CN208257486U - 一种直流母线供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流母线供电系统，该系统包括充电机、直流母线、蓄电池组、以及至少两个双向DCDC模块；蓄电池组包括n组蓄电池组段，每组蓄电池组段通过双向DCDC模块连接直流母线；当直流母线的电压低于预设电压，未发生开路故障的至少一组蓄电池组段通过双向DCDC模块为直流母线供电，其中双向DCDC模块与直流母线连接的直流端口设置为输出状态，双向DCDC模块与蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态。本实用新型实时、简单、稳定、可靠，可有效的提高直流操作电源系统的可靠性，降低直流母线失电的概率。

Description

一种直流母线供电系统

技术领域

本实用新型涉及电力领域，更具体地说，涉及一种直流母线供电系统。

背景技术

电力系统中直流操作电源系统的主要作用是通过直流母线为系统设备供电，当交流电网正常时，由交流电网转换之后为直流母线提供电能；当交流电网发生掉电故障时，由直流操作电源系统中的蓄电池组为直流母线提供电能。直流母线上的系统设备均为重要设备，用于保证电力系统正常运行。在交流电网失电故障和蓄电池组开路故障同时发生，那么相应直流母线必然失电，从而导致直流母线上的设备停止工作，影响电力系统的正常运行。直流母线上的继电保护设备停止运行，极有可能造成整个变电站的灾难性事故。因此，如何有效防止直流母线失电是衡量直流操作电源系统是否可靠的重要指标之一。

目前电力系统中一充一电的直流操作电源系统连接方式如图1。系统配置一组充电机、一组蓄电池、一段直流母线、一台电池巡检仪和一台系统监控器。假设交流电网失电和蓄电池组开路同时发生，充电机和蓄电池组均无法正常为直流母线供电，从而造成直流母线上的系统设备掉电。变电站的继电保护设备是由直流母线供电的，继电保护设备一旦失电，再次上电后需要10分钟以上才能恢复正常的保护功能。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种直流母线供电系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种直流母线供电系统，包括与交流电网连接用于将交流电转化为直流电的充电机，所述充电机连接并输出直流电至直流母线，还包括蓄电池组和至少两个双向DCDC模块；

所述蓄电池组包括n组蓄电池组段，其中n为大于1的整数；每个所述双向DCDC模块包括两个可切换状态的直流端口；所述蓄电池组段与所述双向DCDC模块一一对应，每组所述蓄电池组段通过所述双向DCDC模块连接所述直流母线；

当所述直流母线的电压低于预设电压，未发生开路故障的至少一组所述蓄电池组段通过所述双向DCDC模块为所述直流母线供电，其中所述双向DCDC模块与所述直流母线连接的直流端口设置为输出状态，所述双向DCDC模块与所述蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态。

优选地，本实用新型所述的直流母线供电系统，还包括系统监控器和电池巡检仪，所述系统监控器分别连接所述充电机、电池巡检仪、所有双向DCDC模块以及直流母线，所述电池巡检仪连接所述蓄电池组；

所述电池巡检仪检测每组所述蓄电池组段的端电压；所述系统监控器用于实时接收所述电池巡检仪的检测数据以及实时监测所述直流母线的电压。

优选地，本实用新型所述的直流母线供电系统，所述系统监控器通过RS485通信模块或CAN通信模块连接所述充电机，所有双向DCDC模块以及电池巡检仪。

优选地，本实用新型所述的直流母线供电系统，所述双向DCDC模块包括存储控制策略程序的存储器，所述双向DCDC模块自动执行所述控制策略程序，其中所述控制策略程序所需的关键参数由所述系统监控器下发至所述双向DCDC模块。

优选地，本实用新型所述的直流母线供电系统，所述蓄电池组连接所述充电机，所述充电机为所述蓄电池组充电；

当蓄电池组的端电压为第一浮充电压Uf1，且任一所述蓄电池组段的电压低于第二浮充电压Uf2时，所述直流母线通过与之对应的所述双向DCDC模块为所述蓄电池组段充电，其中所述双向DCDC模块与所述直流母线连接的直流端口设置为输出状态，所述双向DCDC模块与所述蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态。

