CN215185870U - 一种负载平衡装置及供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及负载供电技术领域，公开了一种负载平衡装置及供电系统。本发明创造提供了一种用于适配在供电系统中的负载平衡装置，即通过控制储能调节模块的放电/充电过程，可实现动态调节所述负载平衡装置的负载功率目的，以便将短时间的负载功率突加过程转化为时长可调的总负载功率缓加过程和/或将短时间的负载功率突卸过程转化为时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解在负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源的影响，使得将所述负载平衡装置适配在供电系统中后，可大幅度降低对电源的负荷响应指标，拓展电源的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源，易于满足实际的生产需求。

Description

一种负载平衡装置及供电系统

技术领域

本实用新型属于负载供电技术领域，具体地涉及一种负载平衡装置及供电系统。

背景技术

在诸如油气钻井等场景的供电系统中，需要电源与负载保持一定范围内的功率匹配，而当出现负载突然增加启用或突然卸下停用等情况时，会对电源产生一定的负荷冲击，如果电源的负荷响应特性不足或者多台发电机组之间的特性一致性不好，就会造成并网发电机组解列脱网，进而导致负载无法正常运行。以钻井设备供电场景为例，当钻井设备负载(即电动机)突加或突卸时，产生的负荷冲击会直接传递到作为电源的发电机组，造成由并网发电机组构成的小电网保护被解列，进而使电动机无法正常工作。

因此现有供电系统都对电源的负荷响应特性有较高指标要求，一般采用具有快速响应指标的燃油发电机组(针对燃气发电机组，因为响应较慢，难以满足快速响应要求)来构建电源，导致电源的选择范围有限，选择难度大，难以满足实际的生产需求。

实用新型内容

为了解决在现有供电系统中，因对电源的负荷响应特性有较高指标要求而导致电源的选择范围有限和选择难度大的问题，本实用新型目的在于提供一种用于适配在供电系统中的负载平衡装置及供电系统，可以缓解负荷冲击对电源的影响，进而在供电系统中，可大幅度降低对电源的负荷响应指标，拓展电源的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源，易于满足实际的生产需求。

本实用新型第一方面所采用的技术方案为：

一种负载平衡装置，包括有负载功率采集模块、负载变化接收模块、储能调节模块和控制模块，其中，所述负载功率采集模块用于布置在位于电源与负载之间的传输母线上，所述负载变化接收模块用于布置在所述负载上；

所述储能调节模块包括有充电器、蓄电池、并网逆变器和电池管理控制器，其中，所述充电器的电能输入端电连接所述传输母线，所述充电器的电能输出端电连接所述蓄电池，所述并网逆变器的电能输入端电连接所述蓄电池，所述并网逆变器的电能输出端电连接所述传输母线，所述电池管理控制器的控制信号输出端分别电连接所述充电器的受控端和所述并网逆变器的受控端；

所述控制模块的功率信号输入端电连接所述负载功率采集模块的输出端，所述控制模块的时序信号输入端电连接所述负载变化接收模块的输出端，所述控制模块的控制信号输出端电连接所述电池管理控制器的受控端。

基于上述实用新型内容，提供了一种用于适配在供电系统中的负载平衡装置，即通过控制储能调节模块的放电/充电过程，可实现动态调节所述负载平衡装置的负载功率目的，以便将短时间的负载功率突加过程转化为时长可调的总负载功率缓加过程和/或将短时间的负载功率突卸过程转化为时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解在负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源的影响，使得将所述负载平衡装置适配在供电系统中后，可大幅度降低对电源的负荷响应指标，拓展电源的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源，易于满足实际的生产需求。

在一个可能的设计中，所述负载功率采集模块包括有母线电流互感器、母线电压互感器和功率测量单元，其中，所述母线电流互感器和所述母线电压互感器分别套装在所述传输母线上；

所述母线电流互感器的输出端电连接所述功率测量单元的电流信号输入端，所述母线电压互感器的输出端电连接所述功率测量单元的电压信号输入端，所述功率测量单元的模拟信号输出端电连接所述控制模块的功率信号输入端。

