CN208539643U - 储能式母线电路结构与直流电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种储能式母线电路结构与直流电源系统，涉及电路技术领域，其中，储能式母线电路结构包括：超级电容、保护电器、隔离电器和直流母线；其中，超级电容的两极分别连接一个保护电器；每个保护电器分别连接一个隔离电器；两个隔离电器分别连接直流母线的正极和负极；当与直流母线连接的负载发生故障时，通过保护电器的正确动作，切除故障。本实用新型通过将超级电容接入直流母线构成储能式母线，由储能式母线提供馈线严重过载或短路时的故障电流，保证馈线回路的保护电器可靠动作，及时切除故障，维持其他直流负载的正常供电。

Description

储能式母线电路结构与直流电源系统

技术领域

本实用新型涉及电路技术领域，尤其是涉及一种储能式母线电路结构与直流电源系统。

背景技术

现有并联型直流电源系统由多个并联电源模块组成，通常每个模块独立配置1只12V阀控式铅酸蓄电池，并联电源模块间相互独立，其结构如图1所示。并联电源模块通过AC/DC充电模块、DC/DC升/降压模块等对蓄电池进行管理，并通过多模块并联输出，组成满足实际负荷需要的并联电源蓄电池系统。

对于并联型直流电源系统，通常情况下，为保护开关器件，并联电源模块均具有限流功能，当直流系统馈线回路发生严重过载或短路时，并联电源模块的输出电流会被限制在一定范围内(通常为1.2IN～2IN)，输出电压接近于0V，如果直流系统为多负荷供电，则任一负载回路发生严重过载或短路时，由于系统不能提供足够的故障电流，此负载的相应保护不能正确动作，故障不能及时切除，进而将影响其他负载的正常供电。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种储能式母线电路结构与直流电源系统，通过将超级电容接入直流母线构成储能式母线，由储能式母线提供馈线严重过载或短路时的故障电流，保证馈线回路的保护电器可靠动作，及时切除故障，维持其他直流负载的正常供电。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种储能式母线电路结构，包括：超级电容、保护电器、隔离电器和直流母线；

超级电容的两极分别连接一个保护电器；

每个保护电器分别连接一个隔离电器；

两个隔离电器分别连接直流母线的正极和负极；

当与直流母线连接的负载发生故障时，通过保护电器的正确动作，切除故障。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，保护电器包括：熔断器。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，隔离电器包括：隔离开关。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种直流电源系统，包括：分电柜直流母线结构、并联电源模块及如第一方面所述的储能式母线电路结构；

储能式母线电路结构与分电柜直流母线结构连接；

分电柜直流母线结构用于连接负载；

并联电源模块连接储能式母线电路结构。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，分电柜直流母线结构包括：隔离电器、主保护电器和多个从保护电器；

隔离电器分别与储能式母线电路结构和主保护电器连接；

主保护电器和多个从保护电器连接；

多个从保护电器分别连接一个负载。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，主保护电器和多个从保护电器包括：直流开关或者空气开关。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，并联电源模块包括：AC/DC充电模块、DC/DC变换器及蓄电池；

AC/DC充电模块与DC/DC变换器连接；

蓄电池分别与AC/DC充电模块和DC/DC变换器连接；

AC/DC充电模块连接交流电源；

DC/DC变换器连接储能式母线电路结构中的直流母线。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第四种可能的实施方式，其中，还包括：绝缘监查装置、监控终端；

绝缘监查装置通过熔断器与储能式母线电路结构中的直流母线连接；

绝缘监查装置还与监控终端连接；

监控终端通过通讯母线与并联电源模块连接。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第五种可能的实施方式，其中，还包括：报警装置；

报警装置与监控终端连接；

监控终端在判断负载发生故障时，向报警装置发送报警指令，以使报警装置进行报警。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第六种可能的实施方式，其中，报警装置包括：蜂鸣器、灯光报警器、语音播报器中至少一种。

本实用新型实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：

本实用新型实施例所提供的储能式母线电路结构包括：超级电容、保护电器、隔离电器和直流母线；其中，超级电容的两极分别连接一个保护电器；每个保护电器分别连接一个隔离电器；两个隔离电器分别连接直流母线的正极和负极；当与直流母线连接的负载发生故障时，通过保护电器的正确动作，切除故障。本实用新型通过将超级电容接入直流母线构成储能式母线，由储能式母线提供馈线严重过载或短路时的故障电流，保证馈线回路的保护电器可靠动作，及时切除故障，维持其他直流负载的正常供电。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种并联型直流电源系统的示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的一种储能式母线电路结构的示意图；