优选地，本实用新型所述的直流母线供电系统，所述充电机通过开关K_a连接所述直流母线；

所述蓄电池组通过开关K_b连接所述直流母线；

每个所述双向DCDC模块通过对应开关Kn连接所述直流母线。

另，本实用新型还提供一种直流母线供电系统的控制方法，应用于上述的直流母线供电系统，所述方法包括：

检测直流母线的电压是否低于预设电压；

若是，则未发生开路故障的至少一组蓄电池组段为所述直流母线供电。

优选地，本实用新型所述的直流母线供电系统的控制方法，所述蓄电池组段为所述直流母线供电包括：

双向DCDC模块与所述直流母线连接的直流端口设置为输出状态，所述双向DCDC模块与所述蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态，对应的所述蓄电池组段为所述直流母线供电。

优选地，本实用新型所述的直流母线供电系统的控制方法，所述检测直流母线的电压是否低于预设电压之后，还包括：

若所述直流母线的电压为第一浮充电压Uf1，检测所有所述蓄电池组段的端电压是否低于其第二浮充电压Uf2；

若检测到有所述蓄电池组段的端电压低于所述第二浮充电压Uf2，则所述直流母线通过与之对应的双向DCDC模块为所述蓄电池组段充电，其中所述双向DCDC模块与所述直流母线连接的直流端口设置为输入状态，所述双向DCDC模块与所述蓄电池组段连接的直流端口设置为输出状态。

优选地，本实用新型所述的直流母线供电系统的控制方法，所述检测所有所述蓄电池组段的端电压是否低于其第二浮充电压Uf2之后，还包括：

若所述蓄电池组段的端电压为所述第二浮充电压Uf2，则对应的所述双向DCDC模块的两个直流端口处于闭锁状态。

实施本实用新型的一种直流母线供电系统，具有以下有益效果：包括充电机、直流母线、蓄电池组、以及至少两个双向DCDC模块；蓄电池组包括n组蓄电池组段，每组蓄电池组段通过双向DCDC模块连接直流母线；当直流母线的电压低于预设电压，未发生开路故障的至少一组蓄电池组段通过双向DCDC模块为直流母线供电，其中双向DCDC模块与直流母线连接的直流端口设置为输出状态，双向DCDC模块与蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态。本实用新型实时、简单、稳定、可靠，可有效的提高直流操作电源系统的可靠性，降低直流母线失电的概率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中直流供电系统的结构示意图；

图2是本实用新型一种直流母线供电系统的结构示意图；

图3是本实用新型一种直流母线供电系统的控制方法流程图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

图2是本实用新型一种直流母线供电系统的结构示意图。

具体的，该直流母线供电系统包括充电机、直流母线、蓄电池组、至少两个双向DCDC模块、系统监控器、以及电池巡检仪，其中，充电机与交流电网连接，用于将交流电转化为直流电，充电机连接并输出直流电至直流母线。蓄电池组包括n组蓄电池组段，其中n为大于1的整数。每个双向DCDC模块包括两个可切换状态的直流端口，其中一个直流端口连接直流母线，另一个直流端口连接蓄电池组段，每个直流端口可根据需要切换为输入状态或输出状态。蓄电池组段与双向DCDC模块一一对应，每组蓄电池组段通过双向DCDC模块连接直流母线。系统监控器分别连接充电机、电池巡检仪、所有双向DCDC模块以及直流母线，电池巡检仪连接所有蓄电池组段，电池巡检仪检测每组蓄电池组段的端电压。系统监控器用于实时接收电池巡检仪的检测数据以及实时监测直流母线的电压。

当直流母线的电压低于预设电压，未发生开路故障的至少一组蓄电池组段通过双向DCDC模块为直流母线供电，其中双向DCDC模块与直流母线连接的直流端口设置为输出状态，双向DCDC模块与蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态。

参考图2，以下对该直流母线供电系统的各个部分的功能进行详细说明。

蓄电池组：蓄电池组通过开关Kb与直流母线连接，蓄电池组分为n个蓄电池组段，分别为B1，B2……Bn，其中n为大于1的整数。各蓄电池组段依次串联，其中每组蓄电池组段对应一组双向DCDC模块。

充电机：充电机通过开关Ka与直流母线连接。充电机的作用是当交流电网正常时，将交流电转化为直流电为直流母线供电和为蓄电池组补充电。优选地，充电机一般由电力操作电源用高频开关电源模块组成；充电机需要与系统监控器通讯，可采用RS485或CAN。系统监控器可根据需要调整充电机的输出电压。

