一种变频器应急供电系统的制作方法
【专利摘要】一种变频器应急供电系统，包括由AC/DC整流器和DC/AC逆变器串联组成的变频器、储能装置、双向DC/DC变换器，以及电池管理系统，双向DC/DC变换器运行模式包括停止模式、充电模式、放电模式和稳压模式，由电池管理系统的人机交互模块与保护控制和告警模块根据电网侧安装的电压互感器检测的电网电压判定的电网正常供电或发生故障的结果，控制双向DC/DC变换器运行模式之间的切换。当电网发生故障时能为交流负载应急供电。在电网侧安装的电压互感器检测电网电压恢复正常供电10s之后，双向DC/DC变换器运行模式由稳压模式切换为充电模式，储能电池以电流源的形式连接在直流母线上，可以显著提高变频器应急供电的可靠性。
【专利说明】一种变频器应急供电系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及应急供电，特别是涉及一种变频器应急供电系统。
【背景技术】
[0002] 可调速驱动系统中的包括交流/直流（Alternate Current / Direct Current,缩 略词为AC/DC)整流器和直流/交流（Direct Current / Alternate Current,缩略词为DC/ AC)逆变器的变频器，应用变频驱动技术改变交流电动机的工作电压幅值和频率，以平滑控 制交流电动机的转矩和速度。现有变频器都是采用电网供电，将电网的工频电压变换成另 一频率的交流电能对交流电动机供电，一旦电网发生故障，就必须在一段时间内停止为交 流电动机供电。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种变频器应急供 电系统。
[0004] 本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
[0005] 这种变频器应急供电系统，包括由AC/DC整流器和DC/AC逆变器串联组成的变频 器、储能装置、双向直流/直流（Direct Current / Direct Current,缩略词为DC/DC)变换 器，以及电池管理系统， 所述AC/DC整流器，其输入端经交流断路器与市电相连接，输出端与直流母线相连接， 用于电网正常供电时将电网的工频交流电变换为直流电。
[0006] 所述DC/AC逆变器，其输入端与直流母线相连接，输出端与交流负载相连接，用于 在电网正常供电时将所述AC/DC整流器输出的直流电转换为交流电为交流负载供电，在市 电发生故障时将储能装置输出的直流电转换为交流电为交流负载供电。
[0007] 所述储能装置用于对直流负载供电，以及在电网发生故障时维持对交流负载不间 断供电。
[0008] 所述双向DC/DC变换器，包括其组成与参数相同的一次绕组和二次绕组的隔离高 频变压器，以及分别与所述一次绕组、二次绕组相连接的一次高频整流/逆变单元、二次高 频整流/逆变单元，所述一次高频整流/逆变单元的正向DC/DC变换的输入端也是反向DC/ DC变换的输出端，分别与所述储能装置和所述电池管理系统相连接，所述一次高频整流/ 逆变单元的正向DC/DC变换的输出端也是反向DC/DC变换的输入端，与所述直流母线相连 接，所述双向DC/DC变换器用于传递双向能量。
[0009] 这种变频器应急供电系统的特点是： 所述双向DC/DC变换器运行模式包括停止模式、充电模式、放电模式和稳压模式，由所 述电池管理系统的人机交互模块与保护控制和告警模块根据电网侧安装的电压互感器检 测的电网电压判定的电网正常供电或发生故障的结果，控制所述双向DC/DC变换器运行模 式之间的切换。
[0010] 电网正常供电时，变频器正常工作，由电网取电经整流、逆变后输出为交流负载供 电，并维持直流母线电压稳定，由所述电池管理系统的人机交互模块控制所述双向DC/DC 变换器的运行模式为充电模式和放电模式，在充电模式设置充电电流值和浮充电压值，对 所述储能装置进行恒流/恒压充电，在放电模式设置放电电流值和放电功率值，对所述储 能装置进行恒流/恒功率放电；同时由所述电池管理系统的电池系统状态监测模块实时检 测所述储能装置的电压、电流和温度，并由所述电池管理系统的通信模块将数据通过RS232 通信传输给所述双向DC/DC变换器，所述双向DC/DC变换器根据所述储能装置的参数，设置 保护参数，调整运行模式和输出电压对所述储能装置可靠进行保护。
