用於核電站動力應急電源之蓄能系統模塊的製作方法
2023-04-29 08:45:06
專利名稱：用於核電站動力應急電源之蓄能系統模塊的製作方法
技術領域：
本發明屬於核電領域，涉及百萬千瓦級先進壓水堆核電站的新型節能系統，尤其涉及用於核電站應急系統中用於向核電站用電設備供電的蓄能系統中的電池模組和換流裝置。
背景技術：
核電站(nuclear power plant)是利用核裂變(Nuclear Fission)或核聚變 (Nuclear Fusion)反應所釋放的能量產生電能的發電廠。為了保護核電站工作人員和核電站周圍居民的健康，核電站的設計、建造和運行均採用縱深防禦的原則，從設備、措施上提供多重保護，以確保核電站對反應堆的輸出功率進行有效的控制，且能夠在出現各種自然災害，如地震、海嘯、洪水等，或人為產生的火災、爆炸等，也能確保對反應堆燃料組件進行充分的冷卻；進而保證放射性物質不發生向環境的排放。縱深防禦原則一般包括五層防線，第一層防線精心設計、製造、施工，確保核電站有精良的硬體環境，建立完善的程序和嚴格的制度，對核電站工作人員有系統的教育和培訓，建立完備的核安全文化；第二層防線加強運行管理和監督，及時正確處理異常情況，排除故障；第三層防線在嚴重異常情況下，反應堆的控制和保護系統能及時並有效的動作，以防止設備故障和人為差錯進而發展為事故；第四層防線在事故情況下，及時啟用核電站安全保護系統，包括各種專設安全設施，用以加強事故中的電站管理，防止事故擴大，以保護核電站3道屏障的完整性；第五層防線萬一發生極不可能發生的事故，並伴有放射性外洩，應及時啟用廠內外一切應急系統，努力減輕事故對周圍居民和環境的影響。安全保護系統均採用獨立設備和冗餘布置，使得安全系統可以抗地震和在其他惡劣環境中運行。電源作為核電站運行的動力源，無論是設置上還是運行上，都應體現縱深防禦的理念。為實現核電站電源系統的高可靠性，對某些特別重要的用電設備或特殊要求的設備均應備有應急電源，同時進行多重性、獨立性地設置，以避免發生共模故障導致應急電源的不可用。核電站的應急電源系統和正常電源系統一起，共同構成廠用電系統，為廠內所有的用電設備提供安全可靠的供電。應急電源必須保證在正常運行工況、事故工況期間或事故工況後為核電站的應急安全設備提供電源，以執行安全功能。由於核電站核安全的特殊性，故而其電源系統的設計要求應大大高於其他行業。核電站設置有多道冗餘電源，包括廠外主電源、廠外輔助電源和應急固定式柴油機等專用應急電源，各電源各司其職，同時又互有配合，不僅形式多樣，而且層層設置，多重冗餘，最大限度地為電核電站提供可靠的供電。目前，核電站的廠用電系統運行方式如下1)在正常運行條件下，整個廠用設備的配電系統由機組的^KV母線經過高壓廠用變壓器供電；
2)當機組運行時，26KV母線由主發電機供電；3)發電機停機時，則由400/500KV電網經過主變壓器向^KV母線倒送電；4)如果^KV母線失去電源或失去高壓廠用變壓器，即失去廠外主電源，則220KV 電網經過輔助變壓器向必須運行的安全輔助設施供電，使反應堆維持在熱停堆狀態；5)如果廠外主電源和廠外輔助電源均失去供電，則由應急柴油發電機組(一個機組配兩臺應急柴油發電機)向應急廠用設備供電，使反應堆進入冷停堆狀態；6)當核電機組的任何一臺應急柴油發電機組不可用時，則由第五臺柴油機取代， 執行應急柴油發電機組的功能，向應急廠用設備供電。然而，固定式的應急柴油機組，具有一定的局限性。這是因為，在固定式柴油機驅動發電機運轉、將柴油的能量轉化為電能時，必須通過在固定式柴油機汽缸內、將過濾後的潔淨空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油充分混合後，推動活塞下行，各汽缸按一定順序依次作功，從而帶動曲軸旋轉。再通過固定式柴油機的旋轉帶動發電機的轉子，利用「電磁感應」原理，發電機就會輸出感應電動勢，經閉合的負載迴路就能產生電流，從而實現發電功能。上述發電過程中，必須通過空氣與高壓霧化柴油的充分混合才能實現。當在洪水、海嘯、泥石流等情形下時，固定式柴油機的電氣系統將有可能因為水淹而失效，供油管道、壓縮空氣管道將有可能因為外部衝擊力而斷裂，柴油機本體有可能因為衝擊力而結構發生變形，這些都會導致固定式柴油發電機組無法啟動，進而無法提供應急電源。因此，在其他電源失去的情況下，作為核電站最終應急電源的固定式應急柴油機組，由於其自身特點決定了其不能抵抗水淹災害——如洪水、海嘯、颱風潮等，當出現超設計基準的極端自然災害時，固定式應急柴油機組很容易失去供電，無法為核電站提供反應堆芯餘熱排出和乏燃料水池冷卻的動力需求，這將導致核電站產生災難性的後果。目前，現有的核電站蓄電池系統多採用鉛酸蓄電池，多用於在應急情況下為電站控制系統電，容量小(一般為200-3000Ah)，體積大，一般在地面上通過鋼框架進行固定，佔地面積大，且不能對每個電池模組或電池單體進行狀態監測，而且不便於根據不同核電站的容量需求進行模塊化組裝擴容。現有電動車領域所用到的電池單體容量小，體積小，重量輕，規模小，數量少，便於安裝和固定。這樣的電池用到核電站這樣的大容量需求的場合，單體電池的數量無遺將是一個龐大的數字，，其疊放固定方式無法適用於核電站應急動力電源蓄能系統大量高容量電池。現有電池管理系統的管理方法之一是單體電池分別本地化檢測計算，計算數據通過一定的通訊手段集中起來統一再處理和並進行控制。該方法用到核電站作為應急動力電源蓄能系統時存在的問題是由於電池數量大，需要用到的電池內置檢測計算晶片也多， 使得成本和複雜度提高，並且要求通信總線有很高的帶載能力。現有電池管理系統的管理方法之二是集中檢測計算並進行控制的方法所有單體電池的電壓、電流、溫度統一引入至中央管理系統進行檢測計算並進行控制。該方法用到核電站作為應急動力電源蓄能模塊時存在的問題是由於電池數量大，引線長而且多，容易受到電磁幹擾，而且因為線阻大而直接影響測量精度，因為需要把個單體電池電壓信號引入中央管理系統，容易引起導線發生短路而直接影響蓄能系統安全，因為引線數量多，中央管理系統難以有相同數量的接線端□。目前，模塊化整流/充電模塊已經得到廣泛應用，少量UPS模塊並聯也有樣機出現。但是，現有的核電站應急動力電源換流裝置的結構為整體單機型式，所以其容量受限， 無法用在大容量的應急電源裝置中。而且如果核電站應急動力電源換流裝置內部的某個部分發生故障，將導致整個核電站應急動力電源換流裝置無法供電，失去應急或備用電源的獨特作用，這樣也會大大降低核電站應急動力電源換流裝置的可靠性。目前的換流裝置的固定結構中，雖然有各種形式的常規結構的裝置，但是現有技術中的裝置抗震性能差，無法承受高烈度的地震，在地震中裝置的機櫃很容易變形，將導致換流裝置不能正常地工作，影響核電站相關設備運行的可靠性，不利於核電站的安全運行。
