CN212909049U - 一种适用于静音发电的双向变流装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于静音发电的双向变流装置，包括交流配电模块(1)、电池模组(2)、功率模块(3)和控制模块(6)，交流配电模块(1)具有三相四线制和单相输入输出接口，控制模块(6)采用双电源供电。本实用新型所述的适用于静音发电的双向变流装置，支持40V～200V低压电池模组，可对电池进行有效管理，自适应单相和三相充、放电且能够对三相不平衡负载进行供电。

Description

一种适用于静音发电的双向变流装置

技术领域

本实用新型涉及一种变流装置，尤其是一种适用于静音发电的双向变流装置，属于应急发电领域。

背景技术

常见的储能变流器(PCS)可控制蓄电池的充电和放电过程，完成交、直流变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电，该技术在储能领域已经发展多年并已广泛应用，但是在应急发电领域的应用却极少，其主要原因：

1.一般PCS,直流侧电压范围为：DC200-800V，不适用于DC40-200V直流电压变换；

2.一般PCS，交流侧不能同时支持单相电和三相电，不能适应各种发电和充电的场景；

3.一般的PCS，不能对三相不平衡负载进行供电；

4.利用储能电池用于发电，目前技术工作方式大多为:充电＝电池+充电机，发电＝电池+逆变器，应用过程操作繁琐、效率低下。

因此，亟待研究和设计出一种可以应用于应急发电领域、功能更多的双向变流器。

实用新型内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种适用于静音发电的双向变流装置包括交流配电模块1、电池模组2、功率模块3、采样模块4和电池采集模块5和控制模块6，

所述交流配电模块1用于与电源或负载连接；

所述电池模组2包括一个或多个串并联的电池；

所述功率模块3能够进行直流和交流的转换，与控制模块6相连，包括IGBT、BOOST电路、BUCK电路以及IGBT驱动电路；

所述控制模块6与功率模块3相连，用于控制双向变流装置的工作状态。

所述交流配电模块1具有三相电接口和单相电接口，所述三相电接口优选为三相四线制接口，单相接口N相与三相接口中N相相连，单相接口L相与三相接口A、B、C相中任一项相连。