图3为本实用新型实施例二提供的一种直流电源系统的电路图；

图4为本实用新型实施例二提供的一种采用储能式母线的直流电源系统中的短路电流曲线图；

图5为本实用新型实施例二提供的一种基于电流双象限双向DC-DC变换器的直流电源系统的电路图；

图6为本实用新型实施例二提供的一种含超级电容的电流双象限双向DC-DC变换器直流电源系统的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在并联型直流电源系统中，当直流系统为多负荷供电，其中任一负载回路发生严重过载或短路时，由于系统不能提供足够的故障电流，此负载的相应保护不能正确动作，故障不能及时切除，进而将影响其他负载的正常供电。基于此，本实用新型实施例提供一种储能式母线电路结构与直流电源系统，通过将超级电容接入直流母线构成储能式母线，由储能式母线提供馈线严重过载或短路时的故障电流，保证馈线回路的保护电器可靠动作，及时切除故障，维持其他直流负载的正常供电。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种储能式母线电路结构进行详细介绍。

实施例一：

本实用新型实施例提供了一种储能式母线电路结构，参见图2所示，该电路结构包括：超级电容、保护电器、隔离电器和直流母线。

其中，超级电容的两极分别连接一个保护电器；每个保护电器分别连接一个隔离电器；两个隔离电器分别连接直流母线的正极和负极；当与直流母线连接的负载发生故障时，通过保护电器的正确动作，切除故障。

上述保护电器包括：熔断器。隔离电器包括：隔离开关。

将超级电容通过保护电器、隔离电器接入直流母线，构成储能式母线电路结构，熔断器的保护范围为其向下的电缆、隔离开关、直流母线及所有馈线回路，超级电容自身可承受其出口短路电流，不需保护。

本实施例中，通过将超级电容接入直流母线构成储能式母线，由储能式母线提供馈线严重过载或短路时的故障电流，保证馈线回路的保护电器可靠动作，及时切除故障，维持其他直流负载的正常供电。

实施例二：

本实用新型实施例还提供一种直流电源系统，参见图3所示，该系统包括：分电柜直流母线结构、并联电源模块及如实施例一所述的储能式母线电路结构。

其中，储能式母线电路结构与分电柜直流母线结构连接；分电柜直流母线结构用于连接负载；并联电源模块连接储能式母线电路结构。

分电柜直流母线结构包括：隔离电器G₂、主保护电器S₃和多个从保护电器S₄。隔离电器G₂分别与储能式母线电路结构和主保护电器S₃连接；主保护电器S₃和多个从保护电器S₄连接；多个从保护电器S₄分别连接一个负载。主保护电器S₃和多个从保护电器S₄包括：直流开关或者空气开关。

储能式母线电路结构包括：超级电容U_N、保护电器F₁、隔离电器G₁和直流母线，直流母线还通过保护电器S₂与分电柜直流母线结构连接。

上述并联电源模块包括：AC/DC充电模块、DC/DC变换器及蓄电池。AC/DC充电模块与DC/DC变换器连接；蓄电池分别与AC/DC充电模块和DC/DC变换器连接；AC/DC充电模块连接交流电源；DC/DC变换器连接储能式母线电路结构中的直流母线。

此外，直流电源系统还包括：绝缘监查装置、监控终端。绝缘监查装置通过熔断器与储能式母线电路结构中的直流母线连接；绝缘监查装置还与监控终端连接；监控终端通过通讯母线与并联电源模块连接。

作为一种优选实施方式，上述系统还包括：报警装置。报警装置与监控终端连接；监控终端在判断负载发生故障时，向报警装置发送报警指令，以使报警装置进行报警。其中，报警装置包括：蜂鸣器、灯光报警器、语音播报器中至少一种。

在本实施例中，直流电源系统中保护电器的级差配合由储能式母线电路结构完成，直流母线的充电、直流负载的供电、蓄电池的维护管理由并联电源模块完成，直流母线故障由超级电容回路的熔断器切除。并联电源模块及蓄电池的参数由直流负荷统计确定，超级电容的参数选择主要考虑级差配合的实现和保护电器的类型。

参见图3所示，当直流电源系统馈线回路发生故障时，可忽略并联电源模块提供的助增电流，直流电源系统中的保护电器F₁、S₂、S₃、S₄，需要一定的电流连续作用一定的时间，才能保证其可靠动作。由于在保护电器动作时应保证足够的直流母线电压水平，以保证对直流负载的正常供电，因此，可理解为在满足要求的电压水平下，需要在有限的时间内提供一定的能量，才能保证保护电器的可靠动作。可见，保护电器的正确动作需满足两个条件，一是在动作时间内提供足够的能量，二是在这个时间内能够维持足够的电压水平。据此，提出超级电容参数的选择方法，如式(1)所示，式中C_SC、R_SC分别为超级电容容量、等效串联内阻，r为导线及保护电器总电阻，U₁、U₂分别为故障前直流母线电压(可取直流标称电压)、直流母线最低电压(可取直流标称电压的87.5％)，Im为保护电器的最小瞬时脱扣电流，t_m为保护电器的瞬时脱扣时间。

