CN203491736U - 一种应急电源装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种应急电源装置，包括与电网相连的电网端和与负载相连的负载端，在电网端与负载端之间串联有转换开关，转换开关与负载端之间连有应急电源电路，应急电源电路包括输出滤波电路、双向PWM变流器、充/放电电路、控制器模块和蓄电池组，输出滤波电路分别与转换开关、双向PWM变流器和控制器模块相连，双向PWM变流器还与充/放电电路和控制器模块相连，充/放电电路还与蓄电池组和控制器模块相连，控制器模块还与负载端相连。该应急电源装置在传统应急电源装置的基础上提出了一个新的电路拓扑，除了实现应急电源装置的功能外，还实现了有源滤波的功能。

Description

一种应急电源装置
技术领域
本实用新型涉及一种应急电源装置，尤其是一种具有有源滤波功能的应急电源装置。
背景技术
传统应急电源装置在电网向蓄电池充电时，常常采用三相不控整流的方式，采用三相不控整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染的缺点。而且，传统应急电源装置只有在电网发生故障的情况下才投入使用，在电网没有出现故障时都是处于搁置状态的，所以传统应急电源装置的利用率不高。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题为：传统应急电源装置所采用的三相不控整流方式存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染的问题。
为了解决上述的技术问题，本实用新型提供一种应急电源装置，包括电网相连的电网端和与负载相连的负载端，电网端与负载端之间串联有转换开关，转换开关还与应急电源电路相连，应急电源电路包括输出滤波电路、双向PWM变流器、充/放电电路、控制器模块和蓄电池组，输出滤波电路分别与转换开关、双向PWM变流器和控制器模块相连，双向PWM变流器还与充/放电电路和控制器模块相连，充/放电电路还与蓄电池组和控制器模块相连，控制器模块还与负载端相连。在电网正常工作时，采用控制器模块对负载端的电流进行监测，再根据得到的监测信号向双向PWM变流器发送控制信号，进而实现对负载端提供谐波和无功功率的跟踪补偿，避免了电网的谐波污染。
本实用新型的转换开关由三个静态开关构成，三个静态开关分别串联在电网端和负载端之间的三相线路中。采用静态开关能够使在电网断电的同时切换到应急电源电路，而不会使负载断电。
本实用新型的输出滤波电路由三条电感和电容构成的滤波支路组成，滤波支路的电感的一端与双向PWM变流器相连，另一端分别与电容和负载端相连，电容的另一端与其余滤波支路的电容相连。
本实用新型的双向PWM变流器包括三相半桥变流电路和双向PWM驱动电路，三相半桥变流电路由三个单相半桥式逆变器桥臂并联构成，单相半桥式逆变器桥臂包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均由IGBT反并联二极管构成，上桥臂的IGBT的集电极以及下桥臂的IGBT的发射集都与充/放电电路相连，上桥臂的IGBT的发射集与下桥臂的IGBT的集电极相连，双向PWM驱动电路与上桥臂和下桥臂的IGBT的门极相连，输出滤波电路与三个单相半桥式逆变器桥臂的上桥臂和下桥臂的连接处相连。采用双向PWM驱动电路来控制IGBT的门极，实现对三相半桥变流电路的有效控制。
本实用新型的充/放电电路包括一个单相半桥式逆变器桥臂、两个直流侧滤波电容、一个储能电感和一个电池侧滤波电容，单相半桥式逆变器桥臂包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均由IGBT反并联二极管构成，所述上桥臂和下桥臂的IGBT门极与控制器模块相连，上桥臂IGBT的发射极和下桥臂IGBT的集电极相连，上桥臂IGBT集电极和下桥臂IGBT发射极分别与双向PWM变流器相连，两个直流侧滤波电容串联后与单相半桥式逆变器桥臂相并联，储能电感一端与上桥臂和下桥臂的连接处相连，另一端连接蓄电池组的正极，电池侧滤波电容并联在蓄电池组的正负极之间。采用直流侧滤波电容对单相半桥式逆变器桥臂两端的电压进行滤波，采用电池侧滤波电容对蓄电池组进行滤波，采用储能电感能够存储或释放电能。