双向DCDC模块：设置两个直流端口，两个直流端口的输入输出特性可根据预设的控制策略自动进行转换。双向DCDC模块与蓄电池组段一一对应，分别为M1，M2……Mn，其中n为大于1的整数。双向DCDC模块的一个直流端口连接相应的蓄电池组段，另外一个直流端口通过开关(分别为K1，K2……Kn，其中n为大于1的整数)连接直流母线。各双向DCDC模块需要与系统监控器通讯，可采用RS485或CAN。特别地双向DCDC模块可检测两个直流端口的电压值，相当于可检测对应的蓄电池组段的端电压和直流母线电压值。

电池巡检仪：蓄电池组配置一台电池巡检仪，用于实时监测蓄电池组的工作状态，可实时采集各蓄电池组段的端电压，并将相应的监测数据实时上传系统监控器。

系统监控器：系统监控器监测整套系统的工作状态，并且与充电机、各双向DCDC模块和电池巡检仪通讯，实时监测直流母线的电压和实时接收电池巡检仪的检测数据。系统监控器预先设置相应的控制策略程序所需的关键参数，并下发给各双向DCDC模块，各双向DCDC模块自动执行控制策略程序，当满足相应的条件时，双向DCDC模块自动地为直流母线供电或自动的均衡各蓄电池组段的端电压。

在系统正常运行时，开关Ka，Kb，K1，K2……Kn均为闭合状态。交流电网通过充电机为直流母线提供电能，同时为蓄电池组补充电能。电池巡检仪实时监测蓄电池组的工作状态，特别的可检测各蓄电池组段的端电压，并实时将检测结果上传系统监控器。系统监控器实时监测整套系统的工作状态，特别的可实时监测直流母线电压和实时接收电池巡检仪上传的检测结果。

根据系统配置，系统监控器预先设置的关键参数包括：直流母线的第一浮充电压Uf1，直流母线最低电压Usmin，蓄电池组段的最低端电压Ubmin，蓄电池组段的第二浮充电压Uf2。双向DCDC模块预先设定的控制策略程序为：当直流母线的电压小于等于设定的直流母线最低电压Usmin，且至少有一组蓄电池组段的端电压高于最低端电压Ubmin时，相应的端电压高于最低端电压Ubmin的蓄电池组段将通过相应的双向DCDC模块为直流母线供电，维持直流母线的电压不低于Usmin，保证直流母线的连续供电。

当直流母线电压为第一浮充电压Uf1时，如果检测到存在蓄电池组段的端电压低于第二浮充电压Uf2时，直流母线将通过相应双向DCDC模块为相应的蓄电池组段补充电，从而使各蓄电池组段端电压达到均衡的目的。系统监控器将上述控制策略程序所需的关键参数下发到各双向DCDC模块。各双向DCDC模块接收上述控制策略所需的关键参数以后将自动执行，自动切换两个直流端口的输入输出状态。对应的两个直流端口的切换条件为：当直流母线电压为第一浮充电压Uf1时，如果存在蓄电池组段的端电压低于第二浮充电压Uf2，则对应的双向DCDC模块将会自动将与直流母线连接的直流端口设置为输入状态，将与相应蓄电池组段连接的直流端口设置为输出状态，输出电压为第二浮充电压Uf2。当直流母线的电压小于等于设定的直流母线最低电压Usmin，且至少有一组蓄电池组段的端电压高于最低端电压Ubmin时，相应的端电压高于最低端电压Ubmin的蓄电池组段对应的双向DCDC模块将会自动将与蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态，将与直流母线连接的直流端口设置为输出状态，输出电压为直流母线最低电压Usmin。

蓄电池组长期工作在浮充状态下，蓄电池组端电压为第一浮充电压Uf1，对应的充电机输出电压和直流母线电压均为第一浮充电压Uf1，对应的各蓄电池组段的端电压均为第二浮充电压Uf2。各双向DCDC模块的两个直流端口均为闭锁状态，不影响系统的正常运行。假设交流电网电压正常，直流母线电压为第一浮充电压Uf1，但由于蓄电池组自身放电等原因导致蓄电池组段B1的端电压低于第二浮充电压Uf2，此时双向DCDC模块M1自动将与直流母线连接的直流端口设置为输入状态，将与蓄电池组段B1连接的直流端口设置为输出状态，输出电压为第二浮充电压Uf2，从而使直流母线通过双向DCDC模块M1自动为蓄电池组段B1补充电能，保证B1的端电压维持在第二浮充电压Uf2，从而使各蓄电池组段端电压达到均衡的目的。

