CN115118000A - 一种具有双向变流功能的储能式应急电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双向变流功能的储能式应急电源，涉及储能式应急电源技术领域；包括蓄电池组BAT、双向变流器DB、变压器BY、切换接触器KM1和KM2以及断路器QF和QFA；通过配置两个切换接触器KM1和KM2，其中切换接触器KM1与市电连接，切换接触器KM2与蓄电池连接；在市电压力较小时，闭合切换接触器KM1与切换接触器KM2，开启并网整流模式对蓄电池充电；在市电压力较大时，断开切换接触器KM1，开启离网逆变模式，使用充好电的蓄电池对负载进行供电；有效提高了应急电源设备的使用效率。

Description

一种具有双向变流功能的储能式应急电源

技术领域

本发明属于储能式应急电源领域，涉及电子电路技术，具体是一种具有双向变流功能的储能式应急电源。

背景技术

现在广泛应用的储能电源，一般是应用于电网侧，其电路原理图如图2所示。储能变流器作为储能系统直流侧与交流母线侧的连接桥梁，可以实现储能系统电能的吸收和释放。储能变流器具有的优势是根据实际应用场景的需求，实现电能的双向流动。当储能变流器工作在放电模式时，变流器把直流侧电能变换稳定的、谐波含量少的交流电流，通过三相交流母线向负载提供电能或者反馈回电网；当储能变流器工作于充电模式，变流器把三相交流母线的电能变换成稳定的直流电能给储能电池充电，从储能电源的基本工作原理可见，储能变流器是面向电网侧的，不是面向负载侧的，不能直接带载；

因此，提出一种具有双向变流功能的储能式应急电源。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有双向变流功能的储能式应急电源，该一种具有双向变流功能的储能式应急电源通过配置两个切换接触器KM1和KM2，其中切换接触器KM1与市电连接，切换接触器KM2与蓄电池连接；在市电压力较小时，闭合切换接触器KM1与切换接触器KM2，开启并网整流模式对蓄电池充电；在市电压力较大时，断开切换接触器KM1，开启离网逆变模式，使用充好电的蓄电池对负载进行供电；有效提高了应急电源设备的使用效率。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种具有双向变流功能的储能式应急电源，包括蓄电池组BAT、双向变流器DB、变压器BY、切换接触器KM1和KM2以及断路器QF和QFA；

其中，蓄电池组BAT与双向变流器DB连接；双向变流器同时与变压器BY连接；变压器BY与切换接触器KM2连接；切换接触器KM2与断路器QF连接；进一步的，断路器QF连接有负载；断路器QF与切换接触器KM1连接；切换接触器KM1与断路器QFA连接；所述负载为市内用电设备；

当市电电压处于常规水平时，闭合切换接触器KM1与断路器QFA，直接向负载供电；通过闭合切换接触器KM2，市电的交流电能经过变压器BY，双向变流器DB工作于并网整流模式，将市电的交流电能变换成直流电能，向蓄电池组BAT进行充电储能；

当市电电压处于高峰期，供电能力不足时，断开切换接触器KM1，闭合切换接触器KM2，双向变流器DB工作于离网逆变模式，将蓄电池组BAT变换成交流电能，直接由蓄电池组BAT向负载供电；

如图2所示，为双向变流功能的储能式应急电源在并网整流模式下的控制系统框图；包括Gw(s)、Gn(s)、电压检测模块与充电电流检测模块、PWM以及功率模块；

If为蓄电池组的实际充电电流；Ii为蓄电池组的理论充电电流；Uf为蓄电池组的电压；Gw(s)为电压调节器、Gn(s)为电流调节器；Gw(s)和Gn(s)分别通过PI传递函数获得；具体的，PI传递函数计算公式为：

Gw(s)＝K1p+K1p/s；

Gn(s)＝K2p+K2p/s；

Gw(s)、Gn(s)、PWM以及功率模块依次连接；充电电流检测模块检测Gw(s)、Gn(s)、PWM以及功率模块之间的电流；电压检测模块检测Gn(s)、PWM以及功率模块之间的电压；

当锁定市电频率与相位后，市电在电压380±20V区间时，变流器开始工作；变流器的控制器通过电压检测模块与充电电流检测模块不断检测蓄电池组的充电电流和电压，控制功率模块输出的PWM脉宽，将市电交流电能转换为直流电能，向蓄电池组稳定充电；为实现变流器具有好的输出特性，变流器的控制策略采用电压与电流双环负反馈控制，调整PWM波形，使储能式应急电源在并网整流模式输出稳定的电流；

如图3所述，为双向变流功能的储能式应急电源在离网逆变模式下的控制系统框图；包括Gw(s)、Gn(s)、输出电压检测模块与输出电流检测模块、PWM信号调节以及功率模块；

