CN116488316A - 一种在线核容直流电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线核容直流电源系统，通过将12V压蓄电池与变换器结合形成等电压输出组件，并联组成在线核容直流电源系统，且其输入电源为两路三相交流电源，其中一路出现故障时可以自动切换到另一路输入供电，交流异常后，等电压输出组件即时承载保证输出电压不间断。因此，本发明实施例是将交流220V和12V蓄电池同时转换为直流高压输出，以提高在线核容直流电源系统供电可靠性；能够对单节12V蓄电池进行精细化充放电管理和实时在线检测，完全避免蓄电池串联使用时受单只蓄电池影响的短板效应，提升蓄电池利用率，解决单节蓄电池故障影响整组蓄电池充放电问题，利用在线核容功能，实现蓄电池核容能量再利用，避免传统核容方式带来的发热问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备监测技术领域，尤其涉及一种在线核容直流电源系统。
背景技术
目前500kV站直流系统采用集中式布置，每套常规直流系统由整流模块、绝缘监测、蓄电池组、蓄电池巡检仪、监控系统等器件构成。系统中蓄电池组通过54只2V蓄电池串联达到DC110V电压，与充电机组输出端并联于直流母线上，通过直流馈线开关为直流负荷提供可靠性稳定的直流电源，以下简称为串联型直流电源系统。
串联型直流电源系统的蓄电池组主要存在以下问题有：(1)蓄电池串行连接，单一电池故障造成整个蓄电池组无法输出，直流母线存在开路风险，且新旧电池不能混用，即单节蓄电池开路影响直流母线带载，系统可靠性难以保证；(2)串联型蓄电池组无法利用母线负载分批次在线核容，通过人工方式进行核容会耗费大量人力，蓄电池运维工作量大、耗时长，运维不便；(3)串联型直流电源系统核容时，采用核容放电仪进行，此仪器以发热形式损耗蓄电池组能量，存在核容时容量无法再利用问题；(4)串联型直流电源系统用于500kV站时，若用于分区域的分布式直流系统场景时，则每个区域的一段直流母线蓄电池组需要配置54只2V蓄电池串联达到DC110V电压，500kV站要求直流双母线布置，整体使用电池节数较多。因此，如何提高直流电源系统供电可靠性迫在眉睫。
发明内容
本发明提供一种在线核容直流电源系统，利用电力电子高频变换技术将12V压蓄电池与变换器结合形成等电压输出组件，通过组件并联组成直流系统，且直流系统输入电源为两路三相交流电源，其中一路出现故障时可以自动切换到另一路输入供电，以提高在线核容直流电源系统供电可靠性。
为了实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种在线核容直流电源系统，包括：
交流互投装置、若干个电力电子变换集成单元、输出直流配控单元、系统监控单元和系统直流母线；
所述交流互投装置，用于将输入两路三相交流电源送到所述电力电子变换单元；
所述电力电子变换集成单元，用于对所接的12V蓄电池进行检测管理以及提供高压直流输出，包括变换装置及所述12V蓄电池，所述变换装置包括AC/DC变换器、DC/DC变换器、充电移相全桥DC/DC变换器，升压移相全桥DC/DC变换器、核容用DC/AC变换器，DSP智能管理单元及相关外围电路；
所述输出直流配控单元，用于将所述高压直流输出提供给负载；
所述系统监控单元，用于对所述电力电子变换集成单元进行遥控操作和运维测试；
所述系统直流母线与所述电力电子变换集成单元连接。
本发明中，所述电力电子变换集成单元具有交流端口、蓄电池端口和高压直流输出端口，所述蓄电池端口和高压直流输出端口通过升压变换单元的高频变压器进行隔离，所述蓄电池端口和交流端口通过充电变换单元的高频变压器进行隔离。
具体的，所述输入两路三相交流电源经过所述AC/DC变换器形成内部直流母线；
所述内部直流母线通过所述DC/DC变换器经过储能滤波电路和逆止二极管输出DC115V，经所述高压直流输出端口形成对外输出直流母线；
所述内部直流母线经过所述充电移相全桥DC/DC变换器给所述12V蓄电池充电；