發明內容
本發明的目的在於提供了一種用於核電站應急電源中的蓄能系統模塊，解決現有的核電站應急動力電源換流裝置在其某個部分發生故障時，導致整個核電站應急動力電源換流裝置無法供電、容量受限以及抗震性差的問題；同時解決對於大量高容量單體電池的可靠疊放固定和監測管理問題，使得既能便於維修更換、節省佔地空間、便於模塊化擴容， 又有利於電池散熱保證使用壽命，而且能夠在發生高烈度地震時不會出現鬆動或開裂等損壞，保證設備功能正常，在廠外主、廠外輔助電源和廠內應急電源等通用電源失去、而應急柴油發電機不能正常起動時，蓄電池組能夠實現快速、及時地向反應堆安全設施及乏燃料系統提供應急電源，維持核電站處於安全狀態，從而防止在發生緊急狀態時由於斷電而帶來的嚴重後果。本發明的技術方案是一種用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，包括由多個電池模組並聯構成的電池陣列、通過直流母線與各所述電池模組電連接的換流裝置，可實時監測和控制各電池模組狀態的電池模組監控器。所述電池模組由多個電池包串聯或/和並聯構成，所述電池包為多個單體電池串接後形成的模塊式結構。所用到的電池單體具有容量大(可能達5000-10000Ah)、體積比較
大，重量重的特點。所述電池包串聯時，在本串電池包的串聯母線上設有電流檢測元件，實現對串聯在一起的電池包中的所有單體電池工作電流的本地化分組檢，並將電流值上傳到電池模組監控器。所述各單體電池成行或成列排列，各單體電池之間夾設有柔性墊或至少兩豎向設置的柔性條，且各相鄰的單體電池正、負極柱之間柔性電連接。所述各單體電池之正、負極柱上開設有連接孔，柔性電連接線兩端通過連接件固定於連接孔上。所述連接件頂部包覆有一絕緣罩。所述單體電池內置有溫度採集元件、電壓採集元件，用於將採集的單體電池溫度和電壓信息傳送至所屬電池包的信號檢測模塊上，所述信號檢測模塊實現對相應電池包內的所有單體電池溫度信號和電壓信號的本地化檢測分組匯總，其中對電壓信號的檢測方法是採用高速切換開對相應電池包內的所有單體電池的電壓信號進行交替檢測，所述信號檢測模塊通過數據傳輸線與電池模組監控器相連，將檢測數據上傳到電池模組監控器。所述電池模組監控器對來自下遊的各信號檢測模塊和各電流檢測元件的數據進行計算，以獲得單體電池剩餘電量、內阻、溫度、電壓、電流等狀態參數，並進行顯示、記錄，並通過CAN總線與外界中央控制系統，實現對信號的本地化分組處理。外界中央控制系統對下遊各電池模組監控器進行集中監測和控制。將所述電池包置於一電池櫃或電池架內。所述電池櫃櫃體包括設置於四條豎直邊內部豎直方向的四根槽鋼、電池倉兩側的鋼架結構、電池櫃櫃體的側面焊接加強鋼梁。所述電池櫃或電池架內設置有多個平行設置的隔板，在豎直方向上形成一列或多列可放置多個電池包的電池倉，所述信號檢測模塊設於電池倉內，於電池櫃或電池架側端， 豎向設有布線倉，所述電池模組監控器設於櫃體或架體上。所述電池櫃背部開設有可進氣的百葉窗，頂部設有排氣風扇，隔板上開設有散熱槽。將所述電池包置於一外殼內，再安裝於所述電池倉內；所述外殼內壁設有與所述電池包外側柔性接觸的彈性件。所述外殼側面及底面開設有散熱槽，所述外殼兩個側面還分別設置有可固定在電池倉上的第一連接件。所述外殼底部設有至少二個便於移動的滾輪或滾軸。所述外殼上還設有一可將外殼內單體電池壓緊、固定的端蓋。將所述電池包置於一端開口的電池筐上，再安裝於所述電池倉上；所述電池筐上設有與所述電池包外側柔性接觸的彈性件。所述電池筐上設置有第二連接件，用於連接可將排列於電池筐內單體電池拉緊的緊固條，所述電池筐上還設置有可將其固定在所述電池倉上的第三連接件。所述電池筐底部設有至少二個滾輪或滾軸。所述換流裝置包括多路換流單元，所述每一路換流單元的交流側接交流母線，所述每一路換流單元的直流側接直流母線；分別與每一路換流單元的輸出端連接，採集每一路換流單元的輸出電信號的採樣單元；分別與所述多路換流單元連接的多個內置控制器，用於分別控制所述多路換流單元的IGBT開關導通和關斷時間完全同步，使所述多路換流單元均流、穩壓同步工作；以及分別與所述採樣單元和多個內置控制器連接的中央控制器，用於根據所述採樣單元採集的電信號，對所述多個內置控制器的工作進行控制。所述多路換流單元為多路雙向換流器，所述每一路雙向換流器的交流側接交流母線，所述每一路雙向換流器的直流側接直流母線。所述採樣單元為分別與每一路雙向換流器的交流側連接的交流側採樣單元；分別與每一路雙向換流器的直流側連接的直流側採樣單元。所述內置控制器包括與所述一路雙向換流器的交流側連接的交流側採樣模塊。與所述一路雙向換流器的直流側連接的直流側採樣模塊。分別與所述交流側採樣模塊、直流側採樣模塊、中央控制器和一路雙向換流器連接的控制模塊，用於根據所述交流側採樣模塊和直流側採樣模塊採集的電信號以及中央控制器的控制信號，使所述一路雙向換流器輸出的電信號值與預設電信號值相同。所述每一路雙向換流器的交流側與交流母線之間還連接有一交流濾波單元。所述每一路雙向換流器的直流側與直流母線之間還連接有一直流濾波單元。