其中If为蓄电池组的实际充电电流；Ui为蓄电池组的理论充电电流；Uf为蓄电池组的电压；Gw(s)为电压调节器、Gn(s)为电流调节器；Gw(s)和Gn(s)分别通过PI传递函数获得；具体的，PI传递函数计算公式为：

Gw(s)＝K1p+K1p/s；

Gn(s)＝K2p+K2p/s；

Gn(s)、Gw(s)、PWM信号以及功率模块依次连接；输出电流检测模块检测Gw(s)、PWM信号以及功率模块之间的电流；输出电压检测模块检测Gn(s)、Gw(s)、PWM信号以及功率模块之间的电压；

当需要蓄电池组向负载放电时，变流器的控制器通过输出电压检测模块与输出电流检测模块不断检测变流器输出电流和电压，并控制功率模块输出的PWM脉宽，将蓄电池组直流电能转换为交流电能，向负载供电；为实现变流器具有好的输出特性，变流器的控制策略采用电压与电流双环负反馈控制，调整PWM波形，使储能式应急电源在离网逆变模式输出稳频稳压的交流电源；

将一天划分为高峰、平段、低谷时间段；各个时间段对应于市电的峰谷电价机制所划分的时间段；即应急与储能装置的控制系统，在市电的低谷时，开启装置，向蓄电池存储电能；在市电的高峰时，开启装置，向负载释放电能；

具体的，在各个时间段，双向变流功能的储能式应急电源的工作模式包括以下方式：

方式1：在时段：06：00-10：00；处于市电供电模式；

此时市电电压正常，交流接触器KM1闭合，市电向负载供电；这时双向变流器DB停止工作，交流接触器KM2断开；

方式2：在时段：10：00–16：00；处于释能供电模式；

此时在市电的尖峰时段，交流接触器KM1断开，市电停止向负载供电；双向变流器DB运行，工作于离网逆变模式，将蓄电池组BAT变换成交流电能，交流接触器KM2闭合，向负载供电；

方式3：在时段16：00-22：00；处于市电供电模式；

当蓄电池电压低于欠压电压，则双向变流器DB停止逆变运行，交流接触器KM2断开，交流接触器KM1闭合，转入市电供电状态，继续给负载供电；

方式4：在时段22：00-6：00；处于储能模式；

在市电的峰谷时段，市电电压正常，进入充电模式，闭合交流接触器KM2，市电的交流电能经过变压器BY，双向变流器DB工作于并网整流模式，将市电的交流电能变换成直流电能，向蓄电池组BAT充电；同时交流接触器KM1闭合，市电向负载供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过配置两个切换接触器KM1和KM2，其中切换接触器KM1与市电连接，切换接触器KM2与蓄电池连接；在市电压力较小时，闭合切换接触器KM1与切换接触器KM2，开启并网整流模式对蓄电池充电；在市电压力较大时，断开切换接触器KM1，开启离网逆变模式，使用充好电的蓄电池对负载进行供电；有效提高了应急电源设备的使用效率。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明在并网整流模式下的控制系统框图；

图3为本发明在离网逆变模式下的控制系统框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种具有双向变流功能的储能式应急电源，包括蓄电池组BAT、双向变流器DB、变压器BY、切换接触器KM1和KM2以及断路器QF和QFA；

其中，蓄电池组BAT与双向变流器DB连接；双向变流器同时与变压器BY连接；变压器BY与切换接触器KM2连接；切换接触器KM2与断路器QF连接；进一步的，断路器QF连接有负载；断路器QF与切换接触器KM1连接；切换接触器KM1与断路器QFA连接；所述负载为市内用电设备；

在一个优选的实施例中，市电通过断路器QFA与切换接触器KM1向负载供电；

因此，当市电电压处于常规水平时，闭合切换接触器KM1与断路器QFA，直接向负载供电；通过闭合切换接触器KM2，市电的交流电能经过变压器BY，双向变流器DB工作于并网整流模式，将市电的交流电能变换成直流电能，向蓄电池组BAT进行充电储能；

当市电电压处于高峰期，供电能力不足时，断开切换接触器KM1，闭合切换接触器KM2，双向变流器DB工作于离网逆变模式，将蓄电池组BAT变换成交流电能，直接由蓄电池组BAT向负载供电；

即双向变流功能的储能式应急电源具有并网整流模式和离网逆变模式两种模式；

双向变流功能的储能式应急电源的内部有市电电压、输出电压、蓄电池电压、输出电流检测；

如图2所示，为双向变流功能的储能式应急电源在并网整流模式下的控制系统框图；包括Gw(s)、Gn(s)、电压检测模块与充电电流检测模块、PWM以及功率模块；

其中If为蓄电池组的实际充电电流；Ii为蓄电池组的理论充电电流；Uf为蓄电池组的电压；Gw(s)为电压调节器、Gn(s)为电流调节器；Gw(s)和Gn(s)分别通过PI传递函数获得；具体的，PI传递函数计算公式为：