所述12V蓄电池经过所述升压DC/DC变换器输出DC110V经过所述储能滤波电路及逆止二极管与所述高压直流输出端口并联。
本发明中，所述DSP智能管理单元用于控制所述AC/DC变换器、DC/DC变换器、充电移相全桥DC/DC变换器，升压移相全桥DC/DC变换器、核容用DC/AC变换器，采用RS485通讯电路实现所述电力电子变换集成单元与上位机的通信，采用CAN通讯实现所述电力电子变换集成单元之间的通信，通过均流单元电路并结合通信实现多个所述电力电子变换集成单元并联应用时各个所述电力电子变换集成单元对外直流母线均流带载；
所述DSP智能管理单元，用于采集所述12V蓄电池的电压、电流及所述12V蓄电池负极柱温度，实现对各个所述12V蓄电池单独进行温度补偿。
本发明中，所有所述12V蓄电池互相电气隔离。
本发明中，所述电力电子变换集成单元对所述12V蓄电池进行检测管理，具体为：
所述电力电子变换集成单元对所述12V蓄电池进行充放电管理、检测蓄电池运行状态、在线检测蓄电池电池容量和内阻。
具体的，所述相关外围电路包括均流单元电路、储能滤波电路和通信电路。
具体的，所述电力电子变换集成单元对所述12V蓄电池进行在线检测蓄电池电池容量的过程，具体为：
通过系统监控单元下发核容指令给到所述电力电子变换集成单元，所述电力电子变换集成单元收到所述核容指令后；
通过关闭所述充电移相DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器，启动所述核容用DC/AC变换器，把所述12V蓄电池的能量升压耦合至交流母线侧；
调整所述核容用DC/AC变换器的输出电压确保所述交流母线承担相应负荷，所调整的负荷至所述蓄电池端的数值大小是I10，直至所述12V蓄电池设定的终止电压点停止放电；
开启所述充电移相DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器，并同步关闭所述核容用DC/AC变换器，让所述12V蓄电池进入充电阶段；
利用所述DSP智能管理单元采集所述12V蓄电池的放电电流，根据电池对时间的积分算法统计放电容量，实现对所述12V蓄电池的核容容量计算，且通过所述DSP智能管理单元把核容数据和结果实时上传至所述系统监控单元并保存。
与现有技术相比，本发明实施例公开的一种在线核容直流电源系统，通过利用电力电子高频变换技术将12V压蓄电池与变换器结合形成等电压输出组件，通过组件并联组成在线核容直流电源系统，且在线核容直流电源系统输入电源为两路三相交流电源，其中一路出现故障时可以自动切换到另一路输入供电，交流异常后，升压移相全桥DC/DC变换器即时承载保证输出电压不间断。因此，本发明实施例是将交流220V和12V蓄电池同时转换为直流高压输出，以提高在线核容直流电源系统供电可靠性；电力电子变换集成单元对单节12V蓄电池进行精细化充放电管理和实时在线检测，完全避免蓄电池串联使用时因单只蓄电池的参数差异引起的过充、过放等情况对蓄电池寿命的损害，使蓄电池实际使用寿命相对串联使用时大大提高，即完全避免蓄电池串联使用时受单只蓄电池影响的短板效应，提升蓄电池利用率，解决单节蓄电池故障影响整组蓄电池充放电问题，利用在线核容功能，实现蓄电池核容能量再利用，避免传统核容方式带来的发热问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电力电子变换集成单元的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种在线核容直流电源系统的结构框图。
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作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。