所述电池模组2的输出电压为30～260V，优选为40～200V。

所述交流配电模块1通过第一电源模块11与控制模块6相连，所述电池模组2通过第二电源模块21与控制模块6相连；

所述第一电源模块11输入为交流，输入端与交流配电模块1相连，第一电源模块11的输出为直流；

所述第二电源模块21输入为直流，输入端与电池模组2相连；第二电源模块21的输出为直流，直流电压与第一电源模块11的输出电压相同。

所述第一电源模块11具有开关电源，开关电源的输入端与交流配电模块1中L相和N相相连；

所述第二电源模块21通过LHE25系列电源模块与电池模组2相连，

所述第一电源模块11和第二电源模块21的输出端并联后，与控制模块6相连，优选地，在所述第一电源模块11和第二电源模块21的输出端分别具有防反接二极管。

所述IGBT的输出端采用三相四桥臂拓扑结构电路与交流配电模块1相连。

所述IGBT驱动电路具有驱动光耦，驱动光耦通过检测信号IGBT的C端与E端的压差来判断IGBT的工作状态，当IGBT发生短路故障时，驱动光耦封锁PWM脉冲。

所述采样模块4包括电流检测调理子模块、电压检测调理子模块、温度采样子模块和风扇转速采集子模块；

所述电流检测调理子模块与交流配电模块1相连，用于检测和调整交流配电模块1内三相(包括A相、B相和C相)和N相电路中的电流；

所述电压检测调理子模块与交流配电模块1中相连，用于检测和调整交流配电模块1内各相电路电压；所述电压检测调理子模块还与电池模组2相连，以检测电池模组2的输出电压；

所述温度采样子模块用于检测PCS内部的温度，其与控制模块6相连；

所述风扇转速采集子模块用于采集和调整PCS中散热风扇的转速，一端与控制模块6相连，另一端与散热风扇相连；

所述电池采集模块5与电池模组2中单体电池相连，用于采集单体电池的电压和温度，

所述控制模块6包括DSP芯片、FPGA芯片和外围驱动电路，

当电网对PCS进行充电时，DSP芯片通过对交流配电模块1中各相电压的检测来判断电网输入类型。

PCS在离网放电时，所述控制模块6按照如下步骤进行三相电路电压电流的控制：

S1、获取三相电路电压、电流实际值；

S2、比对电流实际值，获得各相电流偏差；

S3、根据各相电流偏差，计算电流跟踪PI和；

S4、根据电流跟踪PI和，调制波使之与三角波幅值匹配；

S5、根据步骤S4得到的调制波，调整各相电压电流。

所述控制模块6通过电压检测调理子模块检测电池模组2的输出电压的检测，判定电池模组2是否发生过放现象，若发生过放现象，通过调整功率模块3对电池模组2进行涓流充电激活电池模组2。

本实用新型所述的一种适用于静音发电的双向变流装置，具有的有益效果包括：

(1)根据本实用新型提供的适用于静音发电的双向变流装置，控制模块采用双电源供电，装置可靠性更高；

(2)根据本实用新型提供的适用于静音发电的双向变流装置，支持40V～200V低压电池模组；

(3)根据本实用新型提供的适用于静音发电的双向变流装置，可对电池进行有效管理，包括唤醒激活、监控SOC、监控SOH等；

(4)根据本实用新型提供的适用于静音发电的双向变流装置，可自适应单相和三相充、放电，使用范围更加广泛；

(5)根据本实用新型提供的适用于静音发电的双向变流装置，能够对三相不平衡负载进行供电。

附图说明

图1示出一种优选实施方式的适用于静音发电的双向变流装置结构示意图；

图2示出一种优选实施方式的适用于静音发电的双向变流装置第一电源模块与第二电源模块示意图；

图3示出一种优选实施方式的适用于静音发电的双向变流装置电流检测调理子模块电路结构示意图；

图4示出一种优选实施方式的适用于静音发电的双向变流装置电压检测调理子模块电路结构示意图；

图5示出一种优选实施方式的适用于静音发电的双向变流装置温度采样子模块电路结构示意图；

图6示出一种优选实施方式的适用于静音发电的双向变流装置IGBT驱动电路结构示意图；

图7示出一种优选实施方式的适用于静音发电的双向变流装置电网输入类型判断流程示意图。

附图符号说明

1-交流配电模块

11-第一电源模块

2-电池模组

21-第二电源模块

3-功率模块

4-采样模块

5-电池采集模块

6-控制模块

7-操作模块

8-散热模块

81-第三电源模块

具体实施方式

下面通过附图对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型的特点和优点将变得更为清楚明确。

本实用新型提供了一种适用于静音发电的双向变流装置，包括交流配电模块1、电池模组2、功率模块3、采样模块4、电池采集模块5、控制模块6和操作模块7，如图1所示。

所述交流配电模块1具有三相电接口和单相电接口，其既能作为电源输入端，也能够对三相、单相电网或负载输出。

优选地，所述三相电接口为三相四线制接口，单相接口N相与三相接口中N相相连，单相接口L相与三相接口A、B、C相中任一项相连。

所述电池模组2包括一个或多个串并联的电池，优选地，所述电池为电动汽车退役后的动力电池或者电动自行车电池。

根据本实用新型，所述电池模组2的输出电压为30～260V，优选为40～200V，电池模组2的低电压输出，为PCS对电池单体进行激活、管理提供了基础条件。

在一个优选的实施方式中，所述电池模组2通过1-4组额定电压48V磷酸铁锂电池的任意串并联组合得到。

在一个更加优选的实施方式中，所述电池模组2通过多组电池并联的方式得到，在同等电度情况下多组电池并联，可有效降低串联方式带来的因一个或多个单体电池故障导致的变流装置欠压停机问题。