所述中央控制器分別通過雙線串行通信的CAN-BUS總線分別與所述多個內置控制器連接。所述交流側採樣單元採集的電信號包括交流電壓、交流電流或相角。所述直流側採樣單元採集的電信號包括直流電壓或直流電流。所述多路換流單元為多路整流器，所述每一路整流器的交流側接交流母線，所述每一路整流器的直流側接直流母線。所述採樣單元為分別與每一路整流器的直流側連接的直流側採樣單元。所述內置控制器包括與所述一路整流器的直流側連接的直流側採樣模塊。分別與所述直流側採樣模塊、中央控制器和一路整流器連接的控制模塊，用於根據所述直流側採樣模塊採集的電信號以及中央控制器的控制信號，使所述一路整流器輸出的電信號值與預設電信號值相同。所述每一路整流器的交流側與交流母線之間還連接有一交流濾波單元。所述每一路整流器的直流側與直流母線之間還連接有一直流濾波單元。所述中央控制器分別通過雙線串行通信的CAN-BUS總線分別與所述多個內置控制器連接。所述直流側採樣單元採集的電信號包括直流電壓或直流電流。所述多路換流單元為多路逆變器，所述每一路逆變器的交流側接交流母線，所述每一路逆變器的直流側接直流母線。所述採樣單元為分別與每一路逆變器的交流側連接的交流側採樣單元。所述內置控制器包括與所述一路逆變器的交流側連接的交流側採樣模塊。分別與所述交流側採樣模塊、中央控制器和一路逆變器連接的控制模塊，用於根據所述交流側採樣模塊採集的電信號以及中央控制器的控制信號，使所述一路逆變器輸出的電信號值與預設電信號值相同。所述每一路逆變器的交流側與交流母線之間還連接有一交流濾波單元。所述每一路逆變器的直流側與直流母線之間還連接有一直流濾波單元。所述中央控制器分別通過雙線串行通信的CAN-BUS總線分別與所述多個內置控制器連接。所述交流側採樣單元採集的電信號包括交流電壓、交流電流和相角。本發明中電池櫃或電池架的結構設計合理，實現大量高容量單體電池的有序疊放，既便於維修更換、節省佔地空間，又有利於電池散熱保證使用壽命，而且從物理結構上支持電池管理系統的模塊化及本地化檢測匯總、本地化分組監控和集中監控，方便蓄能模塊進行模塊化擴容，同時，該電池櫃或電池架的結構及內部電池倉、電池包的結構，能夠在遭受核電站運行基準地震(OBE)和安全停堆地震(SSE)時不會出現鬆動或開裂等損壞，保證設備功能正常。本發明電池管理系統採用模塊化及本地化檢測分組匯總、本地化分組計算處理和集中監控的結構方法，連線簡單，減少了電纜的數量和長度，減少了受外界電磁幹擾的機會，測量精度較高；信號檢測模塊利用高速切換開關實現對電池包內多個單體電池的電壓進行交替檢測，避免了對單體電池的長期連續取電，有利於節能；利用總線通信方式解決了外界中央控制系統與電池模組的隔離問題，加強了蓄電儲能系統的靈活性和易擴容性，實現了本地化監控和集中監控，增加了系統的可靠性。本發明換流裝置設置有多路換流單元、採樣單元、多個內置控制器和中央控制器， 多個內置控制器在中央控制器的控制下使多路換流單元均流、穩壓同步工作，當一路換流單元因故障停止工作，其它路換流單元仍然能獨立正常工作，因此提高了核電站應急動力電源換流裝置的可靠性，並且增大了核電站應急動力電源換流裝置的容量，另外，核電站應急動力電源換流裝置採用模塊化設計，可以實現在線更換與維修。由本發明蓄能系統模塊構成的高容量蓄電池蓄能系統可以作為核電站的應急動力電源，避免了核電站現有應急電源的共模故障，增強了核電站應急電源的可靠性，降低反應堆堆芯熔化概率20 %，提高了核電站的安全水平。本發明為核電站的設計提供了新的理念，突破了傳統蓄電池蓄能系統的應用範圍，使蓄能系統取代或補充核電站的應急電源成為可能。因此，高容量蓄電池蓄能系統將擁有廣闊的使用範圍和良好的推廣前景。
圖1是本發明一種用於核電站電力應急電源之蓄能系統模塊；圖2是本發明一種用於核電站電力應急電源之蓄能系統模塊的電池櫃布置圖；圖3是本發明一種用於核電站電力應急電源之蓄能系統模塊的電池櫃內部結構圖；圖4是本發明一種用於核電站電力應急電源之蓄能系統模塊的電池包組成示意圖；圖5是本發明一種用於核電站電力應急電源之蓄能系統模塊的電池管理系統原理圖；圖6是本發明換流裝置第一實施例的結構圖；圖7是本發明換流裝置第一實施例的內置控制器的結構圖；圖8是本發明換流裝置第二實施例的結構圖；圖9是本發明換流裝置第二實施例的內置控制器的結構圖；圖10是本發明換流裝置第三實施例的結構圖；圖11是本發明換流裝置第三實施例的內置控制器的結構圖；圖12是本發明換流裝置的同步工作控制方法的流程圖；圖13是本發明換流裝置的模塊結構圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。根據《核電廠設計安全規定》(HAF102)，所有與安全相關的系統都要滿足「單一故障準則」。即「在其任何部位發生單一隨機故障時，仍能保持所賦子的功能。源於單一故障的各種繼發故障，均視作單一故障不可分割的組成部分」。電源系統也不例外。研發適應核電站特點的高容量的蓄電池蓄能系統，使該系統能夠在核電站在失去外部電源時，作為柴油機系統的備用應急電源，避免應急電源的共模失效，提供反應堆芯餘熱排出和乏燃料水池冷卻的動力需求。高容量電池蓄能系統主要有電池儲能部分和能量轉換部分組成，不同電站的不同負荷對儲能容量和功率的需求也不同。為滿足不同的負載要求，對蓄能系統的電池和能量轉換設備需進行模塊化設計。參見圖1、圖3，本發明提供了一種用於核電站動力應急電源之蓄能系統模塊，包括由多個電池模組2並聯構成的電池陣列3、通過直流母線與各所述電池模組2電連接的換流裝置1、可實時監測和控制各電池模組2狀態的電池模組監控器8。各蓄能系統模塊可並聯連接，形成一大容量蓄能系統，能夠在核電站失去外部電源和現有應急電源時，及時向核電站用電設備供電，為核電站的專設安全設施、反應堆堆芯餘熱排出和乏燃料水池冷卻提供動力，進一步提高核電站核安全水平。圖2-圖5展示了本發明電池模組2結構及使用時的安裝方式及安裝結構。