需要说明的是，本发明的术语“包括”和“具体”以及他们的任何变形，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、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
请参阅图2，图2是本发明实施例提供的一种在线核容直流电源系统的结构框图，所述线核容直流电源系统包括交流互投装置、若干个电力电子变换集成单元、输出直流配控单元、系统监控单元和系统直流母线；
所述交流互投装置，用于将输入两路三相交流电源送到所述电力电子变换单元；
所述电力电子变换集成单元，用于对所接的12V蓄电池进行检测管理以及提供高压直流输出，包括变换装置及所述12V蓄电池，所述变换装置包括AC/DC变换器、DC/DC变换器、充电移相全桥DC/DC变换器，升压移相全桥DC/DC变换器、核容用DC/AC变换器，DSP智能管理单元及相关外围电路；
所述输出直流配控单元，用于将所述高压直流输出提供给负载；
所述系统监控单元，用于对所述电力电子变换集成单元进行遥控操作和运维测试；
所述系统直流母线与所述电力电子变换集成单元连接。
具体的，所述电力电子变换集成单元具有交流端口、蓄电池端口和高压直流输出端口，所述蓄电池端口和高压直流输出端口通过升压变换单元的高频变压器进行隔离，所述蓄电池端口和交流端口通过充电变换单元的高频变压器进行隔离。
具体的，所述DSP智能管理单元用于控制所述AC/DC变换器、DC/DC变换器、充电移相全桥DC/DC变换器，升压移相全桥DC/DC变换器、核容用DC/AC变换器，采用RS485通讯电路实现所述电力电子变换集成单元与上位机的通信，采用CAN通讯实现所述电力电子变换集成单元之间的通信，通过均流单元电路并结合通信实现多个所述电力电子变换集成单元并联应用时各个所述电力电子变换集成单元对外直流母线均流带载；
所述DSP智能管理单元，用于采集所述12V蓄电池的电压、电流及所述12V蓄电池负极柱温度，实现对各个所述12V蓄电池单独进行温度补偿。
示例的，升压移相全桥DC/DC变换器的工作状态受DSP智能管理单元控制，如可以通过关闭AC/DC变换器实现对12V蓄电池放电，通过间断调整升压移相全桥DC/DC变换器输出电压，脱离在线核容直流电源系统的均流控制，根据12V蓄电池不同容量下电力电子变换集成单元放电带载数值不同，用于对12V蓄电池在线核对性放电，以便检测蓄电池的容量。
本实施例中，所有所述12V蓄电池互相电气隔离。
本实施例中，所述电力电子变换集成单元对所述12V蓄电池进行检测管理，具体为：
所述电力电子变换集成单元对所述12V蓄电池进行充放电管理、检测蓄电池运行状态、在线检测蓄电池电池容量和内阻。
示例的，在线核容直流电源系统应用时，实现对电池容量检测过程，通过系统监控单元下发核容指令给到电力电子变换集成单元，电力电子变换集成单元接收指令后，通过关闭充电移相DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器，启动核容用DC/AC变换器，把12V蓄电池的能量升压耦合至交流母线侧，通过调整核容用DC/AC变换器的输出电压确保交流母线承担相应负荷，调整的负荷刚好保证蓄电池端是I10数值大小，直至12V蓄电池设定的终止电压点停止放电，同时开启充电移相DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器，并同步关闭核容用DC/AC变换器，让12V蓄电池进入均充电阶段，整个过程DSP智能管理单元采集放电电流，利用电池对时间的积分算法统计放电容量，实现对核容容量的计算，同时DSP智能管理单元把核容容量实时上传系统监控单元，最终在系统监控单元保存核容数据和结果。
电力电子变换集成单元对电池内阻检测，在12V蓄电池处于浮充状态下，系统监控单元下发内阻检测指令给到电力电子变换集成单元，电力电子变换集成单元接收指令后，关闭AC/DC变换器，转入升压移相全桥DC/DC变换器带载，同时DC/DC变换器断开均流，电力电子变换集成单元微调输出电压抢系统直流母线上的负荷，刚好抢至系统直流母线额定负载，放电维持时间5秒，到达时间后测量12V蓄电池的单体电压和放电电流，然后停止放电，等待3秒，再次测量单体电压，至此12V蓄电池内阻测试完成，通过同一时间采集的12V蓄电池的电压除以电流值，得出内阻相对数值，完成对12V蓄电池在线内阻测试，以便检测12V蓄电池的健康状态。