假设系统发生交流电网失电故障，且蓄电池组同时发生开路故障，假设开路故障发生在B1段，其他蓄电池组段端电压均大于最低端电压Ubmin。此时充电机和蓄电池组均不能正常为直流母线供电，直流母线的电压将不断下降，当下降到小于等于最低直流母线电压Usmin时，双向DCDC模块M2，M3……Mn将会自动将与蓄电池组段B2，B3……Bn连接的直流端口设置为输入状态，将与直流母线连接的直流端口设置为输出状态，输出电压为直流母线最低电压Usmin，从而使蓄电池组段B2，B3……Bn通过对应的双向DCDC模块M2，M3……Mn为直流母线供电，保证直流母线电压不低于最低直流母线电压Usmin，提高直流母线的供电连续性。

从上述控制过程可见，系统监控器预先设置好控制策略程序所需的关键参数，并将控制策略程序所需的关键参数下发给各双向DCDC模块，各双向DCDC模块将自动执行控制策略程序，系统正常运行时，维持各蓄电池组段的端电压均衡；系统同时出现交流电网掉电和蓄电池组开路故障时，端电压正常的蓄电池组段将通过相应的双向DCDC模块自动为直流母线供电，保证直流母线不会失电，提高了直流母线的供电连续性。

本实用新型的有益效果：提供一种实时地、自动地提高直流母线供电连续性的控制方法。有效降低直流操作电源系统的直流母线供电中断和失电风险。

以下通过具体实施例进行说明。

参考图2，假设系统为220V直流系统，蓄电池组为108节，则蓄电池组的浮充电压值为108*2.23V＝241V，将蓄电池组平均分为4组，即各蓄电池组段为27节，对应的浮充电压为27*2.23V＝60.21V，最低端电压为27*1.8V＝48.6V；直流母线的最低电压为220*0.875＝192.5V。根据预先设置好的控制策略，各双向DCDC模块直流端口的状态转换条件如下：当直流母线电压为浮充电压241V时，如果存在蓄电池组段的端电压低于浮充电压60.21V，相对应的双向DCDC模块将会自动将与直流母线连接的直流端口设置为输入状态，将与蓄电池组段连接的直流端口设置为输出状态，输出电压为浮充电压60.21V；当直流母线的电压小于等于设定的直流母线最低电压192.5V，且至少有一组蓄电池组段的端电压高于最低端电压48.6V时，相应的端电压高于最低端电压48.6V的蓄电池组段对应的双向DCDC模块将会自动将与蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态，将与直流母线连接的直流端口设置为输出状态，输出电压为直流母线最低电压192.5V。

系统正常运行时，开关Ka，Kb，K1，K2，K3，K4均为闭合状态，系统监控器将充电机的输出电压设置为浮充电压241V，同时为直流母线和蓄电池组提供电能，蓄电池组工作在浮充状态下，各蓄电池组段的端电压为浮充电压60.21V，双向DCDC模块的两个直流端口均处于闭锁状态。

直流母线电压为浮充电压241V时，假设此时蓄电池组段B1端电压低于浮充电压60.21V，相应的双向DCDC模块M1将自动将与直流母线连接的直流端口设置为输入状态，将与蓄电池组段B1连接的直流端口设置为输出状态，输出电压为浮充电压60.21V，直流母线通过双向DCDC模块M1自动为蓄电池组段B1补充电，达到蓄电池组段B1，B2，B3，B4端电压均为浮充电压60.21V的目的。

假设系统发生交流电网失电故障，且蓄电池组同时发生开路故障，假设开路故障发生在B1段，其他蓄电池组段端电压均大于最低端电压48.6V。此时充电机和蓄电池组均不能正常为直流母线供电，直流母线的电压将不断下降，当下降到小于等于最低直流母线电压192.5V时，双向DCDC模块M2，M3，M4将会自动将与蓄电池组段B2，B3，B4连接的直流端口设置为输入状态，将与直流母线连接的直流端口设置为输出状态，输出电压为直流母线最低电压192.5V，从而使蓄电池组段B2，B3，B4通过对应的双向DCDC模块M2，M3，M4为直流母线供电，保证直流母线电压不低于最低直流母线电压192.5V，提高直流母线的供电连续性。