參見圖4，所述電池模組2可由多個電池包44串聯或/和並聯構成，所述電池包 44為多個單體電池洲串接後形成的模塊式結構。上述構成方式，一方面可方便各單體電池觀之間的連接、組合、包裝、運輸和安裝，同時可根據核電廠供電和安全防護要求靈活配置所需的容量，以滿足其負載要求，方便、快捷，容易實現。所述各單體電池觀可根據實際需要成行或成列排列串接，相鄰各單體電池觀之間可夾設有柔性墊或至少兩豎向設置的柔性條30，可防止由於兩電池之間的空隙導致其相互擺動、撞擊而引起損壞，且可補償各單體電池觀外表面加工誤差，柔性條之間的空隙也有利於氣流的流通，實現散熱效果。同時，各相鄰的單體電池觀的正、負極柱之間採用柔性電連接方式。參見圖4A、圖4B，具體結構設計中，各單體電池之正、負極柱32通過柔性連接件四連接，柔性連接件四包括一軟線33及兩端的連接頭金屬部分36，各單體電池之正、負極柱 32上開設螺栓孔，通過一螺栓34將柔性連接件四兩端的連接頭金屬部分36壓緊於各相鄰兩單體電池之正、負極柱25的金屬頭32上。螺栓34固於連接孔上後，可採用一護套保護， 並用一絕緣罩35將螺栓34包覆。這樣，在整個電池模組受到外來衝擊力時，柔性電連接線 33可承受和吸收其衝擊，以保證電池模組2的正常使用，同時，避免正、負極柱32裸露在外 所述單體電池觀內置有溫度採集元件、電壓採集元件，用於將採集的單體電池觀溫度和電壓信號傳送至單體電池觀的信號埠 31上。所述所述信號埠 31的信號傳送至所屬電池包的信號檢測模塊27的匯總端子排上，所述信號檢測模塊27通過數據傳輸線與電池模組監控器8相連。所述信號檢測模塊27的端子排拔出後，對應的所有單體電池觀便與信號檢測模塊27斷開連接，以方便電池包的拆卸和更換，以減少接線工作量。
本發明具體結構中，為方便使用、安裝和更換，可將多個電池包固定於一電池櫃42 或電池架內，所述電池櫃42或電池架內設置有多個平行設置的隔板M，形成可放置多個電池包的電池倉10，所述電池倉10內壁具有信號檢測模塊27，各單體電池信號埠 31的溫度和電壓信號匯總後傳送至信號檢測模塊27的匯總埠，匯總埠從信號檢測模塊27拔下後，電池包44中的所有單體電池觀便全部與信號檢測模塊斷開連接，減少了拆線工作量。參見圖5，所述信號檢測模塊27實現對來自相應電池包中的單體電池內置溫度採集元件和電壓採集元件的信號本地化檢測匯總後，將數據上傳到電池模組監控器8。所述信號檢測模塊27對相應電池包中各單體電池進行電壓檢測的方法是採用高速切換開關對各單體電池的電壓信號進行交替檢測，避免對每個電池進行持續取電，以節省電池能量。電流檢測元件46實現對串聯在一起的各電池包44工作電流的本地化分組檢測並上傳到電池模組監控器8。電池模組監控器8對來自下遊信號檢測模塊27和電流檢測元件46的信號進行計算，實現對信號的本地化分組處理，以獲得單體電池剩餘電量、內阻、溫度、電壓、電流等狀態參數，並進行顯示和記錄，並通過CAN總線與中央控制系統40。中央控制系統對下遊各電池模組監控器進行集中監測和控制。參見圖3，於電池櫃42或電池架側端，豎向設有布線倉11，用於集中、固定各種電纜線，防止線的散亂和相互的牽扯及意外短路。參見圖2，在所述電池櫃42的背部，還開設有可進氣的百葉窗，頂部設有排氣風扇 7，用於排除櫃內的熱量，提高各電池模組的散熱性能，有利於提高電池的使用壽命。本發明具體結構設計中，為便於安裝，可將所述電池包44置於一外殼內(未圖示)，再安裝於所述電池倉10內；為防止電池包44安裝於外殼內時因震動引起的晃動，本發明在所述外殼內壁，設有與所述電池包外側柔性接觸的彈性件。為更好的固定各單體電池觀，所述外殼上還設有一可將外殼內單體電池壓緊、固定的端蓋。為提高置於外殼內的電池模組散熱性能，可在所述外殼側面及底面開設散熱槽。為便於裝有電池包的外殼在電池倉10內的固定，在所述外殼兩個側面分別設置有可固定在電池倉10上的第一連接件，通過該第一連接件可將各電池包44牢固固定在電池倉10內。為方便電池包的更換和維修，在所述外殼底部，設有至少二個滾輪或滾軸，操作者可很方便將電池倉10內電池包抽出和放入。參見圖3，本發明也可將所述單體電池28排列後的電池包置於一端開口的電池筐 12上，再安裝於所述電池倉10上；同樣地，所述電池筐12上設有與所述電池包10外側柔性接觸的彈性件，防止電池包10安裝於電池筐12內時因震動引起的晃動。所述電池筐12上設置有第二連接件，用於連接可將排列於電池筐12內各單體電池觀拉緊的緊固條19。同樣地，為便於裝有電池包的電池筐12在電池倉10的固定，在所述電池筐12背面上方設有固定耳16，固定耳16可固定於電池倉10的定位耳15上；在所述電池筐12的正面中間位置設有固定耳18，固定耳18可固定於電池倉10內的定位耳17上；在電池筐12 的底面兩端有四個底腳20，底腳20可固定於電池倉10的承力梁21上。為了使電池筐12中的電池包不在地震中上下竄動，電池倉10內設有可固定在角鋼14上的壓條13，將電池包 44壓緊。為方便電池包44的更換和維修，在所述電池筐12底部，設有至少二個滾輪22或滾軸，操作者可很方便將電池倉10內的電池包44抽出和放入。所述電池櫃42櫃體包括設置於四條豎直邊內部豎直方向的四根槽鋼(未圖示)、 電池倉10兩側的鋼架結構23、電池櫃42櫃體的側面焊接加強鋼梁；加強鋼梁對角交叉設置及對中設置，分別連接於相鄰槽鋼上，大大增強了電池櫃機體的結構穩定性，即使在高烈度的地震等惡劣情況下，電池櫃42櫃體仍然可以保證結構的可靠性，電池櫃42櫃體不會變形，從而保證電池櫃42櫃體內部的電池包的可靠性。所述隔板M通過鎖緊件固定連接於所述槽鋼上，其拆裝方便且結構可靠，即使在地震等極限情況下仍然可以使隔板M可以可靠地固定。優選地，所述鎖緊件為螺栓，所述鎖緊件穿設於所述固定通孔和安裝通孔，螺栓採用6. 8級以上的螺栓，以保證結構的可靠性。