在一个可能的设计中，所述负载变化接收模块的开关量信号输出端、模拟量信号输出端或通讯信号输出端电连接所述控制模块的时序信号输入端。

在一个可能的设计中，所述蓄电池采用铅酸蓄电池或以磷酸铁锂为正极材料的锂离子储能电池。

在一个可能的设计中，所述控制模块采用可编程逻辑控制器。

在一个可能的设计中，还包括有人机交互模块，其中，所述人机交互模块通信连接所述控制模块。

在一个可能的设计中，所述人机交互模块采用触摸屏。

本实用新型第二方面所采用的技术方案为：

一种供电系统，包括电源、传输母线、负载和如第一方面或在第一方面中任意一项可能设计所述的负载平衡装置，其中，所述电源通过所述传输母线电连接所述负载；

在所述负载平衡装置中，负载功率采集模块布置在所述传输母线上，负载变化接收模块布置在所述负载上，储能调节模块中的充电器和并网逆变器分别电连接所述传输母线。

在一个可能的设计中，所述电源包括有出线柜和并网电连接所述出线柜的若干发电机组，所述负载包括有开关柜和分别电连接所述开关柜的若干电动机，其中，所述出线柜通过所述传输母线电连接所述开关柜，以及在所述开关柜中布置所述负载变化接收模块。

在一个可能的设计中，所述负载包括有冲击负荷型设备。

本实用新型的有益效果为：

(1)本发明创造提供了一种用于适配在供电系统中的负载平衡装置，即通过控制储能调节模块的放电/充电过程，可实现动态调节所述负载平衡装置的负载功率目的，以便将短时间的负载功率突加过程转化为时长可调的总负载功率缓加过程和/或将短时间的负载功率突卸过程转化为时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解在负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源的影响，使得将所述负载平衡装置适配在供电系统中后，可大幅度降低对电源的负荷响应指标，拓展电源的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源，易于满足实际的生产需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型提供的负载平衡装置的原理结构示意图。

图2是本实用新型提供的负载平衡装置在投入储能调节模块前后的功率变化对比示例图，其中，图2中的(a)示出了在投入储能调节模块前的功率变化，图2中的(b)示出了在投入储能调节模块后的功率变化。

图3是本实用新型提供的第一种包括有负载平衡装置的供电系统的原理结构示意图。

图4是本实用新型提供的第二种包括有负载平衡装置的供电系统的原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本实用新型作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本实用新型示例的实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本实用新型，并且不应当理解为本实用新型限制在本文阐述的实施例中。

实施例一

如图1～2所示，本实施例提供的所述负载平衡装置，包括有负载功率采集模块、负载变化接收模块、储能调节模块和控制模块，其中，所述负载功率采集模块用于布置在位于电源与负载之间的传输母线上，所述负载变化接收模块用于布置在所述负载上；所述储能调节模块包括有充电器、蓄电池、并网逆变器和电池管理控制器，其中，所述充电器的电能输入端电连接所述传输母线，所述充电器的电能输出端电连接所述蓄电池，所述并网逆变器的电能输入端电连接所述蓄电池，所述并网逆变器的电能输出端电连接所述传输母线，所述电池管理控制器的控制信号输出端分别电连接所述充电器的受控端和所述并网逆变器的受控端；所述控制模块的功率信号输入端电连接所述负载功率采集模块的输出端，所述控制模块的时序信号输入端电连接所述负载变化接收模块的输出端，所述控制模块的控制信号输出端电连接所述电池管理控制器的受控端。