在直流电源系统的保护电器中，除蓄电池出口熔断器外，通常直流馈电柜至直流分电柜的出口保护电器(如图3中的S₂)的额定电流最大，其瞬时脱扣的最小电流和时间也较其他保护电器大，因此，图3所示系统中，使S₂瞬时动作所需要的能量是最大的，对超级电容的容量要求也最高，故应以S₂、L₂回路计算超级电容参数。在满足动作要求的情况下，应尽量选择较小容量的超级电容，以节省成本，此外，由式(1)中的第2个式子得到：

当选择超级电容容量C_SC后，超级电容等效串联内阻R_SC不能低于由式(2)确定的数值，其物理意义是只有具备一定的时间常数，才能在一定的脱扣时间内满足直流母线电压的要求，而不至于使直流母线电压快速衰减。需要注意的是，在超级电容等效串联内阻R_SC满足式(2)的基础上，应选择较小的内阻值，以保证在一定的脱扣时间内提供足够的能量。式(2)可作为选择超级电容等效串联内阻的依据。

确定超级电容容量C_SC和等效串联内阻R_SC后，可对其进行校验。校验方法为在直流电源系统中的关键位置(一般选择保护电器出口及每段馈线末端)设置短路故障，校核是否满足保护电器级差配合的要求。一般情况下，采用以上方法可满足要求，若不满足，则调整超级电容参数，再进行校验。

基于上述过程确定超级电容参数，具有以下优点：可以实现并联型直流电源系统的级差配合及提高直流母线电压的稳定性。

(1)实现并联型直流电源系统的级差配合

对于图3所示的直流电源系统，采用超级电容模组(容量为62F)，在d1、d2、d3、d4位置发生短路故障时，系统等效串联电阻分别假定为10mΩ、20mΩ、50mΩ、350mΩ，则系统的短路故障电流变化曲线如图4所示。

从图4所示曲线及其变化趋势可知，0≤t≤0.1s内，超级电容可提供较稳定的短路电流，t＞0.1s后，蓄电池出口、馈电柜出口、分电柜出口位置故障的短路电流开始明显衰减，t＝5s时，短路电流衰减至300A以下。终端保护电器出口故障时，由于回路电阻较大，一方面初始短路电流较小，另一方面时间常数大，短路电流衰减缓慢，0≤t≤20s内短路电流无明显衰减。

对于发电厂/变电站直流电源系统，在蓄电池出口、馈电柜出口、分电柜出口位置均配置有直流断路器。直流断路器通常为两段式保护，即过负荷长延时保护(脱扣器)和短路瞬时保护(脱扣器)。当上、下级断路器不能保证选择性配合时，可选择具有三段式保护特性的直流断路器，相比两段式保护，增加了短路短延时保护。结合图4所示的短路电流曲线，考虑直流断路器的短路瞬时保护(脱扣器)的动作时间通常小于0.1s，通过采用上述提出的方法进行超级电容参数的优化选择，将蓄电池出口直流断路器短路瞬时保护(脱扣器)的动作电流控制在图4中的范围A内，同理，馈电柜出口、分电柜出口直流断路器短路瞬时保护(脱扣器)的动作电流控制在B、C范围内，即可保证短路瞬时保护(脱扣器)的动作选择性，对于不能满足选择性配合的情况，可考虑选用三段式直流断路器。对于过载长延时保护(脱扣器)的级差配合，可根据0≤t≤5s内的短路电流曲线和直流断路器的过载长延时曲线进行校验。

(2)提高直流母线电压的稳定性

以电流双象限双向DC-DC变换器作为并联电源模块接入直流母线的功率变换元件，分析超级电容接入直流母线对并联电池直流电源系统稳定性的影响。未接入超级电容时，系统结构如图5所示。图中，U_B、R_B为蓄电池等效电压源和等效内阻，L为变换器电感，S₁、S₂为功率开关器件，D₁、D₂为二极管，C为理想电容，R_L为直流负载，i_L为电感电流，u_C为理想电容电压。

双向DC-DC变换器可工作于升压模式或降压模式。若工作于升压模式，S₁处于关断状态，S₂分别导通、关断时，如图5所示系统的状态方程为：

若工作于降压模式，S₂处于关断状态，S₁分别导通、关断时，由计算可知，如图5所示系统的状态方程仍可由式(3)、式(4)表示，即以上两式表征了系统的动态过程。假定d为开关S1或开关S2工作时的占空比，考虑式(3)和式(4)，利用状态空间平均法，可得到系统的状态空间平均方程为：