所述交流配电模块1通过第一电源模块11与控制模块6相连，所述电池模组2通过第二电源模块21与控制模块6相连。

具体地，所述第一电源模块11输入为交流，输入端与交流配电模块1相连；第一电源模块11的输出为直流，优选输出为24V直流，24V电压符合国家安全等级电压规范要求，适配性更强。

进一步地，所述第一电源模块11具有开关电源，开关电源的输入端与交流配电模块1中L相和N相相连。优选地，所述开关电源为LRS-100系列电源模块，其电路如图2所示。

所述第二电源模块21输入为直流，输入端与电池模组2相连；第二电源模块21的输出为直流，直流电压与第一电源模块11的输出电压相同。

进一步地，所述第二电源模块21通过LHE25系列电源模块与电池模组2相连，以将电池模组2输出电压转换成与第一电源模块11相同的输出电压，如图2所示。

优选地，在所述第二电源模块21与电池模组2连接端，还设置有保险和压敏电阻，以防止电池模组与第二电源模块21连接异常时产生突变电压，造成装置损坏。

进一步地，所述第一电源模块11和第二电源模块21的输出端并联后，与控制模块6相连，为控制模块6提供电源。

更进一步地，所述第一电源模块11和第二电源模块21的输出端分别具有防反接二极管，以保护控制模块6。

双电源供电的方式，使得第一电源模块11和第二电源模块21构成冗余供电网，在PCS工作过程中，第一电源模块11和第二电源模块21互为备份为控制模块6供电，避免了变流装置在电源切换瞬间不稳定的现象。

同时，双电源供电的方式，还解决了电池亏电严重时，PCS无法立即工作的现象：若只采用第二电源模块21对控制模块6供电，当电池因长时间放置等原因造成电池电压低于第二电源模块21的输入电压范围，此时，第二电源模块21无法正常给控制模块6供电，导致PCS控制不稳定；本实用新型对控制模块6的供电系统采用冗余设计，使得电池亏电时，第一电源模块11可正常对控制模块6供电，保证了PCS的稳定控制。

所述采样模块4用于采集PCS内部的电气量和非电气量，以为控制模块6提供控制依据。

进一步地，所述采样模块4包括电流检测调理子模块、电压检测调理子模块、温度采样子模块和风扇转速采集子模块。

具体地，所述电流检测调理子模块与交流配电模块1相连，用于检测和调整交流配电模块1内三相(包括A相、B相和C相)和N相电路中的电流，其电路结构如图3所示。

所述电压检测调理子模块与交流配电模块1中相连，用于检测和调整交流配电模块1内各相电路电压，其与交流配电模块1任一相连接的电路结构如图4所示。

更进一步地，所述电压检测调理子模块还与电池模组2相连，以检测电池模组2的输出电压。

所述温度采样子模块用于检测PCS内部的温度，其与控制模块6相连，所述温度采样子模块包括温度传感器及温度采样驱动电路，其电路结构如图5所示。

所述风扇转速采集子模块用于采集和调整PCS中散热风扇的转速，一端与控制模块6相连，另一端与散热风扇相连。

所述功率模块3能够进行直流和交流的转换，其与控制模块6相连，包括IGBT、BOOST电路、BUCK电路以及IGBT驱动电路，所述IGBT的输出端采用三相四桥臂拓扑结构电路与交流配电模块1相连，以实现对三相电压电流的独立控制。

IGBT是一种用MOS来控制晶体管的新型电力电子器件，具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点，被广泛应用在变频器的逆变电路中。

在PCS放电时，功率模块3将第二电源模块21输出的直流电流转换为交流电流，向负载或电网输出；在PCS充电时，将交流配电模块1输入的交流电转换成直流电，传递至电池模组2。

