CN115733233A - 电能转换系统 - Google Patents

Abstract

本公开关于一种电能转换系统，连接于电网及负载之间，电能转换系统包含电池、第一变流器、第二变流器以及直流/直流转换器，第一变流器电性连接于电网及电池之间，以于电网正常运行时选择性地将电网所提供的输入电能转换为第一充电电能至电池，第二变流器电性连接于电网及负载，以于电网正常运行时将输入电能转换为输出电能至负载，直流/直流转换器电性连接于电池及第二变流器之间，直流/直流转换器于电网异常时将电池所储存的储能电能转换为备用电能至第二变流器，而第二变流器将备用电能转换为输出电能至负载。

Description

电能转换系统

技术领域

本公开关于一种电能转换系统，特别涉及一种不间断电源系统与储能 系统共用电池的电能转换系统。

背景技术

随着半导体工业的大力发展，作为耗能大户的半导体生产厂商逐渐开 始配置储能系统(Power Conditioning System,PCS)，同时，半导体厂商通 常会为关键负载配备不间断电源系统(Uninterrupted Power System，UPS)。 如图1所示，传统电能转换系统1’的储能系统2’通过一储能变流器21’与电 网3’连接，且储能系统2’具有储能电池22’，以接收并储存电网3’所提供的 电能，并且储能电池22’的电能也可反馈至电网3’；传统电能转换系统1’ 的不间断电源系统4’通过一不间断电源变流器41’连接于电网3’及负载L’ 之间，且具有不间断电源电池42’，于电网3’正常时，负载L’由电网3’进行 供电，而于电网3’异常时，则由不间断电源系统4’的不间断电源电池42’ 供电。因此，传统包含储能系统2’及不间断电源系统4’的电能转换系统1’ 中，具有两个独立运行的电池。由于电池的价格十分昂贵，且在一定寿命 后需进行更换，因此使得传统的电能转换系统2’的设备成本较高且维护电 能转换系统的生命周期的更换成本亦较高。

因此，如何发展一种克服上述缺点的电能转换系统，实为目前迫切的 需求。

发明内容

本公开的目的在于提供一种电能转换系统，其具有成本较低的优势。

为达上述目的，本公开的一较广实施方式为提供一种电能转换系统， 连接于电网及负载之间，电能转换系统包含电池、第一变流器、第二变流 器以及直流/直流转换器。第一变流器电性连接于电网及电池之间，以于电 网正常运行时选择性地将电网所提供的输入电能转换为第一充电电能至电 池。第二变流器电性连接于电网及负载，以于电网正常运行时将电网所提 供的输入电能转换为输出电能至负载。直流/直流转换器电性连接于电池及 第二变流器之间，直流/直流转换器于电网异常时将电池所储存的储能电能 转换为备用电能至第二变流器，而第二变流器将备用电能转换为输出电能 至负载。

为达上述目的，本公开的另一较广实施方式为提供一种电能转换系统， 连接于第一电网、第二电网及负载之间，电能转换系统包含电池、第一变 流器以及第二变流器。第一变流器电性连接于第一电网及电池之间，以于 第一电网正常运行时选择性地将第一电网所提供的第一输入电能转换为第 一充电电能至电池。第二变流器电性连接于第二电网及负载，以于第二电 网正常运行时将第二电网所提供的第二输入电能转换为输出电能至负载。 电池与第二变流器电性耦接，以于第二电网异常时，由电池提供一备用电 能至第二变流器，而第二变流器将备用电能转换为输出电能至负载。

附图说明

图1为传统电能转换系统的电路拓扑图。

图2为本公开第一实施例的电能转换系统的电路拓扑图。

图3为本公开第二实施例的电能转换系统的电路拓扑图。

图4为本公开第三实施例的电能转换系统的电路拓扑图。

图5为本公开第四实施例的电能转换系统的电路拓扑图。

附图标记说明：

1’：传统电能转换系统

2’：储能系统

21’：储能变流器

22’：储能电池

3’：电网

4’：不间断电源系统

41’：不间断电源变流器

42’：不间断电源电池

L’：负载

1、1a、1b、1c：电能转换系统

2：电网

21：第一电网

22：第二电网

L：负载

3：电池

4：第一变流器

5：第二变流器

51：第一级转换器

52：第二级转换器

53：旁路支路

6：直流/直流转换器

7：能量管理单元

具体实施方式

体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。 应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离 本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用于 限制本公开。