本实施例中，所述相关外围电路包括均流单元电路、储能滤波电路和通信电路。
本实施例中，所述电力电子变换集成单元对所述12V蓄电池进行在线检测蓄电池电池容量的过程，具体为：
通过系统监控单元下发核容指令给到所述电力电子变换集成单元，所述电力电子变换集成单元收到所述核容指令后；
通过关闭所述充电移相DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器，启动所述核容用DC/AC变换器，把所述12V蓄电池的能量升压耦合至交流母线侧；
调整所述核容用DC/AC变换器的输出电压确保所述交流母线承担相应负荷，所调整的负荷至所述蓄电池端的数值大小是I10，直至所述12V蓄电池设定的终止电压点停止放电；
开启所述充电移相DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器，并同步关闭所述核容用DC/AC变换器，让所述12V蓄电池进入充电阶段；
利用所述DSP智能管理单元采集所述12V蓄电池的放电电流，根据电池对时间的积分算法统计放电容量，实现对所述12V蓄电池的核容容量计算，且通过所述DSP智能管理单元把核容数据和结果实时上传至所述系统监控单元并保存。
在具体实施例当中，分三个区域的分布式并联直流电源系统，每个区域双母线配置，系统输入为两路三相交流电源(带N线)，交流互投装置检测输入交流的参数，在其中一路出现故障时自动切换到另一路输入供电，N线不参与投切，交流互投装置将输入交流电源分别送到每个电力电子变换集成单元。电力电子变换集成单元(含12V蓄电池)的内部示意如图1所示，包括变换装置及12V蓄电池，所述变换装置包括AC/DC变换器、DC/DC变换器、充电移相全桥DC/DC变换器，升压移相全桥DC/DC变换器、核容用DC/AC变换器，DSP智能管理单元及相关外围电路。
当输入两路三相交流电源正常时，即220VAC正常时，经过AC/DC变换器形成内部直流母线，内部直流母线经过DC/DC变换器经过储能滤波电路和逆止二极管输出DC115V，经输出端口形成对外输出直流母线；内部直流母线经过充电移相全桥DC/DC变换器给12V蓄电池充电，保证蓄电池处于满容量后备用，12V蓄电池经过升压移相全桥DC/DC变换器输出DC110V经过储能滤波电路及逆止二极管与DC115V输出端口并联，并且DC115V优先带载，DC110V处于待机备用状态，当交流异常或者DC/DC变换器故障导致DC115V输出电压异常，DC110V即时承载保证输出不间断，同时DSP智能管理单元调整升压DC/DC变换器输出电压，跟随所述在线核容直流电源系统其它输出的对外直流母线电压。在交流输入正常下，DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器构成1+1冗余备份结构，提升对外直流母线的可靠性。DC/DC变换器、充电移相全桥DC/DC变换器，升压移相全桥DC/DC变换器均是通过内部变压器实现隔离变换，即各变换器的输入和输出隔离，12V蓄电池与交流输入端、对外直流母线端均是隔离的，当12V蓄电池异常不影响交流输入端，不影响对外直流母线端，相当于把故障因子限制在电力电子变换集成单元内部，避免对其它电力电子变换集成单元和在线核容直流电源系统的影响。当输入两路三相交流电源异常时，升压移相全桥DC/DC变换器即时承载保证输出电压不间断。
需要说明的是，多个电力电子变换集成单元的对外输出直流母线都接到系统直流母线，实现电力电子变换集成单元的并联运行，形成并联在线核容直流电源系统。系统直流母线，经输出直流配控单元后分为多路输出送到不同的负载端。系统监控单元接收在线核容直流电源系统中各电力电子变换集成单元上报的内容、显示电力电子变换集成单元的电量参数和运行状态，并对各电力电子变换集成单元的工作进行必要的控制，包括核对性放电控制，内阻测试控制。
