一體化充放電式中壓系統應急電源的製作方法
2023-05-11 02:49:36
專利名稱：一體化充放電式中壓系統應急電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及O. 66KV—IOKV (本專利所定義的「中壓」)不間斷電源領域，更具體地說，涉及一體化充放電式中壓系統應急電源。
背景技術：
在工業電源領域廣380/220系統的低壓型應急電源作為工業及民用領域應急照明和動力負載的應急供電裝置在國內已經有十餘年歷史，形成相關專利十餘項，在 380V供電系統中顯示了節能、環保、快速、高可靠性、便於維護、智能化管理、提高供電可靠性等一系列優勢。而伴隨著工業領域大功率拖動負載的出現，用於拖動系統的O. 66KV — IOKV(以下簡稱「中壓」)電動機早在70年代就已經問世，經過30多年的發展可謂十分成熟。近年來，為 了減小大容量電動機的體積和重量，更為了迴避大電流載體的敷設安裝、連接和過度等安全類難題，許多程控類工業領域流水線上的大容量電動機逐步被中壓型電動機所取代，啟動和控制中壓型電動機的中壓變頻產品(國外稱之為「工業傳動」或「交流動力傳動」)也逐漸成熟。然而，中壓級別的交流應急電源一直是國內外的市場空白，特別是工業領域，幾乎找不到成功使用蓄電型交流應急電源的成功案例。一直以來，中壓動力系統的工作可靠性完全取決于于電網電源的可靠性，一旦電網因故突然停電，程控類工業正在運行的流程就會驟停，將造成巨大損失(據中石油集團的一個年會報告僅煉化板塊在2011年就發生電力系統故障幾十起，因程控流程驟停造成直接和間接損失十幾億元)。為了儘量降低損失，許多程控工業的流水線不得不配置國外進口的氣動型延遲系統，用於緩解電源故障流程驟停的損失，但此類氣動型延遲系統只能起到有限的緩解作用，把突然停電的損失適當降低，無法把市網電源驟停的損失降到近於「0」，且此類氣動延遲裝置價格高昂，平時的附加運行成本也不可忽視。在傳統的低壓不間斷電源(UPS和EPS)中，內部蓄電池的充電往往靠輸入電壓直接整流來完成。然而，如果蓄電池總串聯電壓等於交流輸入電源的整流後直流電壓值，則無法將串聯蓄電池組充滿電(只有充電電壓高於被充電的蓄電池總電壓10左右或以上才能將蓄電池充滿電)，如果蓄電池串聯總電壓低於輸入電源的整流電壓值，雖然可能將串聯蓄電池組充滿電，但停電應急時又不能保證交流輸出的電壓值符合要求。為了保證蓄電池組能被充滿電而應急輸出電壓又符合要求，不是需要升壓整流充電、就是在逆變前或逆變後進行升壓處理，而這兩種措施在中壓系統中相對困難和複雜。前者需要整流充電器件長期工作在較高的直流電壓環境下，後者可靠性差，成本也偏高。
發明內容本發明要解決的技術問題在於，針對現代工業程控領域氣動延遲系統的技術缺陷，提供一種中壓應急電源，又針對交流供電母線直接整流後的直流電壓值不能滿足為普通應急電源的串聯蓄電池組充滿電的技術缺陷，提供一種利用工業傳動中間直流可同時保障充電效果和放電需求的一體化充放電式中壓應急電源。[0005]本發明提供的一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，包括至少一組含兩級或兩級以上串聯蓄電池單元的結構，第一級串聯蓄電池單元的正極通過正極充電開關與充放電母線的正極連接，其負極直接與充放電母線的負極連接；末級串聯蓄電池單元的正極直接與充放電母線的正極連接，其負極通過負極充電開關與充放電母線的負極連接；中間各級串聯蓄電池單元的正極通過正極充電開關與充放電母線的正極連接，其負極通過負極充電開關與充放電母線的負極連接；前級串聯蓄電池單元的正極與後級串聯蓄電池單元的負極通過放電開關連接；正常情況下應急電源處於 充電狀態，各放電開關均關斷，所有充電開關均開通；當應急電源放電時，所有正、負極充電開關均關斷，所有放電開關均開通。優選地，包括兩組含兩級串聯蓄電池單元的結構，各組的第一級串聯蓄電池單元的正極通過正極充電開關與充放電母線的正極連接，其負極直接與充放電母線的負極連接；各組的第二級串聯蓄電池單元的正極直接與充放電母線的正極連接，其負極通過負極充電開關與充放電母線的負極連接；各組的第一級串聯蓄電池單元的正極與第二級串聯蓄電池單元的負極通過放電開關連接；正常情況下應急電源處於充電狀態，各放電開關均關斷，所有充電開關均開通；當應急電源放電時，所有充電開關均關斷，所有放電開關均開通。