Gw(s)＝K1p+K1p/s；

Gn(s)＝K2p+K2p/s；

Gw(s)、Gn(s)、PWM以及功率模块依次连接；充电电流检测模块检测Gw(s)、Gn(s)、PWM以及功率模块之间的电流；电压检测模块检测Gn(s)、PWM以及功率模块之间的电压；

当锁定市电频率与相位后，市电在电压380±20V区间时，变流器开始工作；变流器的控制器通过电压检测模块与充电电流检测模块不断检测蓄电池组的充电电流和电压，控制功率模块输出的PWM脉宽，将市电交流电能转换为直流电能，向蓄电池组稳定充电；为实现变流器具有好的输出特性，变流器的控制策略采用电压与电流双环负反馈控制，调整PWM波形，使储能式应急电源在并网整流模式输出稳定的电流；

如图3所述，为双向变流功能的储能式应急电源在离网逆变模式下的控制系统框图；包括Gw(s)、Gn(s)、电压检测模块与输出电流检测模块、PWM信号调节以及功率模块；

其中If为蓄电池组的实际充电电流；Ui为蓄电池组的理论充电电流；Uf为蓄电池组的电压；Gw(s)为电压调节器、Gn(s)为电流调节器；Gw(s)和Gn(s)分别通过PI传递函数获得；具体的，PI传递函数计算公式为：

Gw(s)＝K1p+K1p/s；

Gn(s)＝K2p+K2p/s；

Gn(s)、Gw(s)、PWM信号以及功率模块依次连接；输出电流检测模块检测Gw(s)、PWM信号以及功率模块之间的电流；输出电压检测模块检测Gn(s)、Gw(s)、PWM信号以及功率模块之间的电压；

当需要蓄电池组向负载放电时，变流器的控制器通过输出电压检测模块与输出电流检测模块不断检测变流器输出电流和电压，并控制功率模块输出的PWM脉宽，将蓄电池组直流电能转换为交流电能，向负载供电；为实现变流器具有好的输出特性，变流器的控制策略采用电压与电流双环负反馈控制，调整PWM波形，使储能式应急电源在离网逆变模式输出稳频稳压的交流电源；

可以理解的是，并网整流模式是在市电电压处于常规水平时触发的；离网逆变模式是在市电电压处于高峰期，供电能力不足时触发的；为了进一步确定并网整流模式与离网逆变模式触发的时间段；将一天划分为高峰、平段、低谷时间段；各个时间段对应于市电的峰谷电价机制所划分的时间段；即应急与储能装置的控制系统，在市电的低谷时，开启装置，向蓄电池存储电能；在市电的高峰时，开启装置，向负载释放电能；

具体的，在各个时间段，双向变流功能的储能式应急电源的工作模式包括以下方式：

方式1：在时段：06：00-10：00；处于市电供电模式；

此时市电电压正常，交流接触器KM1闭合，市电向负载供电；这时双向变流器DB停止工作，交流接触器KM2断开；

方式2：在时段：10：00–16：00；处于释能供电模式；

此时在市电的尖峰时段，交流接触器KM1断开，市电停止向负载供电；双向变流器DB运行，工作于离网逆变模式，将蓄电池组BAT变换成交流电能，交流接触器KM2闭合，向负载供电；

方式3：在时段16：00-22：00；处于市电供电模式；

当蓄电池电压低于欠压电压，则双向变流器DB停止逆变运行，交流接触器KM2断开，交流接触器KM1闭合，转入市电供电状态，继续给负载供电；

方式4：在时段22：00-6：00；处于储能模式；

在市电的峰谷时段，市电电压正常，进入充电模式，闭合交流接触器KM2，市电的交流电能经过变压器BY，双向变流器DB工作于并网整流模式，将市电的交流电能变换成直流电能，向蓄电池组BAT充电；同时交流接触器KM1闭合，市电向负载供电。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (6)

1.一种具有双向变流功能的储能式应急电源，其特征在于，包括蓄电池组BAT、双向变流器DB、变压器BY、切换接触器KM1和KM2以及断路器QF和QFA；

其中，蓄电池组BAT与双向变流器DB连接；双向变流器同时与变压器BY连接；变压器BY与切换接触器KM2连接；切换接触器KM2与断路器QF连接；断路器QF连接有负载；断路器QF与切换接触器KM1连接；切换接触器KM1与断路器QFA连接；