在线核容直流电源系统应用时每个电力电子变换集成单元有2个变换器(DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器)并联，提升在线核容直流电源系统直流母线供电可靠性，电力电子变换集成单元内部变换器输入输出隔离，确保了一节12V蓄电池异常不影响系统直流母线，实现蓄电池故障隔离，提升在线核容直流电源系统的可靠性。
需要说明的是，并联在线核容直流电源系统在交流不停电的情况下，由系统监控单元定期下发控制命令逐一对电力电子变换集成单元进行全容量放电，核容放电是把蓄电池的能量通过升压移相全桥DC/DC变换器带载消纳，是利用在线核容直流电源系统上的负荷进行消纳，电力电子变换集成单元启动核容时此单元退出在线核容直流电源系统的均流带载模式，同时通过微调此单元输出电压，抢母线上的负载实现带载消纳，母线负载为在线核容直流电源系统上经常性负载，核容时仅需12×0.1C÷U直流母线额定电压值数值大小负荷，通常比正常负荷小很多，系统直流母线上核容电力电子变换集成单元以外的负载由其它非核容状态的电力电子变换集成单元均分承载，利用系统直流母线进行核容，相比于常规核容放电仪，起到节能环保作用。
以系统直流母线为DC115V，电力电子变换集成单元配置12V/200Ah电池为例，核容需要的负载大小为：12×20÷115＝2.08A，配置12V/200Ah的直流母线负荷超过10A，每个电力电子变换集成单元核容节省电度：12V×200Ah＝2400VAh,即2.4度电，电力电子变换集成单元组成的在线核容直流电源系统，核容节省电度可观。通过系统监控单元控制每个电力电子变换集成单元独立对12V蓄电池进行核容放电，实现对蓄电池在线核容，可以实时检测蓄电池容量，对比常规直流人工核容，充放电利用蓄电池的能量，同时减轻运维工作量。
综上所述，本发明实施例公开了一种在线核容直流电源系统，通过利用电力电子高频变换技术将12V压蓄电池与变换器结合形成等电压输出组件，通过组件并联组成在线核容直流电源系统，且在线核容直流电源系统输入电源为两路三相交流电源，其中一路出现故障时可以自动切换到另一路输入供电，交流异常后，升压移相全桥DC/DC变换器即时承载保证输出电压不间断。因此，本发明实施例是将交流220V和12V蓄电池同时转换为直流高压输出，以提高在线核容直流电源系统供电可靠性；电力电子变换集成单元对单节12V蓄电池进行精细化充放电管理和实时在线检测，完全避免蓄电池串联使用时因单只蓄电池的参数差异引起的过充、过放等情况对蓄电池寿命的损害，使蓄电池实际使用寿命相对串联使用时大大提高，即完全避免蓄电池串联使用时受单只蓄电池影响的短板效应，提升蓄电池利用率，解决单节蓄电池故障影响整组蓄电池充放电问题，利用在线核容功能，实现蓄电池核容能量再利用，避免传统核容方式带来的发热问题；每个电力电子变换集成单元在线核容检测和遥控操作功能大大降低系统维护的工作量和难度，节省维护成本；每个电力电子变换集成单元互为备份，在组成分布式直流系统时，单个直流系统可以根据负载大小进行选配集成单元数量，每个分布式直流系统额蓄电池数量远少于传统串联使用方式，单一变换集成单元的蓄电池出现故障时，仅会在本集成单元交流异常时无法为母线供电，在配置冗余集成单元的系统(N+1或N+2)中，缺少一个电力电子变换集成单元不会对系统产生很严重的影响，系统可靠性较传统系统大为提高；系统中的电力电子变换集成单元只需进行N+1/N+2备份，而传统串联使用需要同等数量蓄电池进行冗余备份，使用分布式直流系统后蓄电池的数量、体积、成本等都将大大下降。直流系统蓄电池核容检测工作量大大降低，蓄电池利用率得到提升，蓄电池使用数量的减少，使蓄电池对环境的污染大大降低。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种在线核容直流电源系统，其特征在于，包括：
