核容等问题；同时，本实施例可实现的智能化系统管理，也可减少操作人员所需的部分繁琐操作相应的充电时间，进而实现效率的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例提供的一种智慧型并联直流电源管理系统的组成框图；

图2是本发明实施例提供的一种智慧型并联直流电源管理系统的的结构示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，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，都属于本发明保护的范围。

请参考图1、图2，本发明实施例提供的一种智慧型并联直流电源管理系统，应用于并联直流电源系统，所述并联直流电源系统包括交流进线切换电路、并联电源组件、直流母线、DC/DC变换模块、过载续流电路、直流断路器和馈线回路；

所述管理系统包括：

交流监测模块，用于监测双路三相交流输入电压、电流，监测交流接触器状态，并根据监测的交流输入电压自动完成双路交流输入的自动切换，实现双路交流互为备用供电；

并联电源变换模块，用于根据交流输入提供稳定的直流输出电压至直流母线带载；其中，一个并联电源变换模块与一个蓄电池串连接，组成所述并联电源组件，多个所述并联电源组件的直流高压输出端并联形成所述直流母线；

直流采集模块，用于实时在线监测直流母线电压、电流；

馈线检测模块，用于实时在线监测直流馈线回路的漏电流、馈线开关的分合状态、故障脱扣状态，以及为馈线漏电流监测的传感器提供电源；

总监控模块，用于获取所述交流监控模块、并联电源变换模块、直流采集模块和馈线检测模块所得到的信息，并以此进行智能化系统管理。

从图2可以看出，并联型直流电源系统基本结构为：单个12V蓄电池(串)与一台并联型电源变换模块相连，组成一个并联电源组件，类似的多组件模块的直流高压输出端并联形成直流电源母线。系统中的并联型电源变换模块由一个AC/DC整流电路、一个蓄电池充电DC/DC降压电路、一个蓄电池放电DC/DC升压电路等组成，专用DSP(Digital SignalProcessing,数字信号处理)芯片进行采集、计算和控制。

并联直流电源组件中智能模块可对每节蓄电池单体进行精细化管理，具体包括：电池充放电管理、定时均浮充管理、温度补偿、容量监测、各种完善保护等。当并联电源模块与监控连接失效状态下，按默认参数对电池进行管理；与监控连接有效状态下，按监控设置参数进行电池管理；从而实现相应的智慧管理。

在另一实施例中，所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，还包括并联电源监控模块，所述并联电源监控模块用于对所述并联电源变换模块进行实时在线监测和控制管理，并对每个并联电源变换模块、蓄电池的实时运行状态、参数进行监测，以及对蓄电池的在线核容与均流管理。

具体地，所述均流管理具体包括：

各并联电源变换模块之间通过CAN总线进行信息交互，并采用一主多从方式，从而调节各个模块电压的幅值，最终实现模块均流；其中，主模块可以确定模块个数，并计算平均电流，然后下发平均电流给各从模块；从模块调节本模块电压，进行均流，主模块只进行运算，不进行均流，而从模块全部调节好电流后，剩余的电流自然就分配给主模块了；利用采用的CAN总线数字均流法，可以提高各模块的平均寿命，在交流事故下还可以改善各电池放电时间的一致性。

应用时，各模块均通过RS485串行接口将检测的信息传送给系统的总监控模块，作为总监控模块管理系统和处理故障告警的依据，总监控模块与各并联电源变换模块可分别设置相应的监控，例如采用监控屏。

正常运行方式下，交流AC220V通过并联型电源变换模块AC/DC电路后输出至直流母线带载，输出电流通过均流CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线控制，实现负荷电流在各组件之间平均分配；交流电源通过充电DC/DC降压电路对模块下连接的单个蓄电池(串)进行充电管理；同时每个组件的单个蓄电池(串)通过放电DC/DC电路升压后与整流AC/DC电路输出并联。由于整流AC/DC电路通过二极管输出的电压比放电DC/DC电路输出电压略高，正常运行时由整流AC/DC电路带载，而交流供电中断时能实现放电DC/DC电路无切换带载。