当系统处于稳定工作状态时，若稳定工作点为I_L、U_C、D，则状态空间平均方程可写为式(6)的形式，可由此式确定系统稳态时I_L、U_C、D之间的关系。

系统工作于稳态工作点I_L、U_C、D时，对状态空间平均方程(5)进行扰动，扰动量为则代入如式(5)所示的状态空间平均方程，同时考虑到在稳态工作点时满足式(6)，并对方程进行线性化，略去二阶微小量，得到：

式(7)为描述图5所示系统的动态低频小信号行为的状态空间平均方程，假定系统初始状态及其各阶导数为0，对式(7)进行拉普拉斯变换，得到其s域形式如下式所示，其中s为复数变量。

令则式(8)可写为

式(9)即为以为输入，为输出的传递函数，该传递函数对于不同输入、输出具有相同形式的特征方程。事实上，对于12V蓄电池，其输出曲线有一个稳定的电压平台，工作过程中U_B的变化较缓慢，因此，可不考虑蓄电池的扰动导通比d为控制量，随负载的变化而调整，因此，电感电流对导通比的传递函数为：

发电厂或变电站中的直流负载可假定为恒功率负载，即(P0为负载所消耗的功率)，则特征方程的解的实部如式(11)所示。系统稳定的条件是传递函数的极点均位于左半平面，因此，如图5所示直流电源系统的稳定条件如式(12)所示，可见，只要负载功率控制在适当范围内，即可保证系统的稳定性。

将超级电容接入直流电源系统直流母线，系统结构如图6所示。图中，USC、CSC、RSC分别为超级电容端电压(单极性)、电容量、等效串联内阻。仍采用状态空间平均法对如图6所示的系统进行分析，计算过程从略，得到电感电流对导通比传递函数特征方程的极点实部如式(13)所示，则图6所示的直流电源系统的稳定条件如式(14)所示，稳定条件中增加了1/RSC项。

对比式(12)和式(14)，由于超级电容的电容量较大，虽然串联只数较多，但其等效串联内阻一般只有几十mΩ～几百mΩ，因此，超级电容接入直流母线后，可在更大的负载范围内维持系统稳定，此外，超级电容相当于对直流母线进行了低通滤波，稳定了直流母线(理想电容)电压UC，因此，进一步增大了系统的带载能力。

在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种储能式母线电路结构，其特征在于，包括：超级电容、保护电器、隔离电器和直流母线；

所述超级电容的两极分别连接一个所述保护电器；

每个所述保护电器分别连接一个所述隔离电器；

两个所述隔离电器分别连接所述直流母线的正极和负极；

当与所述直流母线连接的负载发生故障时，通过所述保护电器的正确动作，切除故障。

2.根据权利要求1所述的储能式母线电路结构，其特征在于，所述保护电器包括：熔断器。

3.根据权利要求1所述的储能式母线电路结构，其特征在于，所述隔离电器包括：隔离开关。

4.一种直流电源系统，其特征在于，包括：分电柜直流母线结构、并联电源模块及如权利要求1-3任一项所述的储能式母线电路结构；

所述储能式母线电路结构与所述分电柜直流母线结构连接；

所述分电柜直流母线结构用于连接负载；

所述并联电源模块连接所述储能式母线电路结构。

5.根据权利要求4所述的直流电源系统，其特征在于，所述分电柜直流母线结构包括：隔离电器、主保护电器和多个从保护电器；

所述隔离电器分别与所述储能式母线电路结构和所述主保护电器连接；

所述主保护电器和所述多个从保护电器连接；

所述多个从保护电器分别连接一个负载。

6.根据权利要求5所述的直流电源系统，其特征在于，所述主保护电器和所述多个从保护电器包括：直流开关或者空气开关。

7.根据权利要求4所述的直流电源系统，其特征在于，所述并联电源模块包括：AC/DC充电模块、DC/DC变换器及蓄电池；

所述AC/DC充电模块与所述DC/DC变换器连接；

所述蓄电池分别与所述AC/DC充电模块和所述DC/DC变换器连接；

所述AC/DC充电模块连接交流电源；

所述DC/DC变换器连接所述储能式母线电路结构中的直流母线。

8.根据权利要求4所述的直流电源系统，其特征在于，还包括：绝缘监查装置、监控终端；

所述绝缘监查装置通过熔断器与所述储能式母线电路结构中的直流母线连接；

所述绝缘监查装置还与所述监控终端连接；

所述监控终端通过通讯母线与所述并联电源模块连接。

9.根据权利要求8所述的直流电源系统，其特征在于，还包括：报警装置；

所述报警装置与所述监控终端连接；

所述监控终端在判断负载发生故障时，向所述报警装置发送报警指令，以使所述报警装置进行报警。

10.根据权利要求9所述的直流电源系统，其特征在于，所述报警装置包括：蜂鸣器、灯光报警器、语音播报器中至少一种。