優選地，充放電母線的正極與工業傳動中間直流母線的正極連接，負極與工業傳動中間直流母線的負極連接。優選地，各級串聯蓄電池單元充滿電後總串聯電壓值不低於工業傳動的中間直流電壓值。優選地，工業傳動的交流輸出電壓值的範圍為O. 66KV至10KV。優選地，正極充電開關和負極充電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。優選地，放電開關是可控類電力電子開關或由其構成的開關電路。優選地，放電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。實施本發明的一體化充放電式中壓系統應急電源，具有以下有益效果通過採用兩級或兩級以上串聯蓄電池單元並聯充電，串聯放電的方式，既能保證蓄電池被充滿電，又能為中壓交流動力系統提供滿足電壓要求的應急電源，以保證中壓交流動力系統能在任意設定時間內不停止工作，尤其是在突然斷電的情況下正常工作，從而使電網故障停電的損失降為「O」。
圖I為本發明一體化充放電式中壓系統應急電源的一具體實施例的結構示意圖。圖2為本發明一體化充放電式中壓系統應急電源的另一具體實施例的結構示意圖。圖3為本發明一體化充放電式中壓系統應急電源的又一具體實施例的結構不意圖。
具體實施方式
本發明的工業傳動的交流能量變換輸出值的範圍為O. 66KV至10KV。工業傳動作為交流能量變換裝置，可以是ABB、西門子或施奈德等著名品牌的工業傳動型變頻主機，也可以是國產的中壓變頻裝置，還可以是中壓寬頻逆變裝置等等。工業傳動逆變環節的輸入直流電壓應不低於工業傳動輸出值的I. 35倍，例如，當要求工業傳動輸出值不低於飛60時，工業傳動逆變環節的輸入直流電壓應不低於891V，即串聯蓄電池組的串聯總電壓應不低於891V，而對總電壓值為891V的串聯蓄電池組進行充電需要充電電壓高於1000V左右(比891V高出10% —15%)，否則無法將串聯蓄電池組充滿電，因此，靠工業傳動的中間直流電壓(891V)無法將串聯蓄電池組充滿電。為此，本專利的做法是將I組串聯蓄電池按前後級分成兩個單元，每個單元電壓都低於中間直流電壓，充電時兩個單元並聯，放電時兩個單元串聯，既保證能利用工業傳動的中堅直流將所有蓄電池充滿電，又保證放電時交流輸出能滿足要求。圖I為具有一組兩級串聯蓄電池單元的一體化充放電式中壓系統應急電源的具體實施例的結構示意圖，其特點是含I組蓄電池分為兩級串聯單元。如圖所示，應急電源包括兩級串聯蓄電池單元，第一級串聯蓄電池單元Ell的正極通過正極充電開關Gl與充放電母線M的正極連接，負極直接與充放電母線M的負極連接；第二級串聯蓄電池單元E12的正極直接與充放電母線M的正極連接，其負極通過負極充電開關G2與充放電母線M的負極連接；第一級串聯蓄電池單元Ell的正極通過放電開關GOl與第二級串聯蓄電池單元E12的 負極連接。正極充電開關Gl的正極連接充放電母線M的正極，負極連接第一串聯蓄電池單元Ell的正極；負極充電開關G2的正極接第二級串聯蓄電池單元E12的負極，負極接充放電母線M的負極；放電開關GOl的正極接第一級串聯蓄電池單元Ell的正極，負極接第二級串聯蓄電池單元E12的負極；各正、負極充電開關和放電開關的控制級接控制器K ;充放電母線M的正極與工業傳動PM的中間直流母線的正極連接，負極與工業傳動PM的中間直流母線的負極連接。工業傳動PM的輸入端連接中壓交流供電母線，輸出端連接中壓應急動力負載D，例如電動機。當中壓交流供電母線正常為應急動力負載供電期間，控制器K控制正極充電開關Gl和負極充電開關G2開通，放電開關GOl關斷，中壓交流供電母線L通過工業傳動PM的中間直流母線同時為第一級串聯蓄電池單元Ell和第二級串聯蓄電池單元E12充電。當中壓交流供電母線出現故障時，在控制器K作用下，正、負極充電開關Gl和G2關斷，放電開關GOl開通，應急電源啟動，蓄電池第一級串聯蓄電池單元Ell和第二級串聯蓄電池單元E12串聯為應急動力負載供電。直到串聯蓄電池組能量放盡欠壓保護啟動後放電開關GOl關斷、工業傳動PM停止輸出；或直到收到上位機發來的停機信號時放電開關GOl自動關斷、工業傳動PM停止輸出；或直到中壓交流供電母線電源恢復時，串聯開關GOl關斷，正、負極充電開關Gl和G2接通並重新進入充電控制狀態。