參見圖2，所述電池櫃42櫃體的底部設置有安裝部件，電池櫃42櫃體固定於水泥臺沈上，水泥臺沈中預埋有預埋件，所述預埋件上設置有螺絲孔，所述安裝部件通過緊固件鎖緊於預埋件的螺絲孔內，通過這樣的設計，可以使電池櫃42櫃體可靠地固定於預埋件上。預埋件埋設於水泥臺沈中，其十分穩固。優選地，所述緊固件為螺栓，所述螺栓上套設有彈性墊片，以提高結構的可靠性。電池櫃42頂端還可設有吊耳5，方便安裝階段進行吊裝。電池櫃42頂端設有電纜孔6，對進出電纜進行固定，電池孔6用防火材料進行封堵。電池櫃42正面和背面有櫃門 43，正面和背面的櫃門43均打開後，可對電池櫃42的設備進行兩個方向的操作，十分方便。 櫃門43設有上下兩個鎖緊把手9。本發明換流裝置1包括多路換流單元，所述每一路換流單元的交流側接交流母線，所述每一路換流單元的直流側接直流母線；分別與每一路換流單元的輸出端連接，採集每一路換流單元的輸出電信號的採樣單元；分別與所述多路換流單元連接的多個內置控制器，用於分別控制所述多路換流單元的IGBT開關導通和關斷時間完全同步，使所述多路換流單元均流、穩壓同步工作；以及分別與所述採樣單元和多個內置控制器連接的中央控制器，用於根據所述採樣單元採集的電信號，對所述多個內置控制器的工作進行控制。圖6示出了本發明提供的換流裝置1的結構第一實施例，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。參見圖6，所述多路換流單元為多路雙向換流器100，所述每一路雙向換流器100 的交流側接交流母線，所述每一路雙向換流器100的直流側接直流母線。採樣單元為分別與每一路雙向換流器100的交流側連接的交流側採樣單元200 ；分別與每一路雙向換流器100的直流側連接的直流側採樣單元300。核電站應急動力電源的蓄能系統模塊之換流裝置還包括
分別與多路雙向換流器100連接的多個內置控制器400，用於分別控制多路雙向換流器100的IGBT開關導通和關斷時間完全同步，使多路雙向換流器100均流、穩壓同步工作；以及分別與交流側採樣單元200、直流側採樣單元300與多個內置控制器400連接的中央控制器500，用於根據交流側採樣單元200和直流側採樣單元300採集的電信號，對多個內置控制器400的工作進行控制。圖7示出了本發明換流裝置第一實施例的內置控制器的結構，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。所述內置控制器400包括與一路雙向換流器100的交流側連接的交流側採樣模塊4001。與所述一路雙向換流器100的直流側連接的直流側採樣模塊4002。分別與交流側採樣模塊4001、直流側採樣模塊4002、中央控制器500和一路雙向換流器100連接的控制模塊4003，用於根據交流側採樣模塊4001和直流側採樣模塊4002 採集的電信號以及中央控制器500的控制信號，使一路雙向換流器100輸出的電信號值與預設電信號值相同。每一路雙向換流器100的交流側與交流母線之間還連接有一交流濾波單元600。每一路雙向換流器100的直流側與直流母線之間還連接有一直流濾波單元700。中央控制器500分別通過雙線串行通信的CAN-BUS總線分別與多個內置控制器 400連接。中央控制器500採用DSP。或採用可編程先進控制器。交流側採樣單元200採集的電信號包括交流電壓、交流電流或相角。直流側採樣單元300採集的電信號包括直流電壓或直流電流。圖8示出了本發明換流裝置1第二實施例的結構，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。參見圖8，多路換流單元為多路整流器101，所述每一路整流器101的交流側接交流母線，所述每一路整流器101的直流側接直流母線。採樣單元為分別與每一路整流器101的直流側連接的直流側採樣單元301。核電站應急動力電源的蓄能系統模塊之換流裝置還包括分別與多路整流器101連接的多個內置控制器401，用於分別控制多路整流器101 的IGBT開關導通和關斷時間完全同步，使所述多路整流器101均流、穩壓同步工作；以及分別與所述直流側採樣單元301與多個內置控制器401連接的中央控制器501，用於根據所述直流側採樣單元301採集的電信號，對所述多個內置控制器401的工作進行控制。圖9示出了本發明提供的換流裝置第二實施例的內置控制器的結構，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。參見圖9，所述內置控制器401包括與所述一路整流器101的直流側連接的直流側採樣模塊4012。
分別與所述直流側採樣模塊4012、中央控制器501和一路整流器101連接的控制模塊4013，用於根據所述直流側採樣模塊4012採集的電信號以及中央控制器501的控制信號，使所述一路整流器101輸出的電信號值與預設電信號值相同。所述每一路整流器101的交流側與交流母線之間還連接有一交流濾波單元601。所述每一路整流器101的直流側與直流母線之間還連接有一直流濾波單元701。所述中央控制器501分別通過雙線串行通信的CAN-BUS總線分別與所述多個內置控制器401連接。所述中央控制器501採用DSP。所述中央控制器501採用可編程先進控制器。所述直流側採樣單元301採集的電信號包括直流電壓或直流電流。圖10示出了本發明提供的換流裝置第三實施例的結構，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。參見圖10，多路換流單元為多路逆變器102，所述每一路逆變器102的交流側接交流母線，所述每一路逆變器102的直流側接直流母線。所述採樣單元為分別與每一路逆變器102的交流側連接的交流側採樣單元202。換流裝置還包括分別與所述多路逆變器102連接的多個內置控制器402，用於分別控制所述多路逆變器102的IGBT開關導通和關斷時間完全同步，使所述多路逆變器102均流、穩壓同步工作；以及分別與所述交流側採樣單元202與多個內置控制器402連接的中央控制器502，用於根據所述交流側採樣單元202採集的電信號，對所述多個內置控制器402的工作進行控制。