CN210092957U - 一种变电站直流电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变电站直流电源装置，所述电源装置包括：前级电源、后级电源、系统控制器、锂电容模组；所述前级电源用于提供低压直流母线输出至所述后级电源和系统控制器，并对所述锂电容模组进行充电；所述后级电源用于接收低压直流母线，为变电站内提供负荷电压值；所述系统控制器用于监控所述电源装置，并将监控信息发送至监控后台；所述锂电容模组用于在故障失电时自动切换为锂电容放电维持所述低压直流母线的输出至所述后级电源和系统控制器。所述电源装置采用锂离子超级电容器模组作为储能介质，在交流故障失电时自动切换为锂电容放电维持直流母线的输出，切换无延迟，不会引起母线振荡，且具备功率密度高、寿命长以及免维护等优点。

Description

一种变电站直流电源装置

技术领域

本实用新型涉及供电领域，具体涉及一种变电站直流电源装置。

背景技术

目前变电站直流电源通常采用铅酸电池作为储能介质，存在功率密度低、工作温度范围窄、充放电效率低、循环寿命短等缺点，虽然初期投入成本低，但使用中维护成本高、寿命周期短，且对工作环境要求高，进而带来一系列成本的提升。超级电容器作为新型储能介质，抗冲击负荷能力强、充放电倍率高、工作温度范围宽、无记忆效应、免维护、长寿命以及绿色环保等特点，在轨道交通、新能源汽车、消费电子产品等领域应用日益广泛并得到一致好评，然而由于技术及市场等诸多因素，其在电力系统中的应用尚处于起步阶段。随着锂离子超级电容技术的发展，超级电容器的能量密度得以大幅提升，在变电站直流系统中应用前景日益受到关注，亟待进行相关配套充放电电源和电池管理技术的研究。

变电站开关柜和就地化保护柜均采用集中式供电的形式，故当铅酸电池自身缺陷或其它原因引起电源系统故障时，会导致全站直流供电异常，进而导致包括所有保护设备失效或误操作，造成严重的后果。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本实用新型提供一种变电站直流电源装置，通过采用锂离子超级电容器单独储能，在交流故障失电时自动切换为锂电容放电维持直流母线的输出，切换无延迟，不会引起母线振荡。

本实用新型提供一种变电站直流电源装置，所述电源装置包括：前级电源、后级电源、系统控制器、锂电容模组；所述前级电源用于提供低压直流母线输出至所述后级电源和系统控制器，并对所述锂电容模组进行充电；所述后级电源用于接收低压直流母线，为变电站内提供负荷电压值；所述系统控制器用于监控所述电源装置，并将监控信息发送至监控后台；所述锂电容模组用于在故障失电时自动切换为锂电容放电维持所述低压直流母线的输出至所述后级电源和系统控制器。

作为一种可选方案，所述前级电源包括正激式AC/DC主电源模块、反激式辅助供电模块和锂电容充放电控制模块；所述正激式AC/DC主电源模块用于输出低压直流母线；所述反激式辅助供电模块用于为前级电源控制电路供电；所述锂电容充放电控制模块用于控制锂电容模组充放电。

作为一种可选方案，所述后级电源包括输入控制模块和反激式DC/DC电源子模块；所述输入控制模块用于控制电源的防反接以及欠压保护电压；所述反激DC/DC电源子模块用于将低压电流转换至高压电流。

作为一种可选方案，所述系统控制器包括主控芯片、隔离采样子模块、供电子模块及光纤收发子模块；所述隔离采样子模块用于监测所述前级电源和所述后级电源及锂电容模组的状态信息；所述系统控制器的光纤收发子模块与主控芯片通过UART方式连接，并将实时监控数据发送至监控后台；所述系统控制器的供电子模块可从直流母线取电，实现多支路隔离供电，并实现锂电容的放电保护，防止过放损坏。

作为一种可选方案，所述电源装置包还括显示模块，所述显示模块用于显示所述电源装置的运行状态。

作为一种可选方案，所述正激式AC/DC主电源模块包括EMI电路、全波整流电路；交流电输入所述EMI电路后经所述全波整流电路转换为直流电压。

作为一种可选方案，所述前级电源还包括输出并联均流模块，所述输出并联均流模块用于配置多个电源。

作为一种可选方案，所述锂电容充放电控制模块分别与所述锂电容模组和所述低压直流母线相连接，基于MOS管线性恒流对锂电容模组进行充电，采用大电流肖特基二极管进行反向放电。

作为一种可选方案，所述锂电容充放电控制模块分别与所述锂电容模组和所述低压直流母线相连接，基于MOS管线性恒流对锂电容模组进行充电，采用大电流肖特基二极管进行反向放电。