请参阅图2，其为本公开第一实施例的电能转换系统的电路拓扑图。如 图2所示，本实施例的电能转换系统1电连接于电网2及负载L之间，且 电能转换系统1于电网2正常运行时将电网2所提供的输入电能进行转换 并得到输出电能传输至负载L。电能转换系统1包含电池3、第一变流器4、 第二变流器5及直流/直流转换器6。电池3为充电电池，且电池3的电压 匹配于电网2的电压，即当电网2的电压较高时，电能转换系统1需配置 电压较高的电池3，当电网2的电压较低时，电能转换系统1则可配置电压 较低的电池3，此外，电池3为直流电池，一个优选的实施例中，电池3的 电压介于1000V至1500V之间，且电池3可为但不限为锂离子电池，因锂 离子电池相较于铅酸电池，前者的寿命更长，无需定期更换，提升了系统 的可维护性。

第一变流器4可为但不限为储能变流器，且电性连接于电网2及电池3 之间，第一变流器4于电网2正常运行时选择性地将电网2所提供的输入 电能转换为第一充电电能，并提供第一充电电能至电池3，以对电池3充电， 其中选择性一词的涵义为当电网2正常运行，且除了供电给负载L外，还 有多余电能供应电池3时，如果需要对电池3进行充电，则第一变流器4 可将输入电能转换为第一充电电能。而当电网2正常运行但无多余电能供 应电池3时，第一变流器4则不转换输入电能为第一充电电能，而后续所 提及的选择性具有同样的涵义，不再赘述。于一些实施例中，第一变流器4 为双向变流器，因此第一变流器4除了可转换电网2提供的输入电能为第 一充电电能至电池3外，第一变流器4还可转换电池3的储能电能为反馈 电能，并将反馈电能反馈至电网2，使得第一变流器4可达到服务电网2及 支撑电网2的功能，例如通过第一变流器4可以实现有功及无功功率补偿、 自动调节频率、自动调节电压及支撑动态电网电压等功能。

在本实施例中，第二变流器5可为但不限为不间断电源变流器，且直 接地电性连接于电网2及负载L之间，第二变流器5于电网2正常运行时 将电网2所提供的输入电能转换为输出电能，并提供该输出电能至负载L。 直流/直流转换器6电性连接于电池3及第二变流器5之间，直流/直流转换 器6于电网2异常时将电池3所储存的储能电能转换为备用电能至第二变 流器5，以使得直流/直流转换器6所输出的备用电能的电压匹配于第二变 流器5所需的电压，而第二变流器5则进一步转换备用电能为输出电能至 负载L。

于一些实施例中，于电网2正常运行，且电网2除了供电给负载L外， 还有多余电能供应电池3时，如果电池3需要充电，则第二变流器5便转 换电网2所提供的输入电能为第二充电电能至直流/直流转换器6，而直流/ 直流转换器6进一步转换第二充电电能至电池3，以对电池3充电，因此电 池3可经由第一变流器4所提供的第一充电电能及/或第二变流器5所提供 的第二充电电能进行充电。于一些实施例中，当电网2异常且电池3的电 能无法提供给第二变流器5以转换为输出电能时，图2所示的实施例中的 电能转换系统1将处于关机状态。

由上可知，本公开的电能转换系统1包含单一的电池3、第一变流器4 及第二变流器5，利用第一变流器4既可以对电池3充电，又可以对电网2 实现调压调频、有功/无功功率补偿以及动态电压支撑等功能，且第二变流 器5利用同一个电池3达到于电网2异常时的不间断供电功能，故可知相 较于传统电能转换系统包含两个独立运行的电池，以分别应用于储能系统 及不间断电源系统中，本公开的电能转换系统1具有设备成本较低且更换 成本较低的优势，且电能转换系统1的可维护性大大提升。此外，本公开 的电能转换系统1的第一变流器4将电网2的电能转换至电池3，使得电池 3储存充电电能而可具有较长的放电时间，因此当电网2异常时，本公开的 电能转换系统1可具有较长的备用放电时间以对负载L进行供电。