需要说明的是，由于并联直流系统中，所有电流均需要通过并联电源变换模块输出，因此存在模块保护与外部保护电器配合问题。目前解决这个问题主要通过两个方面：并联电源变换模块过载输出特性；外部串联蓄电池过载续流电路。

利用并联型直流电源系统中各支路电池与交直流母线及其他支路电池完全隔离的结构，以低于直流母线电压的多只12V电池串联，通过放电二极管、保护熔断器与直流母线连接。串联蓄电池组只具有对直流母线的放电通路。正常运行时，由具有稳压功能的并联电源模块带载；当系统负荷过载或发生短路故障时，仍然由并联电源模块提供电流，如直流母线电压拉低到串联电池组电压，则同时由串联电池组提供续流。

进一步地，系统利用母线上负载，通过监控控制所述并联电源变换模块，逐一实现对各个蓄电池按照通用的0.1C10(10小时放电率)标准进行放电，实现自动在线全容量核容。

系统投运后核对性放电功能默认为关闭，可通过监控模块的遥控界面启动该功能。通过监控可以设置手动启动或自动状态，在核容过程中交流掉电，该模块维持核容至结束，核容过程中遇到不满足条件，跳转后继续核容。模块核容完成后立刻转均充，均充完成后处于浮充，并可以通过监控导出核容数据。

其中，核容控制方式可通过相应的监控屏与模块通讯，实现对各模块在线核容命令下发，利用直流系统在线负荷，逐一实现对各个蓄电池的在线核容。

同时，在线核容时，需要同时满足以下条件：

系统交流输入正常；

蓄电池处于浮充电阶段；

直流系统的负荷能满足核容所需的最小负载；

如果核容后报低于80％标称容量告警。

应用时，为应对蓄电池更换的情况，在需要更换时，会进行告警提醒；更换好蓄电池后，点击监控屏界面的告警信息，告警消失，并会重新下发核容命令对更换后的蓄电池进行核容；而不更换蓄电池时，可通过界面修改核容基准时间及点击界面的告警信息，实现信号复归。

进一步地，该系统利用母线上负载，通过监控控制并联电源变换模块，实现对各个蓄电池内阻测试，并在测试完成后显示在模块的参数界面。

上述方案，通过改变蓄电池之间的连接方式，利用设有的并联电源变换模块，从而构建出并联型直流电源系统，进而避免现有技术中，单节劣化影响整组的性能输出、难以在线进行蓄电池组全容量核容等问题；同时，本实施例可实现的智能化系统管理，也可减少操作人员所需的部分繁琐操作相应的充电时间，进而实现效率的提升。

进一步地，并联运行需要均流的主要原因是，由于模块输出是电压源性质，输出电压的微小偏差会导致输出电流的很大差别，如果不均流就会导致模块无法合理地分配系统负载。通过均流可以提高各模块的平均寿命。

但在均流的实施过程中，为应对主模块出现故障或是系统启动的瞬间，电流误差处于最大时，可能带来的故障，进而影响各模块平均寿命的问题，在另一实施例中，在上述方案的基础上，对均流管理的过程中进行如下改进：

均流时，首先判断电路是否处于过流状态，若处于过流状态，则进行软启动，并得出主、从模块的电压电流以及均流比例；并可关断相应电路的电源和脉冲驱动信号。

由于在调节过程中，均流的稳定性与精度主要取决于主、从模块的速率和各模块的PID参数，因此，所述主模块与所述从模块之间做以下参数设置：

初始设置时，所述主模块占空比大于从模块，主从电流从初始状态电流不对称开始调节；

所述主模块的调节速率小于从模块的调节速率，从而克服初始电流不匹配的情况；

所述主模块的比例积分系数小于从模块的比例积分系数；需要说明的是，

为了降低不同厂家蓄电池的差异性对调节稳定性的影响，降低瞬态调节过程中电流的不匹配度，在各模块的PID设置过程中，又遵循以下标准，包括设置较低的比例系数和较高的积分环节系数，并在积分环节，设置对应的饱和上下限。