如图1所示，在所述负载平衡装置的具体结构中，所述负载功率采集模块用于实时采集负载功率信息(可以是所述负载的功率信息，也可以是所述负载与所述储能调节模块的总功率信息)，并将所述负载功率信息传送至所述控制模块。具体的，如图1所示，所述负载功率采集模块包括有母线电流互感器、母线电压互感器和功率测量单元，其中，所述母线电流互感器和所述母线电压互感器分别套装在所述传输母线上；所述母线电流互感器的输出端电连接所述功率测量单元的电流信号输入端，所述母线电压互感器的输出端电连接所述功率测量单元的电压信号输入端，所述功率测量单元的模拟信号输出端电连接所述控制模块的功率信号输入端。在所述负载功率采集模块的具体结构中，所述母线电流互感器用于实时采集反映母线电流大小的电流信号，并将所述电流信号传送至所述功率测量单元，其可采用现有的电流互感器型号实现；所述母线电压互感器用于实时采集反映母线电压大小的电压信号，并将所述电压信号传送至所述功率测量单元；所述功率测量单元用于实时地根据所述电流信号和所述电压信号计算得到所述负载功率信息，其可采用现有标准的功率测量单元，并把所述负载功率信息转化为4～20mA的电流信号来传送给所述控制模块，以便通过模拟信号传送方式，来避免通讯模式的信号延迟，保证所述控制模块能够及时地产生响应功率实时变化的控制动作。此外，所述功率测量单元也可直接采用通讯总线方式传送采集到的负载功率信息。

所述负载变化接收模块用于接收反映所述负载出现负载功率变化的时序信号，例如在负载功率突加或负载功率突卸前一定时间内接收到对应的时序信号。具体的，所述时序信号可以但不限于采用开关量信号、模拟量信号或通讯信号等信号形式进行传送，即所述负载变化接收模块的开关量信号输出端、模拟量信号输出端或通讯信号输出端电连接所述控制模块的时序信号输入端。

所述储能调节模块用于在所述控制模块的控制下，通过启用所述充电器对所述蓄电池进行充电(此时需停用所述并网逆变器)或者启用所述并网逆变器对所述蓄电池进行放电(此时需停用所述充电器)的方式，来动态调节所述负载平衡装置的负载功率(即通过充电方式来增加负载功率，以及通过放电方式来减少负载功率)，从而可以与所述负载进行负荷转移，使总负载功率与所述电源的输出功率保持一定范围内的功率匹配。如图1所示，在所述储能调节模块的具体结构中，所述充电器用于在所述电池管理控制器的控制下，将来自所述传输母线上的交流电转换为直流电，并应用该直流电完成对所述蓄电池的充电，其可采用常规的充电电路方案实现；所述蓄电池用于存储电能，以便通过紧急放电/充电方式应对因负载功率突然增加/减少所带来的负荷冲击，其优选采用铅酸蓄电池或以磷酸铁锂为正极材料的锂离子储能电池等；所述并网逆变器用于在所述电池管理控制器的控制下，将来自所述蓄电池的直流电逆变为交流电，并在对该交流电进行电压和/或相位同步处理后并网到所述传输母线上，完成对所述蓄电池的放电，其可采用常规的并网逆变电路方案实现；所述电池管理控制器用于根据来自所述控制模块的放电/充电启动信号(具体也可以但不限于采用开关量信号、模拟量信号或通讯信号等信号形式进行传送)，对所述充电器及所述并网逆变器进行启停控制(具体包括但不限于控制放电/充电的电流大小，以便实现无极化的负荷转移)，其可以但不限于采用常规的电池管理电路方案实现。此外，考虑所述蓄电池的蓄电余量越大，则可增加的负载功率越大，而若所述蓄电池的蓄电量越大，则可减小的负载功率越大，为了随时应对因负载功率突然增加/减少所述带来的负荷冲击，所述蓄电池的蓄电量需保持在最大蓄电量的一半左右，即在当前蓄电量不足所述最大蓄电量的一半时，可在负载功率平稳阶段缓慢充电，而在当前蓄电量超过所述最大蓄电量的一半时，则也可在负载功率平稳阶段缓慢放电。