请参阅图3，其为本公开第二实施例的电能转换系统的电路拓扑图。如 图3所示，相较于图2所示的电能转换系统1连接于单一电网2，本实施例 的电能转换系统1a连接于两个电网，即图3所示的第一电网21及第二电 网22，并且第一电网21与第二电网22的电压值(例如电压有效值或电压 幅值)可以相同，也可以不相同。第一电网21于正常运行时提供第一输入 电能，其中第一输入电能可为但不限为交流电，且一个优选的实施例中， 其电压介于480Vac至690Vac之间，而第二电网22于正常运行时提供第二 输入电能，其中第二输入电能可为但不限为交流电，且优选的，其电压介 于380Vac至480Vac之间。于本实施例中，电池3的电压匹配于第一电网 21的电压，即代表当第一电网21的电压较高时，电能转换系统1a需配置 电压较高的电池3，当第一电网21的电压较低时，电能转换系统1a则可配 置电压较低的电池3，例如当第一电网21的第一输入电能为交流电且其电 压为480Vac时，电池3为直流电池且其电压为1000Vdc，而当第一电网21 的第一输入电能为交流电且其电压为690Vac时，电池3为直流电池且其电 压为1500Vdc，借此电能转换系统1a达到高功率密度及效率优化的优势。

于本实施例中，第一变流器4电性连接于第一电网21及电池3之间， 第一变流器4于第一电网21正常运行时选择性地转换第一电网21所提供 的第一输入电能为第一充电电能，并提供第一充电电能至电池3，以对电池 3充电。于一些实施例中，第一变流器4为双向变流器，因此第一变流器4 除了可转换第一输入电能为第一充电电能至电池3外，第一变流器4还可 转换电池3所储存的储能电能为反馈电能，并将反馈电能反馈至第一电网21。

第二变流器5直接地电性连接于第二电网22及负载L，第二变流器5 于第二电网22正常运行时转换第二电网22所提供的第二输入电能为输出 电能，并提供该输出电能至负载L。直流/直流转换器6电性连接于电池3 及第二变流器5之间，直流/直流转换器6于第二电网22异常时转换电池3 所储存的储能电能为备用电能至第二变流器5，以使得直流/直流转换器6 所输出的备用电能的电压匹配于第二变流器5所需的电压，而第二变流器5 进一步转换备用电能为输出电能至负载L。

于一些实施例中，于第二电网22正常运行，且第二电网2除了供电给 负载L外，还有多余电能供应电池3时，第二变流器5还可转换第二电网 22所提供的第二输入电能为第二充电电能至直流/直流转换器6，而直流/ 直流转换器6进一步转换第二充电电能至电池3，以对电池3充电，因此电 池3可经由第一变流器4所提供的第一充电电能及/或第二变流器5所提供 的第二充电电能进行充电，因此即使第一电网21或第二电网22中的其中 之一电网异常，亦可使用正常运行的另一电网进行供电，故本实施例的电 能转换系统1a更具有可靠性提升的优势。

请参阅图4，其为本公开第三实施例的电能转换系统的电路拓扑图。如 图4所示，相较于图3所示的电能转换系统1a，本实施例的电能转换系统 1b还包含能量管理单元7，耦接于电池3、第一变流器4及第二变流器5， 能量管理单元7获取反映电池3剩余电量的电量信息，且能量管理单元7 具有预设的电量阈值，例如电池3电量的30％，其中当能量管理单元7依 据所获取的电量信息而确认电池3剩余电量小于或等于电量阈值时，能量 管理单元7控制第一变流器4转换第一电网21所提供的第一输入电能为第 一充电电能，以根据第一充电电能对电池3充电，使得电池3至少具备一 定水准的电量，例如大于电量阈值。

此外，能量管理单元7更具有预设的转换条件。当转换条件未成立时， 能量管理单元7控制第一变流器4转换第一电网21所提供的第一输入电能 为第一充电电能，以根据第一充电电能对电池3充电。而当转换条件成立 时，能量管理单元7控制第一变流器4转换电池3所储存的储能电能为反 馈电能至第一电网21。通过转换条件的设定，能量管理单元7便可根据转 换条件控制电池3经由第一变流器4进行充电或放电，例如转换条件为处 于日间的时间区间。因此，当能量管理单元7检测到处于夜晚的时间区间 时，能量管理单元7控制第一变流器4转换第一电网21所提供的第一输入 电能为第一充电电能，以根据第一充电电能对电池3充电，此时由于电网 在夜晚的时间区间的电价普遍较低，而可以较低的成本对电池3充电。而 当能量管理单元7检测到处于日间的时间区间时，能量管理单元7控制第 一变流器4转换电池3所储存的储能电能为反馈电能至第一电网21，由于 电网在日间的时间区间的电价普遍较高，故在此时将电池3的电能回馈给 电网，以获取较高的贩电利润。