在一个优选的实施方式中，所述IGBT驱动电路具有保护功能，如图6所示，包括驱动光耦，所述驱动光耦优选为316J芯片，信号VCV与VPC为PWM脉冲驱动信号，由控制模块6提供，信号GV为通过驱动光耦及推挽电路生成的IGBT驱动信号，驱动光耦还可以通过检测信号PV(IGBT的C端提供)与信号EV(IGBT的E端提供)的压差来判断IGBT的工作状态，IGBT正常导通时，其压差为1.35V，当IGBT发生短路故障时，压差会迅速上升，此时驱动光耦内部的比较电路会封锁PWM脉冲，同时通过FAULT引脚输出低电平通知控制模块6。此电路有效保障IGBT按照控制模块6的指令正常工作，同时通过短路监测功能可有效保障IGBT安全，在IGBT故障时及时停止对其驱动。

所述电池采集模块5与电池模组2中单体电池相连，用于采集单体电池的电压和温度，在本实用新型中，对电池采集模块5具体的电路结构不做特别限制，只要能够完成电池电压和温度的采集即可，例如LTC2943芯片及驱动电路。

所述控制模块6用于控制PCS的工作状态，其与功率模块3和采样模块4相连，通过对采样模块4采集的电气量和非电气量进行处理，实现对变流装置的控制。

具体地，所述控制模块6包括DSP芯片、FPGA芯片和外围驱动电路。

所述DSP芯片与电压检测调理子模块相连，所述DSP芯片能够将电压检测调理子模块检测到的电压模拟量和电流检测调理子模块检测到的电流模拟量，转换成数字量并存储至AD寄存器中，还能够将AD寄存器中的数字量转换为高低电平，并传递到开关电源，以对第一电源模块11进行控制。

进一步地，所述DSP芯片还能够对AD寄存器中的数字量进行读取并判断交流配电模块1接入的是单相还是三相电源，并据此对第一电源模块11进行控制。

具体地，在电网对PCS进行充电时，DSP芯片通过对交流配电模块1中各相电压结果为依据进行电网输入类型判断，如图7所示，

获取三相电路电压值后，对三相电路电压之和与预设值进行比对，所述预设值包括最大预设值、第一预设值、第二预设值。进一步地，当A、B、C三相电压均大于最大预设值时，表示电网对交流配电模块1输入电压过大，提示错误，以方便人员对交流配电模块1接入电网进行检查；

当A、B、C三相电压均小于等于最大预设值，且大于第一预设值时，判定为交流配电模块1接入的是三相电源；

当A、B两相电压小于等于第一预设值且小于第二预设值时，判定为交流配电模块1接入的是单相电源；

除上述情况外，其它情况提示错误，以通知人员进行检查。

根据本实用新型，所述最大预设值、第一预设值、第二预设值可根据实际需要进行调整，例如，在中国大部分地区，三相供电中电网单相电压最高值小于260V，单相电压最低值大于180V，单相供电中电网单相最低值大于85V，则最大预设值、第一预设值、第二预设值分别为260V、180V和85V。

DSP芯片根据上述判断结果此对功率模块3进行控制，以针对不同的输入电网完成充电过程。

在本实用新型中，通过控制模块6对交流配电模块1接入电压的判断，实现了对三相和单相的自动判定，从而使得PCS能够适应不同的电网，极大了拓展了PCS的使用范围。

所述FPGA芯片与功率模块3相连，获取功率模块3的运行状态，提供功率模块3所需的PWM脉冲。所述FPGA芯片还与温度采样子模块和风扇转速采集子模块相连，以完成温度、风扇转速等非电气量的采样。

在一个优选的实施方式中，所述DSP芯片与FPGA芯片还能够相互监控运行状态，在任何一个芯片运行出现异常后及时报警或停机，以保证装置的安全。

在三相四线供电的电路中，若没有零线或零线开路就会造成零点漂移，造成三相电压的不平衡，使得负载轻的相电压升高，不利于设备安全。此外，传统的双向变流装置只能工作在三相负载相对平衡情况，当三相负载不平衡时，无法安全有效的完成供电。