圖11示出了本發明提供的換流裝置1第三實施例的內置控制器的結構，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。參見圖11，所述內置控制器402包括與所述一路逆變器102的交流側連接的交流側採樣模塊4021。分別與所述交流側採樣模塊4021、中央控制器502和一路逆變器102連接的控制模塊4023，用於根據所述交流側採樣模塊4021採集的電信號以及中央控制器502的控制信號，使所述一路逆變器102輸出的電信號值與預設電信號值相同。所述每一路逆變器102的交流側與交流母線之間還連接有一交流濾波單元602。所述每一路逆變器102的直流側與直流母線之間還連接有一直流濾波單元702。所述中央控制器502分別通過雙線串行通信的CAN-BUS總線分別與所述多個內置控制器402連接。所述中央控制器502採用DSP。所述中央控制器502採用可編程先進控制器。所述交流側採樣單元202採集的電信號包括交流電壓、交流電流或相角。圖12示出了本發明實施例提供的核電站應急動力電源的蓄能系統模塊之換流裝置的同步工作控制方法的流程圖。
上述換流裝置1的同步工作控制方法流程如下步驟S101，多個內置控制器分別採集多路換流單元輸出的電信號值；步驟S102，中央控制器根據所述電信號值，計算出電信號平均值；步驟S103，採樣單元採集多路換流單元輸出的電信號數值的實時並列電信號平均值；步驟S104，中央控制器根據所述電信號平均值和實時並列電信號平均值，計算電信號平均差值，並對所述電信號平均差值進行分解，得到補償值；步驟S105，多個內置控制器得到補償值，並控制與所述內置控制器相對應的換流單元輸出的電信號，使所述多路換流單元輸出的電信號同步。圖13示出了本發明換流裝置的模塊結構實施例。核電站應急動力電源的蓄能系統模塊之換流裝置的工作模式分為兩種一種是將交流電變直流電；另一種是將直流電變交流電。工作模式的選擇由工作模式選擇器來控制，工作模式選擇器可通過自動檢測、接受來自核電站應急動力電源之蓄能系統的在線監控系統的遠動信號和手動信號來決定雙向換流裝置的工作模式。核電站應急動力電源的蓄能系統模塊之換流裝置的運行模式有以下幾種a)平均充電在蓄電池電量下降或放電試驗完成後，需要對電池深度充電，可以設置為均充，保證蓄電池儲存儘可能多的電量；b)強制充電在核電站可能面臨失電風險時，可以對蓄電池進行強制充電，保證電池陣列儲存更多的電量，以應對電站失電後的需求；c)強制放電正常運行時，強制放電可以實現一個模塊的放電試驗，並將其電能轉移入其他模塊；最為重要的是，可以在電站在危急情況下讓其輸出儘可能多的電量，直至電池模組損壞為止。本發明中電池櫃或電池架的結構設計合理，實現大量高容量單體電池的有序疊放，既便於維修更換、節省佔地空間，又有利於電池散熱保證使用壽命，而且從物理結構上支持電池管理系統的模塊化及本地化檢測匯總、本地化分組監控和集中監控，方便蓄能模塊進行模塊化擴容，同時，該電池櫃或電池架的結構及內部電池倉、電池包的結構，能夠在遭受核電站運行基準地震(OBE)和安全停堆地震(SSE)時不會出現鬆動或開裂等損壞，保證設備功能正常。本發明電池管理系統採用模塊化及本地化檢測分組匯總、本地化分組計算處理和集中監控的結構方法，連線簡單，減少了電纜的數量和長度，減少了受外界電磁幹擾的機會，測量精度較高；信號檢測模塊利用高速切換開關實現對電池包內多個單體電池的電壓進行交替檢測，避免了對單體電池的長期連續取電，有利於節能；利用總線通信方式解決了外界中央控制系統與電池模組的隔離問題，加強了蓄電儲能系統的靈活性和易擴容性，實現了本地化監控和集中監控，增加了系統的可靠性。本發明中，換流裝置包括多路換流單元、採樣單元、多個內置控制器和中央控制器，多個內置控制器在中央控制器的控制下使多路換流單元均流、穩壓同步工作，當一路換流單元因故障停止工作，其它路換流單元仍然能獨立正常工作，因此提高了核電站應急動力電源換流裝置的可靠性，並且增大了核電站應急動力電源換流裝置的容量，另外，核電站應急動力電源換流裝置採用模塊化設計，可以實現在線更換與維修。由本發明蓄能系統模塊構成的高容量蓄電池蓄能系統可以作為核電站的應急動力電源，避免了核電站現有應急電源的共模故障，增強了核電站應急電源的可靠性，降低反應堆堆芯熔化概率20 %，提高了核電站的安全水平。本發明為核電站的設計提供了新的理念，突破了傳統蓄電池蓄能系統的應用範圍，使蓄能系統取代或補充核電站的應急電源成為可能。因此，高容量蓄電池蓄能系統將擁有廣闊的使用範圍和良好的推廣前景。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於包括由多個電池模組並聯構成的電池陣列、通過直流母線與各所述電池模組電連接的換流裝置，可實時監測和控制各電池模組狀態的電池模組監控器。
2.如權利要求1所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統的電池模塊，其特徵在於所述電池模組由多個電池包串聯或/和並聯構成，所述電池包為多個單體電池串接後形成的模塊式結構。
3.如權利要求2所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述各單體電池成行或成列排列，各單體電池之間夾設有柔性墊或至少兩豎向設置的柔性條， 且各相鄰的單體電池正、負極柱之間柔性電連接。
4.如權利要求3所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述各單體電池之正、負極柱上開設有連接孔，柔性電連接線兩端通過連接件固定於連接孔上。