本实用新型的控制器模块包括滤波电流传感器、负载电流传感器、滤波电流信号调理电路、负载电流信号调理电路、DSP芯片、指令电流发生电路、电压传感器和电压信号调理电路，滤波电流传感器串联在输出滤波电路和滤波电流信号调理电路之间，负载电流传感器串联在负载端和负载电流信号调理电路之间，滤波电流信号调理电路与DSP芯片相连，负载电流信号调理电路与指令电流发生电路相连，DSP芯片分别与双向PWM变流器、指令电流发生电路和充/放电电路相连，指令电流发生电路与电压信号调理电路相连，电压信号调理电路与电压传感器相连，电压传感器与双向PWM变流器相连。采用DSP芯片控制双向PWM变流器和充/放电电路，实现对应急电路的有效控制，同时DSP芯片接收指令电流发生电路和滤波电流信号调理电路的信号，实现控制命令的采集。
本实用新型的有益效果在于：（1）该应急电源装置在控制器模块的监控下，具备良好的谐波和无功功率的跟踪补偿性等特点，减少电网的谐波污染；（2）在控制器模块的控制下，还能较好地实现智能化的应用和管理；（3）具有较高的实际应用价值，一方面，我国电力供应形势十分紧迫，为了尽可能地减小生产和生活上的影响，备用电源的市场形势非常良好，另一方面，我国的电力网供电质量不尽人意，谐波污染十分严重，控制谐波污染，提高供电质量迫在眉睫。
附图说明
图1为本实用新型应急电源装置的系统示意图；
图2为本实用新型应急电源装置的系统电路图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型所设计的一种应急电源装置包括与电网相连的电网端和与负载相连的负载端，电网端与负载端之间串联有转换开关，转换开关还与应急电源电路相连，应急电源电路包括输出滤波电路、双向PWM变流器、充/放电电路、控制器模块和蓄电池组，输出滤波电路分别与转换开关、双向PWM变流器和控制器模块相连，双向PWM变流器还与充/放电电路和控制器模块相连，充/放电电路还与蓄电池组和控制器模块相连，控制器模块还与负载端相连。
应急电源装置根据电网状况的不同工作于两种模式：（1）在电网正常时，系统工作于并联型有源滤波器模式，这时电网通过转换开关直接向负载供电，由控制器模块对电网进行监测，再根据监测信号控制双向PWM变流器，对负载端提供谐波和无功电流补偿，从而可以得到接近于正弦的电流和较高的功率因数，与此同时，控制器模块控制双向PWM变流器由网侧取得一定的有功能量提供给充/放电电路，再由充/放电电路对蓄电池组进行充电，控制器模块与负载端相连，用于监测负载端电流的谐波和无功分量；（2）在电网不正常时，该系统工作于应急电源模式，此时转换开关断开，由蓄电池组向充/放电电路供电，再由控制器模块控制充/放电电路向双向PWM变流器供电进行逆变，然后再由输出滤波电路对双向PWM变流器的逆变电压进行滤波，从而为负载端提供稳定的三相交流电源。
如图2所示，在电网端1和负载端3的电力线上串接一个转换开关2，该转换开关2由三个静态开关构成，三个静态开关分别串联在电网端1和负载端3之间的三相线路中。当电网供电正常时静态开关接通，当电网供电不正常时，静态开关断开，由蓄电池组供电，静态开关由可控硅元件组成，受控于电网是否有电。
输出滤波电路4由三条电感和电容构成的LC滤波支路组成，第一条滤波支路由电感Lpa和电容Cpa组成，第二条滤波支路由电感Lpb和电容Cpb组成，第三条滤波支路由电感Lpc和电容Cpc组成，电感Lpa的一端与双向PWM变流器5相连，另一端分别与电容Cpa和负载端相连，Lpb的一端与双向PWM变流器5相连，另一端分别与电容Cpb和负载端相连，Lpc的一端与双向PWM变流器5相连，另一端分别与电容Cpc和负载端相连，电容Cpa、Cpb和Cpc的另一端相互连接。由三条电感和电容构成的LC滤波电路对双向PWM变流器5的输出电源进行滤波处理。
双向PWM变流器5包括三相半桥变流电路和双向PWM驱动电路，三相半桥变流电路由三个单相半桥式逆变器桥臂并联构成，单相半桥式逆变器桥臂包括上桥臂和下桥臂，第一单相半桥式逆变器桥臂的上桥臂由IGBT管T1反并联二极管D1构成，第一单相半桥式逆变器桥臂的下桥臂由IGBT管T2反并联二极管D2构成，第二单相半桥式逆变器桥臂的上桥臂由IGBT管T3反并联二极管D3构成，第二单相半桥式逆变器桥臂的下桥臂由IGBT管T4反并联二极管D4构成，第三单相半桥式逆变器桥臂的上桥臂由IGBT管T5反并联二极管D5构成，第三单相半桥式逆变器桥臂的下桥臂由IGBT管T6反并联二极管D6构成，三个上桥臂的IGBT管T1、T3和T5的集电极以及三个下桥臂的IGBT管的T2、T4和T6的发射集都与充/放电电路6相连，三个上桥臂的IGBT管T1、T3和T5的发射集与三个下桥臂的IGBT管的T2、T4和T6的集电极相连，双向PWM驱动电路与IGBT管的T1、T2、T3、T4、T5和T6的门极相连，输出滤波电路4连接在每个单相半桥式逆变器桥臂的上桥臂和下桥臂的连接处。由双向PWM驱动电路驱动IGBT门极从而实现IGBT管的导通或截止。