[0011] 电网电压小于0.2倍额定电压，并维持60s时，判定电网发生故障，由所述电池管 理系统的保护控制和告警功能模块控制更改双向DC/DC变换器中的相应开关的开通顺序 将所述双向DC/DC变换器运行模式由停止模式、充电模式和放电模式中的一种切换为稳压 模式，此时应急供电系统相应由正常工作模式切换为稳压工作模式，通过调节相应开关的 占空比控制所述储能装置释放能量，使直流母线电压恒定，经逆变后为交流负载应急供电， 并且对电网、所述储能装置以及所述双向DC/DC变换器自身进行保护，所述对电网进行保 护，包括及时与电网断开，防止故障影响范围扩大，所述对储能装置进行保护，包括对所述 储能装置进行过欠压保护、过流保护和过热保护，以及直流过欠压保护、直流过流保护、直 流极性反接保护、交流过流保护、交流过欠频保护、交流过欠压保护和交流过欠频保护，所 述对双向DC/DC变换器进行保护，包括直流过流保护、直流过压保护和直流欠压保护。
[0012] 电网电压大于0. 2倍额定电压，并维持10s时，判定电网恢复正常供电，由所述电 池管理系统的保护控制和告警功能模块控制更改双向DC/DC变换器中的相应开关的开通 顺序将所述双向DC/DC变换器运行模式由稳压模式切换为充电模式，此时应急供电系统的 运行模式相应由稳压工作模式切换为正常工作模式，所述储能装置以电流源的形式连接在 直流母线上，以提高供电的可靠性，由于在较短的电网故障时间内，该变频器应急供电系统 能保证交流负载正常运行，可以显著提高变频器应急供电的可靠性。
[0013] 本发明的技术问题通过以下进一步技术方案予以解决。
[0014] 所述双向DC/DC变换器中的一次高频整流/逆变单元，是全桥式高频整流/逆变 电路，包括两个桥臂上的四个各自有反并联二极管或管体内寄生二极管的开关管组成的两 组共四个开关，由所述电池管理系统控制更改两组共四个开关的开通顺序，实现正向DC/DC 变换和反向DC/DC变换工作之间的切换。
[0015] 所述双向DC/DC变换器中的二次高频整流/逆变单元，其组成与参数与一次高频 整流/逆变单元完全相同，也是全桥式高频整流/逆变电路，包括两个桥臂上的四个各自有 反并联二极管或管体内寄生二极管的开关管组成的两组共四个开关，由所述电池管理系统 控制更改两组共四个开关的开通顺序，实现正向DC/DC变换和反向DC/DC变换工作之间的 切换。
[0016] 所述开关管是绝缘栅双极型功率管（Insulated Gate Bipolar Transistor,缩略 词为IGBT)。
[0017] 所述储能装置是磷酸铁锂储能电池，是使用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电 池。
[0018] 所述交流负载是变频器的交流负载。
[0019] 所述变频器的交流负载包括交流电动机。
[0020] 所述电池管理系统，包括电池系统状态监测模块、故障诊断模块、保护控制和告警 功能模块、电池均衡功能模块、热管理功能模块、数据记录模块、通信模块，以及人机交互模 块，所述通信模块包括与上位机集中监控系统传输数据的RS485通信接口或/和以太网通 信接口。
[0021] 本发明与现有技术相比的有益效果是： 本发明的应急供电系统，当电网发生故障时能为交流负载应急供电。在电网侧安装的 电压互感器检测电网电压恢复正常供电10s之后，双向DC/DC变换器运行模式由稳压模式 切换为充电模式，储能电池以电流源的形式连接在直流母线上，可以显著提高变频器应急 供电的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是本发明【具体实施方式】的系统组成图； 图2是图1的双向DC/DC变换器的主电路拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合【具体实施方式】并对照附图对本发明进行说明。