当市电电压处于电压380±20V时，闭合切换接触器KM1与断路器QFA，直接向负载供电；通过闭合切换接触器KM2，市电的交流电能经过变压器BY，双向变流器DB工作于并网整流模式；

当市电电压处于高峰期，供电能力不足时，断开切换接触器KM1，闭合切换接触器KM2，双向变流器DB工作于离网逆变模式；

在并网整流模式下，市电的交流电能变换成直流电能，向蓄电池组BAT进行充电储能；

在离网逆变模式下，将蓄电池组BAT变换成交流电能，直接由蓄电池组BAT向负载供电；

将一天划分为高峰、平段、低谷时间段；各个时间段对应于市电的峰谷电价机制所划分的时间段；在市电的低谷时，开启并网整流模式；在市电的高峰时，开启离网逆变模式。

2.根据权利要求1所述的一种具有双向变流功能的储能式应急电源，其特征在于，所述并网整流模式包括Gw(s)、Gn(s)、电压检测模块与充电电流检测模块、PWM以及功率模块；

If为蓄电池组的实际充电电流；Ii为蓄电池组的理论充电电流；Uf为蓄电池组的电压；Gw(s)为电压调节器调节的数值、Gn(s)为电流调节器调节的数值；Gw(s)和Gn(s)分别通过PI传递函数获得；PI传递函数计算公式为：

Gw(s)＝K1p+K1p/s；

Gn(s)＝K2p+K2p/s；

Gw(s)、Gn(s)、PWM以及功率模块依次连接；充电电流检测模块检测Gw(s)、Gn(s)、PWM以及功率模块之间的电流；电压检测模块检测Gn(s)、PWM以及功率模块之间的电压。

3.根据权利要求1所述的一种具有双向变流功能的储能式应急电源，其特征在于，所述并网整流模式下对蓄电池充电的方式为：当锁定市电频率与相位后，市电在电压380±20V区间时，变流器开始工作；变流器的控制器通过电压监测模块与充电电流检测模块不断检测蓄电池组的充电电流和电压，控制功率模块输出的PWM脉宽，将市电交流电能转换为直流电能，向蓄电池组稳定充电。

4.根据权利要求1所述的一种具有双向变流功能的储能式应急电源，其特征在于，所述离网逆变模式包括Gw(s)、Gn(s)、输出电压检测模块与输出电流检测模块、PWM信号调节以及功率模块；

If为蓄电池组的实际充电电流；Ui为蓄电池组的理论充电电流；Uf为蓄电池组的电压；Gw(s)为电压调节器、Gn(s)为电流调节器；Gw(s)和Gn(s)分别通过PI传递函数获得；PI传递函数计算公式为：

Gw(s)＝K1p+K1p/s；

Gn(s)＝K2p+K2p/s；

Gn(s)、Gw(s)、PWM信号以及功率模块依次连接；输出电流检测模块检测Gw(s)、PWM信号以及功率模块之间的电流；输出电压检测模块检测Gn(s)、Gw(s)、PWM信号以及功率模块之间的电压。

5.根据权利要求1所述的一种具有双向变流功能的储能式应急电源，其特征在于，所述离网逆变模式向负载供电的方式为：变流器的控制器通过输出电压检测模块与输出电流检测模块不断检测变流器输出电流和电压，并控制功率模块输出的PWM脉宽，将蓄电池组直流电能转换为交流电能，向负载供电。

6.根据权利要求1所述的一种具有双向变流功能的储能式应急电源，其特征在于，在所述高峰、平段、低谷时段内，双向变流功能的储能式应急电源的工作模式包括以下方式：

方式1：在时段：06：00-10：00；处于市电供电模式；

此时市电电压正常，交流接触器KM1闭合，市电向负载供电；这时双向变流器DB停止工作，交流接触器KM2断开；

方式2：在时段：10：00–16：00；处于释能供电模式；

此时在市电的尖峰时段，交流接触器KM1断开，市电停止向负载供电；双向变流器DB运行，工作于离网逆变模式，将蓄电池组BAT变换成交流电能，交流接触器KM2闭合，向负载供电；

方式3：在时段16：00-22：00；处于市电供电模式；

当蓄电池电压低于欠压电压，则双向变流器DB停止逆变运行，交流接触器KM2断开，交流接触器KM1闭合，转入市电供电状态，继续给负载供电；

方式4：在时段22：00-6：00；处于储能模式；

在市电的峰谷时段，市电电压正常，进入充电模式，闭合交流接触器KM2，市电的交流电能经过变压器BY，双向变流器DB工作于并网整流模式，将市电的交流电能变换成直流电能，向蓄电池组BAT充电；同时交流接触器KM1闭合，市电向负载供电。

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