根据本实用新型，PCS在离网放电时，所述控制模块6还能够根据交流配电模块1中三相电路电压电流的检测值，独立控制功率模块3，通过三相四桥臂电路对三相电路分别控制，实现为三相不平衡负荷提供50Hz三相标准交流电源的效果。

具体地，按照如下步骤进行三相电路电压电流的控制。

S1、获取三相电路电压、电流实际值；

S2、比对电流实际值，获得各相电流偏差；

S3、根据各相电流偏差，计算电流跟踪PI和；

S4、根据电流跟踪PI和，调制波使之与三角波幅值匹配；

S5、根据步骤S4得到的调制波，调整各相电压电流。

在本实用新型中，在所述DSP芯片中还预设有电池电压、温度模型，所述DSP芯片通过CAN总线与电池采集模块5相连，将电池采集模块5采集到的数据与预设的电池电压、温度模型拟合，通过卡尔曼滤波算法计算相应单体电池的SOC、SOH，对单个电池进行管理。

本实用新型所述的适用于静音发电的双向变流装置，还能够对电池模组2中的电池进行唤醒激活，在使用退役电池组合成电池模组2时，无需使用专用唤醒设备对退役电池进行额外的检测激活，可直接使用双向变流装置进行检测激活。

具体地，所述控制模块6通过电压检测调理子模块检测电池模组2的输出电压，当电池电压低于某一预设值时(例如40V)，则说明电池模组2已发生过放现象，此时，控制模块6通过调整PWM脉冲，将功率模块3输出到电池模组2的电流调整到涓流(例如10A)，以对电池模组2进行超低压唤醒，持续检测电池模组2的输出电压值，直至电池电压高于40V后，控制模块6控制功率模块3以恒压限流方式给电池正常充电。

通过采样模块4、电池采集模块5、控制模块6的有序配合，使得PCS不仅能够完成正常的充放电过程，还能够在电池异常时对电池进行唤醒激活修复，并持续对单体电池进行SOC、SOH检测，实现了对电池模组的综合管理、维护和监控。

所述操作模块7与控制模块6中DSP芯片相连，以实现实时通讯，通讯内容包括参数设置、实时数据的读取、操作的记录、故障的显示等。

在一个优选的实施方式中，所述操作模块7为基于ARM开发的人机操作界面设备，其具有操作系统永不崩溃、通电即进入操作界面无需等待、抗强电磁干扰、超低功耗、刷新速度快、稳定可靠等优点。

根据本实用新型，所述适用于静音发电的双向变流装置还具有散热模块8，以对变流装置进行散热，保证装置的可靠性。

优选地，所述散热模块8包括风扇和为风扇供电的第三电源模块81，所述第三电源模块81与功率输出模块3相连，由功率输出模块3对散热模块8进行供电，供电系统与控制模块6的供电系统隔离开，避免了风扇在旋转过程中产生的波纹电压干扰控制模块6，造成PCS不稳定。

所述风扇优选为调速风扇，其能够降低噪音，更优选的，所述调速风扇具有转速反馈功能，调速风扇的反馈控制端与FPGA芯片相连，在风扇故障时，控制模块6能够及时获得信息，发出警报或停机，保变流装置的安全。

优选地，所述所述调速风扇的反馈控制端采用光耦隔离的方式与控制模块6相连，有效降低风扇运行时对控制模块6的干扰。

在一个优选的实施方式中，所述风扇具有多个，安置在PCS不同位置，以保证PCS各处温度均匀，避免个别位置温度过高导致零部件烧毁。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”和“外”等指示的方位或位置关系为基于本实用新型工作状态下的方位或位置关系，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。