5.如權利要求4所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述連接件頂部包覆有一絕緣罩。
6.如權利要求2所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述電池包對應有一個信號檢測模塊，所述單體電池內置有溫度採集元件、電壓採集元件，用於將採集的單體電池溫度和電壓信息傳送至所屬電池包的信號檢測模塊上。所述信號檢測模塊通過數據傳輸線與電池模組監控器相連。
7.如權利要求2所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於將所述電池包置於一電池櫃或電池架內。
8.如權利要求2所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述電池包串聯在一起時，串聯總線上設有測量該串電池包工作電流的電流檢測器件。
9.如權利要求7所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述電池櫃或電池架內設置有多個平行設置的隔板，形成可放置多個電池包的電池倉，所述信號檢測模塊設於電池倉內，於電池櫃或電池架側端，豎向設有布線倉，所述電流檢測器件設於布線倉中，所述電池模組監控器設於櫃體或架體上。
10.如權利要求6所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述信號檢測模塊實現對相應電池包中單體電池的溫度、電壓進行本地化檢測匯總；所述電池模組監控器對來自其下遊各信號檢測模塊的信號、以及來自其下遊各串電池包的電流檢測元件的信號進行集中計算處理，以獲得各電池包中單體電池的溫度、電壓、電流、內阻、剩餘電量等狀態參數和定位地址，實現對其下遊各電池包監控；所述電池模組監控器可與外界中央控制系統進行通訊，即中央控制系統通過與各電池模組監控器的通訊，實時監視各電池模組中電池狀態，並對電池模組進行控制。
11.如權利要求7所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述電池櫃背部開設有可進氣的百葉窗，頂部設有排氣風扇，隔板上開設有散熱槽。
12.如權利要求2所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於將所述電池包置於一外殼內，再安裝於所述電池倉內；所述外殼內壁設有與所述電池包外側柔性接觸的彈性件。
13.如權利要求12所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述外殼側面及底面開設有散熱槽，所述外殼兩個側面還分別設置有可固定在電池倉上的第一連接件。
14.如權利要求12所述的一種用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述外殼底部設有至少二個便於移動的滾輪或滾軸。
15.如權利要求12所述的一種用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述外殼上還設有一可將外殼內單體電池壓緊、固定的端蓋。
16.如權利要求2所述的一種用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於 將所述電池包置於一端開口的電池筐上，再安裝於所述電池倉上；所述電池筐上設有與所述電池包外側柔性接觸的彈性件。
17.如權利要求16所述的一種用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述電池筐上設置有第二連接件，用於連接可將排列於電池筐內單體電池拉緊的緊固條，所述電池筐上還設置有可將其固定在所述電池倉上的第三連接件。
18.如權利要求16所述的一種用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述電池筐底部設有至少二個滾輪或滾軸。
19.如權利要求1所述的一種用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於 所述換流裝置包括多路換流單元，所述每一路換流單元的交流側接交流母線，所述每一路換流單元的直流側接直流母線；分別與每一路換流單元的輸出端連接，採集每一路換流單元的輸出電信號的採樣單元；分別與所述多路換流單元連接的多個內置控制器，用於分別控制所述多路換流單元的 IGBT開關導通和關斷時間完全同步，使所述多路換流單元均流、穩壓同步工作；以及分別與所述採樣單元和多個內置控制器連接的中央控制器，用於根據所述採樣單元採集的電信號，對所述多個內置控制器的工作進行控制。
20.如權利要求19所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述多路換流單元為多路雙向換流器，所述每一路雙向換流器的交流側接交流母線，所述每一路雙向換流器的直流側接直流母線。
21.如權利要求20所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述採樣單元為分別與每一路雙向換流器的交流側連接的交流側採樣單元；分別與每一路雙向換流器的直流側連接的直流側採樣單元。
22.如權利要求21所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述內置控制器包括與所述一路雙向換流器的交流側連接的交流側採樣模塊。與所述一路雙向換流器的直流側連接的直流側採樣模塊。分別與所述交流側採樣模塊、直流側採樣模塊、中央控制器和一路雙向換流器連接的控制模塊，用於根據所述交流側採樣模塊和直流側採樣模塊採集的電信號以及中央控制器的控制信號，使所述一路雙向換流器輸出的電信號值與預設電信號值相同。