所述控制模块用于作为所述负载平衡装置的核心，根据所述时序信号和实时的所述负载功率信息，基于常规控制程序来控制所述储能调节模块的放电/充电过程，实现动态调节所述负载平衡装置的负载功率目的，以便将短时间的负载功率突加过程转化为时长可调的总负载功率缓加过程和/或将短时间的负载功率突卸过程转化为时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解在负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源的影响，使得将所述负载平衡装置适配在供电系统中后，可大幅度降低对电源的负荷响应指标，拓展电源的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源，易于满足实际的生产需求。具体的，所述控制模块可以但不限于采用现有的可编程逻辑控制器实现。此外，所述负载平衡装置还包括有人机交互模块，其中，所述人机交互模块通信连接所述控制模块，由此通过配置所述人机交互模块，可方便与使用人员进行人机交互，实现对诸如启用速度、负载功率突加目值、停用速度和负载功率突卸目标值等工作参数进行灵活设置目的，利于实际应用；所述人机交互模块优选采用触摸屏。

如图2所示，下面以将所述负载平衡装置适配在钻井设备供电系统中为例，详细说明其工作原理：如图2中的(a)所示，若不投入储能调节模块，针对钻井设备负载功率在T1时段内的突加情况，要求所述电源也在T1时段内增加功率输出，如此对所述电源的负荷响应指标要求较高；而如图2中的(b)所示，在投入储能调节模块后，针对钻井设备负载功率在T1时段内的突加情况，可通过启用所述并网逆变器进行放电的方式，减少负载功率，使所述电源能够在T1+T2时段内缓慢增加(其具体可通过调整放电电流大小的方式，来调节负载功率的减少量，使时长T2可调)，进而可以缓解所产生负荷冲击对电源的影响，降低对电源的符合响应指标。此外，在第二个平稳时段可启动所述充电器进行缓慢充电，补充因放电所消耗的电量，以便应对下一次负载功率突加的情况。而针对钻井设备负载功率突卸情况，可采用先紧急充电再缓慢放电的方式维持负载平衡，于此不再赘述。

综上，采用本实施例所提供的负载平衡装置，具有如下技术效果：

(1)本实施例提供了一种用于适配在供电系统中的负载平衡装置，即通过控制储能调节模块的放电/充电过程，可实现动态调节所述负载平衡装置的负载功率目的，以便将短时间的负载功率突加过程转化为时长可调的总负载功率缓加过程和/或将短时间的负载功率突卸过程转化为时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解在负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源的影响，使得将所述负载平衡装置适配在供电系统中后，可大幅度降低对电源的负荷响应指标，拓展电源的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源，易于满足实际的生产需求。

实施例二

如图3所示，本实施例在实施例一的技术方案基础上，具体提出了一种应用所述负载平衡装置的供电系统，即所述供电系统包括电源、传输母线、负载和如实施例一所述的负载平衡装置，其中，所述电源通过所述传输母线电连接所述负载；在所述负载平衡装置中，负载功率采集模块布置在所述传输母线上，负载变化接收模块布置在所述负载上，储能调节模块中的充电器和并网逆变器分别电连接所述传输母线。所述供电系统可举例地作为钻井设备供电系统，其中，所述电源包括有出线柜和并网电连接所述出线柜的若干发电机组，所述负载包括有开关柜和分别电连接所述开关柜的若干电动机(其可以是直接电连接的电动机，也可以是通过类似变频器驱动电路等间接电连接的电动机)，其中，所述出线柜通过所述传输母线电连接所述开关柜，以及在所述开关柜中布置所述负载变化接收模块。通过前述供电系统结构，可大幅度减少冲击负载(即电动机的突然启用或卸用)对发电机组的影响，使对发电机组的突加/突卸负载的响应要求大幅度降低，进而大幅度降低了对发电机组的选型要求，以及降低了实际运用中发电机组的维保成本(即在大幅度减少冲击负载后，会提高可靠性和使用寿命)。