所述主模块进行限流设置，从而避免在电路刚启动时，主模块负载过重的情况。

通过以上措施对主从控制进行优化、调整，降低并联电源主从控制中主模块出现故障和系统瘫痪的概率。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智慧型并联直流电源管理系统，应用于并联直流电源系统，其特征在于，所述并联直流电源系统包括交流进线切换电路、并联电源组件、直流母线、DC/DC变换模块、过载续流电路、直流断路器和馈线回路；所述管理系统包括：

交流监测模块，用于监测双路三相交流输入电压、电流，监测交流接触器状态，并根据监测的交流输入电压自动完成双路交流输入的自动切换，实现双路交流互为备用供电；

并联电源变换模块，用于根据交流输入提供稳定的直流输出电压至直流母线带载；其中，一个并联电源变换模块与一个蓄电池串连接，组成所述并联电源组件，多个所述并联电源组件的直流高压输出端并联形成所述直流母线；

直流采集模块，用于实时在线监测直流母线电压、电流；

馈线检测模块，用于实时在线监测直流馈线回路的漏电流、馈线开关的分合状态、故障脱扣状态，以及为馈线漏电流监测的传感器提供电源；

总监控模块，用于获取所述交流监控模块、并联电源变换模块、直流采集模块和馈线检测模块所得到的信息，并以此进行智能化系统管理。

2.如权利要求1所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，其特征在于，还包括并联电源监控模块，所述并联电源监控模块用于对所述并联电源变换模块进行实时在线监测和控制管理，并对每个并联电源变换模块、蓄电池的实时运行状态、参数进行监测，以及对蓄电池的在线核容与均流管理。

3.如权利要求2所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，其特征在于，在线核容时，需要同时满足以下条件：

系统交流输入正常；

蓄电池处于浮充电阶段；

直流系统的负荷能满足核容所需的最小负载；

如果核容后报低于80％标称容量告警。

4.如权利要求3所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，其特征在于，在核容过程中交流掉电，则该并联电源监控模块维持核容至结束，核容过程中遇到不满足条件，跳转后继续核容；该模块核容完成后立刻转均充，均充完成后处于浮充，可通过监控导出核容数据。

5.如权利要求4所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，其特征在于，并联电源组件中的智能模块可对每节蓄电池单体进行精细化管理，具体包括：电池充放电管理、定时均浮充管理、温度补偿、容量监测和各种完善保护；当并联电源变换模块与监控连接失效状态下，按默认参数对电池进行管理；与监控连接有效状态下，按监控设置参数进行电池管理。

6.如权利要求4所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，其特征在于，系统利用母线上负载，通过监控控制所述并联电源变换模块，逐一实现对各个蓄电池按照通用的0.1C10标准进行放电，实现自动在线全容量核容。

7.如权利要求2所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，其特征在于，所述均流管理具体包括：

各并联电源变换模块之间通过CAN总线进行信息交互，并采用一主多从方式，从而调节各个模块电压的幅值，最终实现模块均流；其中，主模块可以确定模块个数，并计算平均电流，然后下发平均电流给各从模块；从模块调节本模块电压，进行均流，主模块只进行运算，不进行均流，而从模块全部调节好电流后，剩余的电流自然就分配给主模块了。

8.如权利要求7所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，其特征在于，均流时，首先判断电路是否处于过流状态，若处于过流状态，则进行软启动，并得出主、从模块的电压电流以及均流比例。

9.如权利要求8所述的一种智慧型并联直流电源管理系统，其特征在于，均流控制时，所述主模块与所述从模块之间做以下参数设置：

初始设置时，所述主模块占空比大于从模块，主从电流从初始状态电流不对称开始调节；

所述主模块的调节速率小于从模块的调节速率；

所述主模块的比例积分系数小于从模块的比例积分系数；

所述主模块进行限流设置。

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