第二級串聯蓄電池單元E12和第一級串聯蓄電池單元Ell串聯後的總電壓值為中壓交流供電母線電壓值的I. 35倍。第二級串聯蓄電池單元E12和第一級串聯蓄電池單元El I內的單節蓄電池可以完全相同，也可以不同，但串聯總電壓值應相等。正極充電開關Gl和負極充電開關G2可以是P-MOSFET, IGBT, IGCT, IPM、SITH、MCT或可關斷晶閘管(GTO)等，也可以是由電力電子器件組合而成的開關電路。正極充電開關Gl和負極充電開關G2可以相同，也可以不同。放電開關GOl可以是P-MOSFET、IGBT、IGCT、IPM、SITH、MCT或可關斷晶閘管(GTO)等，也可以是由電力電子器件組合而成的開關電路。工業傳動PM可以為進口品牌中壓型變頻器，也可以是國產品牌的中壓型動力用變頻器，還可以是寬頻逆變器。[0021]圖2為具有一組三級串聯蓄電池單元的一體化充放電式中壓系統應急電源的具體實施例的結構示意圖，其特點是I組蓄電池分為三級串聯單元。如圖所示，應急電源包括三級串聯蓄電池單元，第一級串聯蓄電池單元Ell的正極通過正極充電開關Gl與充放電母線M的正極連接，其負極直接與充放電母線M的負極連接；第二級串聯蓄電池單元E12的正極通過正極充電開關G3與充放電母線M的正極相接，其負極通過負極充電開關G2與充放電母線M的負極連接；第三級串聯蓄電池單元E13的正極直接與充放電母線M的正極連接，其負極通過負極充電開關G4與充放電母線M的負極連接；正極充電開關Gl和G3的正極接充放電母線M的正極，其負極分別接第一級串聯蓄電池單元Ell和第二級串聯蓄電池單元E12的正極；負極充電開關G2和G4的負極連接充放電母線M的負極，其正極分別接第二級串聯蓄電池單元E12和第三級串聯蓄電池單元E13的負極；放電開關GOl和G02的正極分別接第一級串聯蓄電池單元Ell和第二級串聯蓄電池單元E12的正極，其負極分別接第二級串聯蓄電池單元E12和第三級串聯蓄電池單元E13的負極；充電開關和放電開關的控制級均接控制器K。充放電母線M的正極與工業傳動PM的中間直流母線的正極連接，負極與工業傳動PM的中間直流母線的負極連接。工業傳動PM的輸入端連接中壓交流供電母線，輸出端連接中壓應急動力負載D，例如電動機。 當中壓交流供電母線正常為應急動力負載供電時，控制器K控制放電開關G01、G02關斷，控制正、負極充電開關Gl、G3和G2、G4接通，中壓交流供電母線L通過工業傳動PM的中間直流母線同時為各級串聯蓄電池單元E11、E12和E13充電。當中壓交流供電母線出現故障時，控制器K控制正、負極充電開關Gl、G3和G2、G4關斷，控制放電開關GOl、G02開通，應急電源啟動，各級串聯蓄電池單元E11、E12和E13串聯為應急動力負載供電。直到串聯蓄電池組能量放盡欠壓保護啟動後放電開關GOI、G02關斷、工業傳動PM停止輸出；或直到收到上位機發來的停機信號時放電開關G01、G02自動關斷、工業傳動PM停止輸出；或直到中壓交流供電母線電源恢復時，控制器K控制放電開關G01、G02關斷，充電開關G1、G3和G2、G4重新開通並重新進入充電控制狀態。各級串聯蓄電池單元都被充滿電後，其E11、E12和E13總串聯的電壓值應不低於中壓交流供電母線電壓值的I. 35倍。各級串聯蓄電池單元E11、E12和E13可以完全相同(品牌、電壓和電流)，也可以不同，但同一單元內的各節蓄電池應相同，三級單元串聯總電壓應相同，三級單元大串聯後的總電壓值應滿足輸出交流電壓的需求。正、負極充電開關GI、G3和G2、G4，可以是P-MOSFET、IGBT, IGCT, IPM、SITH、MCT或可關斷晶閘管(GTO)等，也可以是由電力電子器件組合而成的開關電路。正極充電開關G1、G3和負極充電開關G2、G4可以相同，也可以不同。放電開關G01、G02可以是P-MOSFET、IGBT、IGCT、IPM、SITH、MCT或可關斷晶閘管(GTO)等，也可以是由電力電子器件組合而成的開關電路。放電開關GOl和放電開關G02可以相同，也可以不同。工業傳動PM可以為進口品牌中壓型變頻器，也可以是國產品牌的中壓型動力用變頻器，還可以是寬頻逆變器。圖3為本發明一體化充放電式中壓系統應急電源的又一具體實施例的結構示意圖，其特點是2組蓄電池分別被分為兩級串聯單元。。