作为一种可选方案，所述隔离采样子模块包括交流隔离采样和直流隔离采样。

本实用新型的优点在于：所述电源装置采用锂离子超级电容器模组作为储能介质，在交流故障失电时自动切换为锂电容放电维持直流母线的输出，切换无延迟，不会引起母线振荡，且具备功率密度高、工作温度范围宽、寿命长以及免维护等优点，解决了新型锂电容储能模块的充放电控制难题，并满足了变电站大功率冲击性负荷的供电要求。

附图说明

附图1是本实用新型实施例中分布式锂离子超级电容器直流操作电源装置的系统原理图；

附图2是本实用新型实施例中装置前级电源的原理示意图；

附图3是本实用新型实施例中装置后级电源的原理示意图；

附图4是本实用新型实施例中装置系统控制器的原理示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合具体的实施例，对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型公开了一种变电站分布式锂离子超级电容器直流操作电源装置及方法，装置由前级电源、后级电源、系统控制器、显示模块、锂离子超级电容器模组（锂电容）及防水机壳组成；在交流供电正常时由前级电源对锂电容进行充电，并输出低压直流母线至后级电源，由后级电源升压后提供站内负荷的供电；在交流故障断电时，低压直流母线切换为锂电容供电，经后级电源不间断的提供站内负荷的供电，保证故障下的投切操作；系统控制器可对电源状态进行监控由显示模块实时显示，并经光纤发送至监控后台；本实用新型可满足变电站开关柜和就地化保护柜的供电要求，机壳防水防潮，采用锂电容储能，具备能量密度大、功率密度高、免维护及寿命长等优势。

本实施中提供的站用分布式锂离子超级电容器直流操作电源装置的系统原理图如图1所示，装置由前级电源、后级电源、系统控制器、显示模块、锂电容模组及机壳组成。其原理及接线方式如下，前级电源的输入端经航空插头和输入开关1外接单相220V交流电，其第一输出端输出低压直流母线，连接后级电源的输入端，其第二输出端经开关2接锂电容模组，可实现对锂电容的小电流充电和反向大功率放电；后级电源的输出端输出220V直流电压，经航空插头对直流负荷进行供电；系统控制器的接直流母线实现自供电，同时内置隔离采样电路对交流输入、前级电源、锂电容、后级电源及直流输出进行数据采集及分析处理，实现系统状态监控，并通过显示系统运行状态。

本实施例中提供的前级电源的原理示意图如图2所示，包括正激式AC/DC主电源模块、反激式辅助供电模块和锂电容充放电控制模块三个部分，其中正激式AC/DC主电源模块采用双管正激式拓扑，由输入EMI电路、全波整流电路、高频开关电路、高频变压器、滤波整流电路、隔离驱动电路、PWM控制电路及采样电路等组成，其直流输出构成装置内部的直流母线，单相交流电经过输入EMI电路后经全波整流电路转换为直流电压，然后经过由双MOS管组建的正励式；反激式辅助供电模块采用反激式拓扑，由高频开关电路、高频变压器、滤波整流电路、驱动电路、PWM控制电路及采样电路等组成，用以前级电源相关控制电路的自供电；锂电容充放电控制模块将锂电容与直流母线相连接，基于MOS管线性恒流对锂电容进行充电，采用大电流肖特基二极管进行反向放电；整机基于有机硅全灌封，自冷式散热，防水防尘，满足站内现场恶劣工作环境的要求

本实施例中提供的后级电源的原理示意图如图3所示，包括输入控制模块、两路反激式DC/DC电源子模块及输出并联均流模块组成；输入控制模块一方面控制电源的防反接功能，保证反接时电路不损坏且进行指示，另一方面集成欠压保护电压，当输入电压不足时，相应电源驱动信号关闭，后级电源不工作，防止后备模式下的锂电容过放；当输入正接且电压高于阈值时，两级反激DC/DC电源并联输入，串联输出，实现低压大电流至高压小电流的变换；同时输出并联均流模块可以实现多个电源的并联扩容，便于装置的灵活配置，适用不同的负荷要求；装置基于有机硅全灌封，自冷式散热，防水防尘，满足站内现场恶劣工作环境的要求。

本实例中提供的系统控制器如图4所示，由主控芯片、隔离采样子模块、供电子模块及光纤收发子模块组成。主控芯片为COTEX-M3系列的ARM芯片，内置串口通信、AD采样等多种外设；所述隔离采样子模块包括交流隔离采样和直流隔离采样两个部分，用以接入前后级电源及锂电容模组状态信息，经主控芯片的A/D转换后再通过数据处理分析来判断系统目前的运行状态、故障状态以及剩余电量等信息；所述系统控制器与显示模块以SPI串行总线、电气连接等方式连接，通过液晶屏和LED灯实时显示电源工作状态；所述系统控制器的光纤收发子模块与主控芯片通过UART方式连接，并将实时监控数据发送至监控后台，通信采用Modbus工业协议标准，采用光纤通信方式，保证了数据的可靠性、安全性和保密性；所述系统控制器的供电子模块可从直流母线取电，实现多支路隔离供电，并实现锂电容的放电保护，防止过放损坏；装置基于有机硅全灌封，自冷式散热，防水防尘，满足站内现场恶劣工作环境的要求。