[0024] -种如图1、2所示的变频器应急供电系统，包括由AC/DC整流器2和DC/AC逆变 器3串联组成的变频器4、磷酸铁锂储能电池6、双向DC/DC变换器5,以及包括电池系统状 态监测模块、故障诊断模块、保护控制和告警功能模块、电池均衡功能模块、热管理功能模 块、数据记录模块、通信模块，以及人机交互模块的电池管理系统7,其中通信模块包括与上 位机9集中监控系统传输数据的RS485通信接口或/和以太网通信接口。
[0025] AC/DC整流器2的输入端经交流断路器1与市电相连接，输出端与直流母线10相 连接，用于电网正常供电时将电网的工频交流电变换为直流电；DC/AC逆变器3的输入端与 直流母线10相连接，输出端与包括交流电动机的变频器的交流负载8相连接，用于在电网 正常供电时将AC/DC整流器2输出的直流电转换为交流电为交流负载8供电，在市电发生 故障时将储能电池6输出的直流电转换为交流电为交流负载8供电；磷酸铁锂储能电池6 用于对直流负载11供电，以及在电网发生故障时维持对交流负载8不间断供电；双向DC/ DC变换器5包括其组成与参数相同的一次绕组和二次绕组的隔离高频变压器，以及分别与 一次绕组、二次绕组相连接的一次高频整流/逆变单元、二次高频整流/逆变单元，一次高 频整流/逆变单元的正向DC/DC变换的输入端也是反向DC/DC变换的输出端，分别与储能 电池6和电池管理系统7相连接，一次高频整流/逆变单元的正向DC/DC变换的输出端也 是反向DC/DC变换的输入端，与直流母线10相连接，双向DC/DC变换器5用于传递双向能 量。
[0026] 双向DC/DC变换器5中的一次高频整流/逆变单元，是全桥式高频整流/逆变电 路，包括两个桥臂上的四个各自有反并联二极管或管体内寄生二极管的IGBT开关管S1~S4 组成的两组共四个开关，双向DC/DC变换器5中的二次高频整流/逆变单元，其组成与参数 与一次高频整流/逆变单元完全相同，也是全桥式高频整流/逆变电路，包括两个桥臂上的 四个各自有反并联二极管或管体内寄生二极管的IGBT开关管S5~S8组成的两组共四个开 关，由电池管理系统7控制更改双向DC/DC变换器5中的一次高频整流/逆变单元和二次 高频整流/逆变单元的四组共八个开关的开通顺序，实现正向DC/DC变换和反向DC/DC变 换工作之间的切换。
[0027] 双向DC/DC变换器5的运行模式包括停止模式、充电模式、放电模式和稳压模式， 由电池管理系统7的人机交互模块与保护控制和告警模块根据电网侧安装的电压互感器 检测的电网电压判定的电网正常供电或发生故障的结果，控制双向DC/DC变换器5的运行 模式之间的切换。
[0028] 电网正常供电时，变频器正常工作，由电网取电经整流、逆变后输出为交流负载供 电8,并维持直流母线10电压稳定，由电池管理系统7的人机交互模块控制双向DC/DC变换 器5的运行模式为充电模式和放电模式，在充电模式设置充电电流值和浮充电压值，对磷 酸铁锂储能电池6进行恒流/恒压充电，在放电模式设置放电电流值和放电功率值，对磷酸 铁锂储能电池6进行恒流/恒功率放电；同时由电池管理系统7的电池系统状态监测模块 实时检测磷酸铁锂储能电池6的电压、电流和温度，并由电池管理系统7的通信模块将数据 通过RS232通信传输给双向DC/DC变换器5,双向DC/DC变换器5根据磷酸铁锂储能电池6 的参数，设置保护参数，调整运行模式和输出电压对磷酸铁锂储能电池6可靠进行保护。
[0029] 电网电压小于0.2倍额定电压，并维持60s时，判定电网发生故障，由电池管理系 统7的保护控制和告警功能模块控制更改双向DC/DC变换器5中的一次高频整流/逆变单 元和二次高频整流/逆变单元的四组共八个开关的开通顺序将双向DC/DC变换器5的运 行模式由停止模式、充电模式和放电模式中的一种切换为稳压模式，此时应急供电系统相 应由正常工作模式切换为稳压工作模式，通过调节双向DC/DC变换器5中的一次高频整流 /逆变单元和二次高频整流/逆变单元的四组共八个开关的占空比控制磷酸铁锂储能电池 6释放能量，使直流母线10电压恒定，经逆变后为交流负载7应急供电，并且对电网、磷酸 铁锂储能电池6以及双向DC/DC变换器5自身进行保护，对电网进行保护，包括及时与电网 断开，防止故障影响范围扩大，对磷酸铁锂储能电池6进行保护，包括对磷酸铁锂储能电池 6进行过欠压保护、过流保护和过热保护，以及直流过欠压保护、直流过流保护、直流极性反 接保护、交流过流保护、交流过欠频保护、交流过欠压保护和交流过欠频保护，对双向DC/DC 变换器5进行保护，包括直流过流保护、直流过压保护和直流欠压保护。