在另外一些实施例中，能量管理单元7还可与直流/直流转换器6耦接 (图中未示出)，例如，建立与直流/直流转换器6的通信连接等。当第二电 网22异常时，通过直流/直流转换器6将电池3的储能电能转换为备用电能 至第二变流器5，继而由能量管理单元7控制第二变流器5将备用电能转换 为输出电能并传输至负载L。当第二电网22正常运行时，能量管理单元7 控制第二变流器5将第二电网22提供的第二输入电能转换为输出电能至负 载L。而当第二电网22正常运行，且满足预设的条件时，例如当第一变流 器4正在用于电网服务且电池3剩余电量小于或等于电量阈值时，能量管 理单元7还控制第二变流器5将第二电网22提供的一部分第二输入电能转 换为第二充电电能至直流/直流转换器6，继而通过直流/直流转换器6将第 二充电电能转换为与电池3相匹配的电能(例如，与电池3的充电电压相 匹配)并输出至电池3，以对电池3进行充电。

于一些实施例中，能量管理单元7更具有显示界面及参数设计输入端， 以与使用者进行信息传递，其中显示界面用以显示电池3内剩余电量的电 量信息、转换条件或其他关于电能转换系统1b中所需的参数，参数设计输 入端则用以设定电池3内剩余电量的电量信息、电量阈值、转换条件或其 他关于电能转换系统1b中所需的参数。

请参阅图5，其为本公开第四实施例的电能转换系统的电路连接结构图， 如图5所示，本实施例的电能转换系统1c的第一变流器4为双向交流/直流 变流器(AC/DC变流器)，第二变流器5包括并联连接的主变换支路以及旁 路支路53。其中，主变换支路包括两级转换器，即第一级转换器51及第二 级转换器52，其中第一级转换器51例如为交流/直流转换器(AC/DC转换 器)，第二级转换器52例如为直流/交流转换器(DC/AC转换器)，第一级 转换器51的交流端与旁路支路53的一端以及电网2电连接，第一级转换 器51的直流端与直流/直流转换器6的一端以及第二级转换器52的直流端 电连接，第二级转换器52的交流端电连接至旁路支路53的另一端以及负 载L。旁路支路53可包含例如但不限于一旁路开关。

进一步地，能量管理单元7可以分别与旁路支路53、第一级转换器51 以及第二级转换器52相耦接。具体地，于电网2正常运行时，能量管理单 元7既可以通过控制旁路支路53的导通或关断实现电网2对负载L的直接 高效供电，也可以通过控制第一级转换器51以及第二级转换器52的工作 状态，来实现电网2对负载L的供电；并且当满足预设的条件时，能量管 理单元7还可以通过控制第一级转换器51，实现电网2对电池3充电的功 能。于电网2异常时，能量管理单元7可以控制旁路支路53断开，并且控 制第一级转换器51停止工作，进一步通过控制第二级转换器52的工作状 态以实现电池3对负载L的供电。此外，能量管理单元7对第一变流器4 的控制方式类似于图4，不做重复说明。

值得注意的是，图5所示的实施例同样可以应用于两个电网的情况， 即第一变流器4的交流侧电性连接至第一电网，第二变流器5的交流侧电 性连接至第二电网，并且根据实际应用场合，第一电网与第二电网的电压 值可以相同，也可以不相同。其技术效果均已经在上文中描述，此处不再 赘述。

综上所述，本公开的电能转换系统包含单一的电池、第一变流器及第 二变流器，利用第一变流器既可以对电池充电，又可以对电网实现调压调 频、有功/无功功率补偿以及动态电压支撑等功能，且第二变流器利用同一 个电池达到于电网异常时的不间断供电功能，故可知本公开的电能转换系 统具有设备成本较低且更换成本较低的优势，且电能转换系统的可维护性 大大提升。此外，本公开的电能转换系统的第一变流器将电网的电能转换 至电池，使得电池储存第一充电电能而可具有较长的放电时间，因此当电 网异常时，本公开的电能转换系统可具有较长的备用放电时间以对负载进 行供电。

Claims (15)