参考图3，是本实用新型一种直流母线供电系统的控制方法流程图。

具体的，该直流母线供电系统的控制方法应用于上述的直流母线供电系统，方法包括：

S1、检测直流母线的电压是否低于预设电压。

S2、若检测直流母线的电压低于预设电压，则未发生开路故障的至少一组蓄电池组段为直流母线供电。进一步，蓄电池组段为直流母线供电包括：双向DCDC模块与直流母线连接的直流端口设置为输出状态，双向DCDC模块与蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态，对应的蓄电池组段为直流母线供电。

进一步，在步骤检测直流母线的电压是否低于预设电压之后，还包括：

S3、若直流母线的电压为第一浮充电压Uf1，检测所有蓄电池组段的端电压是否低于其第二浮充电压Uf2。

S4、若检测到有蓄电池组段的端电压低于其第二浮充电压Uf2，则直流母线通过与之对应的双向DCDC模块为蓄电池组段充电，其中双向DCDC模块与直流母线连接的直流端口设置为输入状态，双向DCDC模块与蓄电池组段连接的直流端口设置为输出状态。

进一步，在检测所有蓄电池组段的端电压是否低于其第二浮充电压Uf2之后，还包括：

S5、若蓄电池组段的端电压为其第二浮充电压Uf2，则对应的双向DCDC模块的两个直流端口处于闭锁状态。

综上，本实用新型具有以下有益效果：

1.直流母线失电的风险低，通过将蓄电池组进行分段，每个蓄电池组段配置一组双向DCDC模块和相应的控制电路，即使蓄电池组开路，也不会造成直流母线失电故障，有效降低直流母线失电的概率。

2.控制方式简单、可靠，系统监控器根据系统配置合理设置控制策略程序所需要的关键参数，双向DCDC模块接收控制策略程序所需的关键参数并自动执行控制策略程序，从而达到提高直流母线供电连续性和均衡各蓄电池组段端电压的目的。

3.实现简单、周期短，可在现有直流操作电源系统的基础上进行改造升级。

以上实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据此实施，并不能限制本实用新型的保护范围。凡跟本实用新型权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种直流母线供电系统，包括与交流电网连接用于将交流电转化为直流电的充电机，所述充电机连接并输出直流电至直流母线，其特征在于，还包括蓄电池组和至少两个双向DCDC模块；

所述蓄电池组包括n组蓄电池组段，其中n为大于1的整数；每个所述双向DCDC模块包括两个可切换状态的直流端口；所述蓄电池组段与所述双向DCDC模块一一对应，每组所述蓄电池组段通过所述双向DCDC模块连接所述直流母线；

当所述直流母线的电压低于预设电压，未发生开路故障的至少一组所述蓄电池组段通过所述双向DCDC模块为所述直流母线供电，其中所述双向DCDC模块与所述直流母线连接的直流端口设置为输出状态，所述双向DCDC模块与所述蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态。

2.根据权利要求1所述的直流母线供电系统，其特征在于，还包括系统监控器和电池巡检仪，所述系统监控器分别连接所述充电机、电池巡检仪、所有所述双向DCDC模块以及直流母线，所述电池巡检仪连接所述蓄电池组；

所述电池巡检仪检测每组所述蓄电池组段的端电压；所述系统监控器用于实时接收所述电池巡检仪的检测数据以及实时监测所述直流母线的电压。

3.根据权利要求2所述的直流母线供电系统，其特征在于，所述系统监控器通过RS485通信模块或CAN通信模块连接所述充电机以及所有所述双向DCDC模块以及电池巡检仪。

4.根据权利要求1所述的直流母线供电系统，其特征在于，所述蓄电池组连接所述充电机，所述充电机为所述蓄电池组充电；

当蓄电池组的端电压为第一浮充电压Uf1，且任一所述蓄电池组段的电压低于第二浮充电压Uf2时，所述直流母线通过与之对应的所述双向DCDC模块为所述蓄电池组段充电，其中所述双向DCDC模块与所述直流母线连接的直流端口设置为输出状态，所述双向DCDC模块与所述蓄电池组段连接的直流端口设置为输入状态。

5.根据权利要求1所述的直流母线供电系统，其特征在于，所述充电机通过开关K_a连接所述直流母线；

所述蓄电池组通过开关K_b连接所述直流母线；

每个所述双向DCDC模块通过对应开关Kn连接所述直流母线。