如圖所示，包括兩組兩級串聯蓄電池單元，第一組和第二組內的兩級串聯蓄電池單元均分別與圖I中第一級單元和第二級單元相同。在第一組中，第一級串聯蓄電池單元El I的正極通過正極充電開關Gl I與充放電母線M的正極連接，其負極直接與充放電母線M的負極連接；第二級串聯蓄電池單元E12的正極直接與充放電母線M的正極相接，其負極通過負極充電開關G12與充放電母線M的負極連接；正極充電開關Gll的正極接充放電母線M的正極，其負極接第一級串聯蓄電池單元Ell的正極；負極充電開關G12的正極連接第二級單元E12的負極，其負極接充放電母線M的負極；放電開關GOl的正極連接第一級串聯蓄電池單元Ell的正極，其負極連接第二級串聯蓄電池單元E12的負極。在第二組中，第一級串聯蓄電池單元E21的正極通過正極充電開關G21與充放電母線M正極連接，其負極直接與充放電母線M的負極連接，第二級串聯蓄電池單元E22的正極直接與充放電母線M的正極連接，其負極通過負極充電開關G22與充放電母線M的負極連接，正極充電開關G21的正極連接充放電母線M的正極，其負極連接第一級串聯蓄電池單元E21的正極；負極充電開關G22的正極接第二級串聯蓄電池單元E22的負極，其負極接充放電母線M的負極；放電開關G02的正極連接第一級串聯蓄電池單元E21的正極，其負極連接第二級串聯蓄電池單元E22的負極。充放電母線M的正極與工業傳動PM的中間直流母線的正極連接，負極與工業傳動 PM的中間直流母線的負極連接。工業傳動PM的輸入端連接中壓交流供電母線，輸出端連接中壓應急動力負載D，例如電動機。當中壓交流供電母線正常為應急動力負載供電時，放電開關GOl和G02均處於關斷狀態，而正、負極充電開關GlI、G12和G21、G22均處於開通狀態，第一組和第二組內各串聯蓄電池單元同時並聯充電。當中壓交流供電母線L出現故障時，充電開關全部關斷，放電開關GOl開通或G02開通或二者全部開通，任一組內的兩級串聯蓄電池單元自動串聯後為動力負載供電，或者兩組同時放電，直到蓄電池組能量均放盡欠壓保護啟動後工業傳動PM停止輸出；或直到收到上位機發來的停機信號時工業傳動PM停止輸出；或直到中壓交流供電母線電源恢復時，所有放電開關自動關斷，充電開關自動開通，重新進入充電控制狀態。所有蓄電池被充滿電後，各組的兩級單元串聯總電壓值應不低於中壓交流供電母線電壓值的I. 35倍，S卩，第一組的第一級串聯蓄電池單元ElI和第二級串聯蓄電池單元E12串聯電壓總值應不低於中壓交流供電母線電壓值的I. 35倍，第二組的第一級串聯蓄電池單元E21和第二級串聯蓄電池單元E22串聯電壓總值應不低於中壓交流供電母線電壓值的I. 35倍。在本發明中，控制器K可以為具有控制功能的單片機、單板機、工控機、智能控制儀表、PLC或其他計算機類控制裝置，也可以由工業傳動控制器代替。本發明可廣泛應用於工業領域各類過程控制系統，特別是化工、石油、石化和煤化工領域的應急電源系統。本發明是通過實施例進行描述的，本領域技術人員知悉，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以對這些特徵和實施例進行各種改變或等效替換。另外，在本發明的教導下，可以對這些特徵和實施例進行修改以適應具體的情況及材料而不會脫離本發明的精神和範圍。因此，本發明不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本申請的權利要求範圍內的實施例都屬於本發明的保護範圍。
權利要求1.一種一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，包括至少一組含兩級或兩級以上串聯蓄電池單元的結構，第一級串聯蓄電池單元的正極通過正極充電開關與充放電母線的正極連接，其負極直接與充放電母線的負極連接；末級串聯蓄電池單元的正極直接與充放電母線的正極連接，其負極通過負極充電開關與充放電母線的負極連接；中間各級串聯蓄電池單元的正極通過正極充電開關與充放電母線的正極連接，其負極通過負極充電開關與充放電母線的負極連接；前級串聯蓄電池單元的正極與後級串聯蓄電池單元的負極通過放電開關連接；正常情況下應急電源處於充電狀態，各放電開關均關斷，所有充電開關均開通；當應急電源放電時，所有正、負極充電開關均關斷，所有放電開關均開通。