本实用新型提供的电源装置使用方式包含如下步骤：

步骤1：初始化

系统控制器完成自身时钟和外设的初始化，然后发送控制命令至显示模块完成状态显示和操作按键的初始化操作，最后进行系统定时器的初始化，完成以后进入步骤2；

步骤2：系统状态SWITCH循环判断

系统进入死循环，基于状态机机制，通过对定时器Timer的中断计数值进行读取判断，分别进入以下4种不同的子流程；

步骤3：系统状态量信息更新子流程

系统控制器实时采集接口数据，依次更新充电电源、放电电源、剩余电量的状态录入，然后完成数据分析，依次完成工作模式（交流/后备）、充电状态、欠压状态、故障状态等系统状态的更新，完成以后中断此子流程，重新进行SWITCH判断；

步骤4：系统模拟量信息更新子流程

系统控制器基于ADC模数转换实时获取系统的输入电压、输出电压、锂电容电压等信息，并完成数据的处理和分析，然后更新系统的相关模拟量信息，完成以后中断此子流程，重新进行SWITCH判断；；

步骤5：显示模块状态更新子流程

系统控制器读取显示模块的按键输入状态，并基于获取的系统状态量和模拟量信息向显示模块发送控制指令，实时更新其的LED状态和LCD液晶显示界面，完成以后中断此子流程，重新进行SWITCH判断；

步骤6：MODBUS通信子流程

系统控制器监控UART外设接口，获取并解析MODBUS主机的通信请求，并将电源状态量和模拟量信息按照预定义数据格式封装成数据帧，然后经光纤收发电路发送至后台监控系统，完成以后中断此子流程，重新进行SWITCH判断。

本实用新型实施例提供的上述技术方案及附图，用于对本实用新型的进一步说明而非限制，另外应当说明的是，本领域普通技术人员应当知晓，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型技术方案的范围。

以上仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种变电站直流电源装置，其特征在于，所述电源装置包括：

前级电源、后级电源、系统控制器、锂电容模组；

所述前级电源用于提供低压直流母线输出至所述后级电源和系统控制器，并对所述锂电容模组进行充电；

所述后级电源用于接收低压直流母线，为变电站内提供负荷电压值；

所述系统控制器用于监控所述电源装置，并将监控信息发送至监控后台；

所述锂电容模组用于在故障失电时自动切换为锂电容放电维持所述低压直流母线的输出至所述后级电源和系统控制器。

2.根据权利要求1所述的一种电源装置，其特征在于，所述前级电源包括正激式AC/DC主电源模块、反激式辅助供电模块和锂电容充放电控制模块；

所述正激式AC/DC主电源模块用于输出低压直流母线；

所述反激式辅助供电模块用于为前级电源控制电路供电；

所述锂电容充放电控制模块用于控制锂电容模组充放电。

3.根据权利要求2所述的一种电源装置，其特征在于，所述后级电源包括输入控制模块和反激式DC/DC电源子模块；

所述输入控制模块用于控制电源的防反接以及欠压保护电压；

所述反激DC/DC电源子模块用于将低压电流转换至高压电流。

4.根据权利要求1至3任一项所述的电源装置，其特征在于，

所述系统控制器包括主控芯片、隔离采样子模块、供电子模块及光纤收发子模块；

所述隔离采样子模块用于监测所述前级电源和所述后级电源及锂电容模组的状态信息；

所述系统控制器的光纤收发子模块与主控芯片通过UART方式连接，并将实时监控数据发送至监控后台；

所述系统控制器的供电子模块可从直流母线取电，实现多支路隔离供电，并实现锂电容的放电保护，防止过放损坏。

5.根据权利要求4所述的一种电源装置，其特征在于，所述电源装置包还括显示模块，所述显示模块用于显示所述电源装置的运行状态。

6.根据权利要求2所述的一种电源装置，其特征在于，

所述正激式AC/DC主电源模块包括EMI电路、全波整流电路；

交流电输入所述EMI电路后经所述全波整流电路转换为直流电压。

7.根据权利要求2所述的一种电源装置，其特征在于，所述前级电源还包括输出并联均流模块，

所述输出并联均流模块用于配置多个电源。

8.根据权利要求2或3所述的一种电源装置，其特征在于，

所述锂电容充放电控制模块分别与所述锂电容模组和所述低压直流母线相连接，基于MOS管线性恒流对锂电容模组进行充电，采用大电流肖特基二极管进行反向放电。

9.根据权利要求5所述的一种电源装置，其特征在于，系统控制器与显示模块以SPI串行总线方式连接电源装置，通过液晶屏和LED灯实时显示电源装置的运行状态。

10.根据权利要求4所述的一种电源装置，其特征在于，所述隔离采样子模块包括交流隔离采样和直流隔离采样。

Images