交流互投装置、若干个电力电子变换集成单元、输出直流配控单元、系统监控单元和系统直流母线；
所述交流互投装置，用于将输入两路三相交流电源送到所述电力电子变换单元；
所述电力电子变换集成单元，用于对所接的12V蓄电池进行检测管理以及提供高压直流输出，包括变换装置及所述12V蓄电池，所述变换装置包括AC/DC变换器、DC/DC变换器、充电移相全桥DC/DC变换器，升压移相全桥DC/DC变换器、核容用DC/AC变换器，DSP智能管理单元及相关外围电路；
所述输出直流配控单元，用于将所述高压直流输出提供给负载；
所述系统监控单元，用于对所述电力电子变换集成单元进行遥控操作和运维测试；
所述系统直流母线与所述电力电子变换集成单元连接。
2.如权利要求1所述的在线核容直流电源系统，其特征在于，所述电力电子变换集成单元具有交流端口、蓄电池端口和高压直流输出端口，所述蓄电池端口和高压直流输出端口通过升压变换单元的高频变压器进行隔离，所述蓄电池端口和交流端口通过充电变换单元的高频变压器进行隔离。
3.如权利要求1或2所述的在线核容直流电源系统，其特征在于，所述输入两路三相交流电源经过所述AC/DC变换器形成内部直流母线；
所述内部直流母线通过所述DC/DC变换器经过储能滤波电路和逆止二极管输出DC115V，经所述高压直流输出端口形成对外输出直流母线；
所述内部直流母线经过所述充电移相全桥DC/DC变换器给所述12V蓄电池充电；
所述12V蓄电池经过所述升压DC/DC变换器输出DC110V经过所述储能滤波电路及逆止二极管与所述高压直流输出端口并联。
4.如权利要求3所述的在线核容直流电源系统，其特征在于，所述DSP智能管理单元用于控制所述AC/DC变换器、DC/DC变换器、充电移相全桥DC/DC变换器，升压移相全桥DC/DC变换器、核容用DC/AC变换器，采用RS485通讯电路实现所述电力电子变换集成单元与上位机的通信，采用CAN通讯实现所述电力电子变换集成单元之间的通信，通过均流单元电路并结合通信实现多个所述电力电子变换集成单元并联应用时各个所述电力电子变换集成单元对外直流母线均流带载；
所述DSP智能管理单元，用于采集所述12V蓄电池的电压、电流及所述12V蓄电池负极柱温度，实现对各个所述12V蓄电池单独进行温度补偿。
5.如权利要求1所述的在线核容直流电源系统，其特征在于，所有所述12V蓄电池互相电气隔离。
6.如权利要求1所述的在线核容直流电源系统，其特征在于，所述电力电子变换集成单元对所述12V蓄电池进行检测管理，具体为：
所述电力电子变换集成单元对所述12V蓄电池进行充放电管理、检测蓄电池运行状态、在线检测蓄电池电池容量和内阻。
7.如权利要求1所述的在线核容直流电源系统，其特征在于，所述相关外围电路包括均流单元电路、储能滤波电路和通信电路。
8.如权利要求6所述的在线核容直流电源系统，其特征在于，所述电力电子变换集成单元对所述12V蓄电池进行在线检测蓄电池电池容量的过程，具体为：
通过系统监控单元下发核容指令给到所述电力电子变换集成单元，所述电力电子变换集成单元收到所述核容指令后；
通过关闭所述充电移相DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器，启动所述核容用DC/AC变换器，把所述12V蓄电池的能量升压耦合至交流母线侧；
调整所述核容用DC/AC变换器的输出电压确保所述交流母线承担相应负荷，所调整的负荷至所述蓄电池端的数值大小是I10，直至所述12V蓄电池设定的终止电压点停止放电；
开启所述充电移相DC/DC变换器和升压移相全桥DC/DC变换器，并同步关闭所述核容用DC/AC变换器，让所述12V蓄电池进入充电阶段；
利用所述DSP智能管理单元采集所述12V蓄电池的放电电流，根据电池对时间的积分算法统计放电容量，实现对所述12V蓄电池的核容容量计算，且通过所述DSP智能管理单元把核容数据和结果实时上传至所述系统监控单元并保存。
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