23.如權利要求21所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述每一路雙向換流器的交流側與交流母線之間還連接有一交流濾波單元。
24.如權利要求21或23所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述每一路雙向換流器的直流側與直流母線之間還連接有一直流濾波單元。
25.如權利要求21所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述中央控制器分別通過雙線串行通信的CAN-BUS總線分別與所述多個內置控制器連接。
26.如權利要求21所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述交流側採樣單元採集的電信號包括交流電壓、交流電流或相角。
27.如權利要求21所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述直流側採樣單元採集的電信號包括直流電壓或直流電流。
28.如權利要求19所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述多路換流單元為多路整流器，所述每一路整流器的交流側接交流母線，所述每一路整流器的直流側接直流母線。
29.如權利要求觀所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述採樣單元為分別與每一路整流器的直流側連接的直流側採樣單元。
30.如權利要求四所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述內置控制器包括與所述一路整流器的直流側連接的直流側採樣模塊。分別與所述直流側採樣模塊、中央控制器和一路整流器連接的控制模塊，用於根據所述直流側採樣模塊採集的電信號以及中央控制器的控制信號，使所述一路整流器輸出的電信號值與預設電信號值相同。
31.如權利要求四所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述每一路整流器的交流側與交流母線之間還連接有一交流濾波單元。
32.如權利要求四或31所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述每一路整流器的直流側與直流母線之間還連接有一直流濾波單元。
33.如權利要求四所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述中央控制器分別通過雙線串行通信的CAN-BUS總線分別與所述多個內置控制器連接。
34.如權利要求四所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述直流側採樣單元採集的電信號包括直流電壓或直流電流。
35.如權利要求19所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述多路換流單元為多路逆變器，所述每一路逆變器的交流側接交流母線，所述每一路逆變器的直流側接直流母線。
36.如權利要求35所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述採樣單元為分別與每一路逆變器的交流側連接的交流側採樣單元。
37.如權利要求36所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述內置控制器包括與所述一路逆變器的交流側連接的交流側採樣模塊。分別與所述交流側採樣模塊、中央控制器和一路逆變器連接的控制模塊，用於根據所述交流側採樣模塊採集的電信號以及中央控制器的控制信號，使所述一路逆變器輸出的電信號值與預設電信號值相同。
38.如權利要求36所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述每一路逆變器的交流側與交流母線之間還連接有一交流濾波單元。
39.如權利要求36或38所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述每一路逆變器的直流側與直流母線之間還連接有一直流濾波單元。
40.如權利要求36所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述中央控制器分別通過雙線串行通信的CAN-BUS總線分別與所述多個內置控制器連接。
41.如權利要求36所述的用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，其特徵在於所述交流側採樣單元採集的電信號包括交流電壓、交流電流和相角。
全文摘要
本發明提供了一種用於核電站動力應急電源的蓄能系統模塊，包括由多個電池模組並聯構成的電池陣列、通過直流母線與各所述電池模組電連接的換流裝置，可實時監測和控制各電池模組狀態的電池管理系統。所述電池模組由多個電池包串聯或/和並聯構成，所述換流裝置包括多路換流單元，採樣單元、分別與所述多路換流單元連接的多個內置控制器，以及分別與所述採樣單元和多個內置控制器連接的中央控制器。所述電池管理系統由電池狀態參數採集元件、信號檢測模塊、電池模組監控器組成。本發明可在廠外主電源、輔助電源和廠內應急電源失去時、而應急柴油發電機不能正常起動時，用作應急電源的蓄能系統模塊，維持核電站重要用電設備正常運行。
文檔編號H02J9/00GK102201691SQ201110131128
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月20日 優先權日2011年5月20日
發明者宮振波, 朱鋼, 李吉生, 王成銘, 王永年, 韓雪華 申請人:中國廣東核電集團有限公司, 大亞灣核電運營管理有限責任公司