本实施例提供的供电系统的技术细节和技术效果，可以参见实施例一，于此不再赘述。

实施例三

如图4所示，本实施例在实施例一的技术方案基础上，具体提出了另一种应用所述负载平衡装置的供电系统，即所述供电系统包括电源、传输母线、负载和如实施例一所述的负载平衡装置，其中，所述电源通过所述传输母线电连接所述负载；在所述负载平衡装置中，负载功率采集模块布置在所述传输母线上，负载变化接收模块布置在所述负载上，储能调节模块中的充电器和并网逆变器分别电连接所述传输母线。所述供电系统适用于独立电源设备给冲击负载供电的应用场景，即所述负载包括有冲击负荷型设备(例如大功率用电设备)，如此不但可以大幅度降低冲击负载对独立电源设备的影响，还能当独立电源设备不足以支撑冲击负载使用时，确保供电系统的正常运行，降低对电源系统的容量要求。

本实施例提供的供电系统的技术细节和技术效果，可以参见实施例一，于此不再赘述。

最后应说明的是，本实用新型不局限于上述可选的实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种负载平衡装置，其特征在于，包括有负载功率采集模块、负载变化接收模块、储能调节模块和控制模块，其中，所述负载功率采集模块用于布置在位于电源与负载之间的传输母线上，所述负载变化接收模块用于布置在所述负载上；

所述储能调节模块包括有充电器、蓄电池、并网逆变器和电池管理控制器，其中，所述充电器的电能输入端电连接所述传输母线，所述充电器的电能输出端电连接所述蓄电池，所述并网逆变器的电能输入端电连接所述蓄电池，所述并网逆变器的电能输出端电连接所述传输母线，所述电池管理控制器的控制信号输出端分别电连接所述充电器的受控端和所述并网逆变器的受控端；

所述控制模块的功率信号输入端电连接所述负载功率采集模块的输出端，所述控制模块的时序信号输入端电连接所述负载变化接收模块的输出端，所述控制模块的控制信号输出端电连接所述电池管理控制器的受控端。

2.如权利要求1所述的负载平衡装置，其特征在于，所述负载功率采集模块包括有母线电流互感器、母线电压互感器和功率测量单元，其中，所述母线电流互感器和所述母线电压互感器分别套装在所述传输母线上；

所述母线电流互感器的输出端电连接所述功率测量单元的电流信号输入端，所述母线电压互感器的输出端电连接所述功率测量单元的电压信号输入端，所述功率测量单元的模拟信号输出端电连接所述控制模块的功率信号输入端。

3.如权利要求1所述的负载平衡装置，其特征在于，所述负载变化接收模块的开关量信号输出端、模拟量信号输出端或通讯信号输出端电连接所述控制模块的时序信号输入端。

4.如权利要求1所述的负载平衡装置，其特征在于，所述蓄电池采用铅酸蓄电池或以磷酸铁锂为正极材料的锂离子储能电池。

5.如权利要求1所述的负载平衡装置，其特征在于，所述控制模块采用可编程逻辑控制器。

6.如权利要求1所述的负载平衡装置，其特征在于，还包括有人机交互模块，其中，所述人机交互模块通信连接所述控制模块。

7.如权利要求6所述的负载平衡装置，其特征在于，所述人机交互模块采用触摸屏。

8.一种供电系统，其特征在于，包括电源、传输母线、负载和如权利要求1～7任意一项所述的负载平衡装置，其中，所述电源通过所述传输母线电连接所述负载；

在所述负载平衡装置中，负载功率采集模块布置在所述传输母线上，负载变化接收模块布置在所述负载上，储能调节模块中的充电器和并网逆变器分别电连接所述传输母线。

9.如权利要求8所述的供电系统，其特征在于，所述电源包括有出线柜和并网电连接所述出线柜的若干发电机组，所述负载包括有开关柜和分别电连接所述开关柜的若干电动机，其中，所述出线柜通过所述传输母线电连接所述开关柜，以及在所述开关柜中布置所述负载变化接收模块。

10.如权利要求8所述的供电系统，其特征在于，所述负载包括有冲击负荷型设备。

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