充/放电电路6包括一个单相半桥式逆变器桥臂、两个直流侧滤波电容Cd、一个储能电感L和一个电池侧滤波电容C0，单相半桥式逆变器桥臂包括上桥臂和下桥臂，上桥臂由IGBT管T7反并联二极管D7构成，下桥臂由IGBT管T8反并联二极管D8构成,T7和T8的门极与控制器模块相连，T7的发射极和T8的集电极相连，T7的集电极和T8的发射极分别与双向PWM变流器5相连，两个直流侧滤波电容Cd串联后与单相半桥式逆变器桥臂相并联，储能电感L一端连接在上桥臂和下桥臂的连接处，另一端连接蓄电池组7的正极，电池侧滤波电容C0并联在蓄电池组7的正负极之间。由控制模块控制T7和T8的门极的导通和截止。
控制器模块8包括滤波电流传感器、负载电流传感器、滤波电流信号调理电路、负载电流信号调理电路、DSP芯片、指令电流发生电路、电压传感器和电压信号调理电路，滤波电流传感器串联在输出滤波电路和滤波电流信号调理电路之间，负载电流传感器串联在负载端和负载电流信号调理电路之间，滤波电流信号调理电路与DSP芯片相连，负载电流信号调理电路与指令电流发生电路相连，DSP芯片分别与双向PWM变流器、指令电流发生电路和充/放电电路相连，指令电流发生电路与电压信号调理电路相连，电压信号调理电路与电压传感器相连，电压传感器与双向PWM变流器相连。
控制器模块8通过负载电流传感器检测负载端3的电流iLa、iLb和iLc，经负载电流信号调理后送入指令电流发生电路，指令电流发生电路计算所要补偿的谐波和无功电流送入DSP芯片；滤波电流传感器检测有源电力滤波主电路的电流ica、icb和icc，经滤波电流信号调理电路后送入DSP芯片，DSP芯片输出PWM信号给双向PWM驱动电路，并经双向PWM驱动电路隔离和放大后驱动三相半桥变流电路，从而补偿有源电力滤波主电路的电流由于负载端3产生的电流的谐波和无功分量。
DSP芯片输出的PWM信号是用从负载端3的电流中提取的谐波电流或无功电流成分信号去调制高频三角波产生的。
控制器模块8通过电压传感器检测三相半桥变流电路直流侧的电压，再经电压信号调理电路后送入指令电流发生电路，指令电流发生电路再将电压信号调理指令发送到DSP芯片，DSP芯片再控制双向PWM驱动电路调节三相半桥变流电路的IBGT通断，从而实现三相半桥变流电路直流侧电压的稳定。指令电流发生电路和DSP芯片均是以TI公司的DSP TMS320LF2407为核心通过软件建立的。
为了使双向PWM变流器5能正常输出交流电，必须在三相半桥变流电路的直流侧提供较高的稳定的直流电压，如果该侧直接并接上蓄电池组7，则有两个弊端：一是随着蓄电池组7的大电流放电，蓄电池组7的端压必将下降，无法提供稳定的直流电压；二是要得到较高的直流电压，势必需要更多的蓄电池组7，会造成体积的增加以及维持蓄电池组7充电平衡性难度增加等问题。为了克服以上两方面的弊端，在蓄电池组7与三相半桥变流电路的直流侧之间设置充/放电电路6。当需要使用蓄电池组7供电时，充/放电电路6实际工作在双向DC/DC电路的升压模式。该双向DC/DC电路由储能电感L、IGBT管T8、续流二极管D7、续流二极管D8以及直流侧滤波电容Cd组成，在升压模式下，双向DC/DC电路有两种工作状态：
工作状态1：当IGBT管T8导通时，蓄电池组7电压加到储能电感L的两端，续流二极管D8处于反偏截止状态，电流通过储能电感L将电能转换成磁能存在储能电感L中，同时通过直流侧滤波电容Cd放电来向双向PWM变流器5供电。
工作状态2：当IGBT管T8截止时，储能电感L两端的电压极性颠倒，续流二极管D7处于正偏导通状态，为储能电感L和蓄电池组7串联放电提供通路，电流流经续流二极管D7至双向PWM变流器5和直流侧滤波电容Cd，这样储能电感L和蓄电池组7就一起向双向PWM变流器5和直流侧滤波电容Cd提供能量。
上述两种工作状态通过实时调整控制IGBT管通断时间的占空比，从而将较低的蓄电池组7的端压上升为输出稳定的符合双向PWM变流器5需要的较高电压。