以上结合了优选的实施方式对本实用新型进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本实用新型进行多种替换和改进，这些均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于静音发电的双向变流装置，包括交流配电模块(1)、电池模组(2)、功率模块(3)、电池采集模块(5)和控制模块(6)，其特征在于，

所述交流配电模块(1)与电源或负载连接，所述交流配电模块(1)具有三相电接口和单相电接口，所述三相电接口为三相四线制接口，单相接口N相与三相接口中N相相连，单相接口L相与三相接口A、B、C相中任一项相连；

所述电池模组(2)包括一个或多个串并联的电池；

所述功率模块(3)进行直流和交流的转换，与控制模块(6)相连，包括IGBT、BOOST电路、BUCK电路以及IGBT驱动电路；

所述IGBT的输出端与交流配电模块(1)相连；

所述控制模块(6)与功率模块(3)相连，控制双向变流装置的工作状态；

所述交流配电模块(1)通过第一电源模块(11)与控制模块(6)相连，所述电池模组(2)通过第二电源模块(21)与控制模块(6)相连；

所述第一电源模块(11)和第二电源模块(21)的输出端并联后，与控制模块(6)相连，在所述第一电源模块(11)和第二电源模块(21)的输出端分别具有防反接二极管；

所述电池采集模块(5)与电池模组(2)中单体电池相连，用于采集单体电池的电压和温度。

2.根据权利要求1所述的适用于静音发电的双向变流装置，其特征在于，

所述电池模组(2)的输出电压为30～260V。

3.根据权利要求1所述的适用于静音发电的双向变流装置，其特征在于，

所述第一电源模块(11)输入为交流，输入端与交流配电模块(1)相连，第一电源模块(11)的输出为直流；

所述第二电源模块(21)输入为直流，输入端与电池模组(2)相连；第二电源模块(21)的输出为直流，直流电压与第一电源模块(11)的输出电压相同。

4.根据权利要求3所述的适用于静音发电的双向变流装置，其特征在于，

所述第一电源模块(11)具有开关电源，开关电源的输入端与交流配电模块(1)中L相和N相相连；

所述第二电源模块(21)通过LHE25系列电源模块与电池模组(2)相连。

5.根据权利要求1所述的适用于静音发电的双向变流装置，其特征在于，

所述IGBT的输出端采用三相四桥臂拓扑结构电路与交流配电模块(1)相连。

6.根据权利要求1所述的适用于静音发电的双向变流装置，其特征在于，

所述IGBT驱动电路具有驱动光耦，驱动光耦通过检测信号IGBT的C端与E端的压差来判断IGBT的工作状态，当IGBT发生短路故障时，驱动光耦封锁PWM脉冲。

7.根据权利要求1所述的适用于静音发电的双向变流装置，其特征在于，

该装置包括采样模块(4)，所述采样模块(4)包括电流检测调理子模块、电压检测调理子模块和温度采样子模块；

所述电流检测调理子模块与交流配电模块(1)相连，用于检测和调整交流配电模块(1)内三相(包括A相、B相和C相)和N相电路中的电流；

所述电压检测调理子模块与交流配电模块(1)中相连，用于检测和调整交流配电模块(1)内各相电路电压；

所述温度采样子模块用于检测PCS内部的温度，其与控制模块(6)相连。

8.根据权利要求7所述的适用于静音发电的双向变流装置，其特征在于，

所述电压检测调理子模块与电池模组(2)相连，以检测电池模组(2)的输出电压。

9.根据权利要求7所述的适用于静音发电的双向变流装置，其特征在于，

所述采样模块(4)包括风扇转速采集子模块，所述风扇转速采集子模块用于采集和调整PCS中散热风扇的转速，一端与控制模块(6)相连，另一端与散热风扇相连。

10.根据权利要求1所述的适用于静音发电的双向变流装置，其特征在于，

所述控制模块(6)包括DSP芯片、FPGA芯片和外围驱动电路。

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