2.根據權利要求I所述的一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，充放電母線的正極與工業傳動中間直流母線的正極連接，負極與工業傳動中間直流母線的負極連接。
3.根據權利要求2所述的一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，各級串聯蓄電池單元充滿電後總串聯電壓值不低於工業傳動的中間直流電壓值。
4.根據權利要求3所述的一體化充放電式中壓系統應急電源,其特徵在於,工業傳動的交流輸出電壓值的範圍為O. 66KV至10KV。
5.根據權利要求4所述的一體化充放電式中壓系統應急電源,其特徵在於,正極充電開關和負極充電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。
6.根據權利要求5所述的一體化充放電式中壓系統應急電源,其特徵在於,放電開關是可控類電力電子開關或由其構成的開關電路。
7.根據權利要求6所述的一體化充放電式中壓系統應急電源,其特徵在於,放電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。
8.—種一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，包括兩組含兩級串聯蓄電池單元的結構，各組的第一級串聯蓄電池單元的正極通過正極充電開關與充放電母線的正極連接，其負極直接與充放電母線的負極連接；各組的第二級串聯蓄電池單元的正極直接與充放電母線的正極連接，其負極通過負極充電開關與充放電母線的負極連接；各組的第一級串聯蓄電池單元的正極與第二級串聯蓄電池單元的負極通過放電開關連接；正常情況下應急電源處於充電狀態，各放電開關均關斷，所有充電開關均開通；當應急電源放電時，所有充電開關均關斷，所有放電開關均開通。
9.根據權利要求8所述的一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，充放電母線的正極與工業傳動中間直流母線的正極連接，負極與工業傳動中間直流母線的負極連接。
10.根據權利要求9所述的一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，各級串聯蓄電池單元充滿電後總串聯電壓值不低於工業傳動的中間直流電壓值。
11.根據權利要求10所述的一體化充放電式中壓系統應急電源,其特徵在於,工業傳動的交流輸出電壓值的範圍為O. 66KV至10KV。
12.根據權利要求11所述的一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，正極充電開關和負極充電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。
13.根據權利要求12所述的一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，放電開關是可控類電力電子開關或由其構成的開關電路。
14.根據權利要求13所述的一體化充放電式中壓系統應急電源，其特徵在於，放電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。
專利摘要本實用新型提供一體化充放電式中壓系統應急電源，其包括至少一組含兩級或兩級以上串聯蓄電池單元的結構，第一級串聯蓄電池單元的正極通過正極充電開關與充放電母線的正極連接，其負極直接與充放電母線的負極連接；末級串聯蓄電池單元的正極直接與充放電母線的正極連接，其負極通過負極充電開關與充放電母線的負極連接；正常情況下應急電源處於充電狀態，各放電開關均關斷，所有充電開關均開通；當應急電源放電時，所有正、負極充電開關均關斷，所有放電開關均開通。實施本實用新型可以保證中壓交流動力系統在程控系統喪失電源情況下，在任意設定時間內不停止工作，尤其是在突然斷電的情況下能正常工作，從而使電網故障停電的損失降為「0」。
文檔編號H02J9/00GK202663131SQ201220059939
公開日2013年1月9日 申請日期2012年2月23日 優先權日2012年2月23日
發明者孫毅彪, 徐雲勝, 範延勇, 劉娜 申請人:國彪電源集團有限公司