当给蓄电池充电时，充/放电电路6实际工作在双向DC/DC电路的降压模式。该降压电路由储能电感L、IGBT管T7、续流二极管D7、续流二极管D8以及电池侧滤波电容C0组成。在降压模式下，双向DC/DC电路有两种工作状态：
工作状态1：IGBT管T7导通时，续流二极管D8处于反偏截止状态，电流通过储能电感L向蓄电池组7供电，并同时向电池侧滤波电容C0充电，电流通过储能电感L将电能转换成磁能存在储能电感L中。
工作状态2：IGBT管T7截止时，由于储能电感L的电流不能突变，所以在它的两端便感应出一个与原来极性相反的自感电势，使续流二极管D8处于正偏导通状态，此时储能电感L便把原先储存的磁能转换成电能供给蓄电池组7，电池侧滤波电容C0能够降低输出电压U0的脉动。
上述两种工作状态通过实时调整控制IGBT管通断时间的占空比，可以将三相半桥变流电路直流侧较高的电压或电流降低为蓄电池组7充电所需的较低的稳定的电压或充电电流，从而实现将双向PWM变流器5从网侧反馈回来的部分基波有功能量向蓄电池组输送。
本实用新型中，负载端连接的负载可以是三相不控整流之类典型的非线性负载，也可以是阻性或感性等线性负载。

Claims (6)

1.一种应急电源装置，包括与电网相连的电网端以及与负载相连的负载端，其特征在于：所述电网端与负载端之间串联有转换开关，所述转换开关和负载端之间还并联有应急电源电路，所述应急电源电路包括输出滤波电路、双向PWM变流器、充/放电电路、控制器模块和蓄电池组，所述输出滤波电路分别与转换开关、双向PWM变流器和控制器模块相连，所述双向PWM变流器还与充/放电电路和控制器模块相连，所述充/放电电路还与蓄电池组和控制器模块相连，所述控制器模块还与负载端相连。
2.根据权利要求1所述的应急电源装置，其特征在于：所述转换开关由三个静态开关构成，所述三个静态开关分别串联在电网端和负载端之间的三相线路中。
3.根据权利要求1所述的应急电源装置，其特征在于：所述输出滤波电路由三条电感和电容构成的滤波支路组成，所述滤波支路的电感的一端与双向PWM变流器相连，另一端分别与电容和负载端相连，所述电容的另一端与其余滤波支路的电容相连。
4.根据权利要求1所述的应急电源装置，其特征在于：所述双向PWM变流器包括三相半桥变流电路和双向PWM驱动电路，所述三相半桥变流电路由三个单相半桥式逆变器桥臂并联构成，所述单相半桥式逆变器桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均由IGBT反并联二极管构成，所述上桥臂的IGBT的集电极以及下桥臂的IGBT的发射集都与充/放电电路相连，所述上桥臂的IGBT的发射集与下桥臂的IGBT的集电极相连，所述双向PWM驱动电路与上桥臂和下桥臂的IGBT的门极相连，所述输出滤波电路与三个单相半桥式逆变器桥臂的上桥臂和下桥臂的连接处相连。
5.根据权利要求1所述的应急电源装置，其特征在于：所述充/放电电路包括一个单相半桥式逆变器桥臂、两个直流侧滤波电容、一个储能电感和一个电池侧滤波电容，所述单相半桥式逆变器桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均由IGBT反并联二极管构成，所述上桥臂和下桥臂的IGBT门极与控制器模块相连，所述上桥臂IGBT的发射极和下桥臂IGBT的集电极相连，所述上桥臂IGBT集电极和下桥臂IGBT发射极都与双向PWM变流器相连，所述两个直流侧滤波电容串联后与单相半桥式逆变器桥臂相并联，所述储能电感一端与上桥臂和下桥臂的连接处相连，另一端连接蓄电池组的正极，所述电池侧滤波电容并联在蓄电池组的正负极之间。
6.根据权利要求1所述的应急电源装置，其特征在于：所述控制器模块包括滤波电流传感器、负载电流传感器、滤波电流信号调理电路、负载电流信号调理电路、DSP芯片、指令电流发生电路、电压传感器和电压信号调理电路，所述滤波电流传感器串联在输出滤波电路和滤波电流信号调理电路之间，所述负载电流传感器串联在负载端和负载电流信号调理电路之间，所述滤波电流信号调理电路还与DSP芯片相连，所述负载电流信号调理电路还与指令电流发生电路相连，所述DSP芯片还与双向PWM变流器、指令电流发生电路和充/放电电路相连，所述指令电流发生电路还与电压信号调理电路相连，所述电压信号调理电路还与电压传感器相连，所述电压传感器还与双向PWM变流器相连。
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