1.一种电能转换系统，连接于一电网及一负载之间，其中该电能转换系统包含：

一电池；

一第一变流器，电性连接于该电网及该电池之间，以于该电网正常运行时选择性地将该电网所提供的一输入电能转换为一第一充电电能至该电池；

一第二变流器，电性连接于该电网及该负载，以于该电网正常运行时将该电网所提供的该输入电能转换为一输出电能至该负载；以及

一直流/直流转换器，电性连接于该电池及该第二变流器之间，该直流/直流转换器于该电网异常时将该电池所储存的一储能电能转换为一备用电能至该第二变流器，而该第二变流器将该备用电能转换为该输出电能至该负载。

2.如权利要求1所述的电能转换系统，其中该第一变流器为双向变流器，该第一变流器更将该电池所储存的该储能电能转换为一反馈电能至该电网。

3.如权利要求1所述的电能转换系统，其中该第二变流器将该输入电能转换为一第二充电电能至该直流/直流转换器，而该直流/直流转换器对该第二充电电能进行转换并输出至该电池，以对该电池充电。

4.如权利要求1所述的电能转换系统，其中该电池为锂离子电池。

5.如权利要求1所述的电能转换系统，其中该第二变流器包含一交流/直流转换器以及一直流/交流转换器，该交流/直流转换器的交流侧与该电网电性连接，该交流/直流转换器的直流侧与该直流/交流转换器的直流侧以及该直流/直流转换器的一侧电性连接，并且该直流/交流转换器的交流侧电性连接于该负载。

6.一种电能转换系统，连接于一第一电网、一第二电网及一负载之间，其中该电能转换系统包含：

一电池；

一第一变流器，电性连接于该第一电网及该电池之间，以于该第一电网正常运行时选择性地将该第一电网所提供的一第一输入电能转换为一第一充电电能至该电池；以及

一第二变流器，电性连接于该第二电网及该负载，以于该第二电网正常运行时将该第二电网所提供的一第二输入电能转换为一输出电能至该负载；

其中，该电池与该第二变流器电性耦接，以于该第二电网异常时，由该电池提供一备用电能至该第二变流器，而该第二变流器将该备用电能转换为该输出电能至该负载。

7.如权利要求6所述的电能转换系统，其中该电能转换系统进一步包含：

一直流/直流转换器，电性连接于该电池及该第二变流器之间，该直流/直流转换器用于在该第二电网异常时将该电池储存的一储能电能转换为该备用电能至该第二变流器。

8.如权利要求7所述的电能转换系统，其中该第一变流器为双向变流器，该第一变流器更将该电池所储存的该储能电能转换为一反馈电能至该第一电网。

9.如权利要求7所述的电能转换系统，其中该第二变流器更将该第二输入电能转换为一第二充电电能至该直流/直流转换器，而该直流/直流转换器对该第二充电电能进行转换并输出至该电池，以对该电池充电。

10.如权利要求7所述的电能转换系统，其中该电能转换系统还包含一能量管理单元，耦接于该电池、该第一变流器及该第二变流器，以获取反映该电池的剩余电量的一电量信息，且该能量管理单元具有预设的一电量阈值，该能量管理单元依据该电量信息确认该电池的剩余电量小于或等于该电量阈值时，控制该第一变流器将该第一输入电能转换为该第一充电电能至该电池。

11.如权利要求7所述的电能转换系统，其中该电能转换系统还包含一能量管理单元，耦接于该电池、该第一变流器及该第二变流器，且该能量管理单元具有预设的一转换条件，当该转换条件未成立时，该能量管理单元控制该第一变流器将该第一输入电能转换为该第一充电电能，以根据该第一充电电能对该电池充电；当转换条件成立时，该能量管理单元控制该第一变流器将该电池所储存的该储能电能转换为一反馈电能至该第一电网。

12.如权利要求10或11所述的电能转换系统，其中，该能量管理单元还耦接至该直流/直流转换器。

13.如权利要求7所述的电能转换系统，其中，该电池为锂离子电池。

14.如权利要求7所述的电能转换系统，其中该第一电网的电压值与该第二电网的电压值不相同。

15.如权利要求7所述的电能转换系统，其中该第二变流器包含一交流/直流转换器以及一直流/交流转换器，该交流/直流转换器的交流侧与该电网电性连接，该交流/直流转换器的直流侧与该直流/交流转换器的直流侧以及该直流/直流转换器的一侧电性连接，并且该直流/交流转换器的交流侧电性连接于该负载。

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