[0030] 电网电压大于0. 2倍额定电压，并维持10s时，判定电网恢复正常供电，由电池管 理系统7的保护控制和告警功能模块控制更改双向DC/DC变换器5中的一次高频整流/ 逆变单元和二次高频整流/逆变单元的四组共八个开关的开通顺序将双向DC/DC变换器5 的运行模式由稳压模式切换为充电模式，此时应急供电系统的运行模式相应由稳压工作模 式切换为正常工作模式，磷酸铁锂储能电池6以电流源的形式连接在直流母线10上，以提 高供电的可靠性，由于在较短的电网故障时间内，该变频器应急供电系统能保证交流负载7 正常运行，可以显著提高变频器应急供电的可靠性。
[0031] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当 视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
【权利要求】
1. 一种变频器应急供电系统，包括由AC/DC整流器和DC/AC逆变器串联组成的变频器、 储能装置、双向DC/DC变换器，以及电池管理系统， 所述AC/DC整流器，其输入端经交流断路器与市电相连接，输出端与直流母线相连接， 用于电网正常供电时将电网的工频交流电变换为直流电； 所述DC/AC逆变器，其输入端与直流母线相连接，输出端与交流负载相连接，用于在电 网正常供电时将所述AC/DC整流器输出的直流电转换为交流电为交流负载供电，在市电发 生故障时将储能装置输出的直流电转换为交流电为交流负载供电； 所述储能装置用于对直流负载供电，以及在电网发生故障时维持对交流负载不间断供 电； 所述双向DC/DC变换器，包括其组成与参数相同的一次绕组和二次绕组的隔离高频变 压器，以及分别与所述一次绕组、二次绕组相连接的一次高频整流/逆变单元、二次高频整 流/逆变单元，所述一次高频整流/逆变单元的正向DC/DC变换的输入端也是反向DC/DC 变换的输出端，分别与所述储能装置和所述电池管理系统相连接，所述一次高频整流/逆 变单元的正向DC/DC变换的输出端也是反向DC/DC变换的输入端，与所述直流母线相连接， 所述双向DC/DC变换器用于传递双向能量； 其特征在于： 所述双向DC/DC变换器运行模式包括停止模式、充电模式、放电模式和稳压模式，由所 述电池管理系统的人机交互模块与保护控制和告警模块根据电网侧安装的电压互感器检 测的电网电压判定的电网正常供电或发生故障的结果，控制所述双向DC/DC变换器运行模 式之间的切换； 电网正常供电时，变频器正常工作，由电网取电经整流、逆变后输出为交流负载供电， 并维持直流母线电压稳定，由所述电池管理系统的人机交互模块控制所述双向DC/DC变换 器的运行模式为充电模式和放电模式，在充电模式设置充电电流值和浮充电压值，对所述 储能装置进行恒流/恒压充电，在放电模式设置放电电流值和放电功率值，对所述储能装 置进行恒流/恒功率放电；同时由所述电池管理系统的电池系统状态监测模块实时检测所 述储能装置的电压、电流和温度，并由所述电池管理系统的通信模块将数据通过RS232通 信传输给所述双向DC/DC变换器，所述双向DC/DC变换器根据所述储能装置的参数，设置保 护参数，调整运行模式和输出电压对所述储能装置可靠进行保护； 电网电压小于0. 2倍额定电压，并维持60s时，判定电网发生故障，由所述电池管理 系统的保护控制和告警功能模块控制更改双向DC/DC变换器中的相应开关的开通顺序将 所述双向DC/DC变换器运行模式由停止模式、充电模式和放电模式中的一种切换为稳压模 式，此时应急供电系统相应由正常工作模式切换为稳压工作模式，通过调节相应开关的占 空比控制所述储能装置释放能量，使直流母线电压恒定，经逆变后为交流负载应急供电，并 且对电网、所述储能装置以及所述双向DC/DC变换器自身进行保护，所述对电网进行保护， 包括及时与电网断开，防止故障影响范围扩大，所述对储能装置进行保护，包括对所述储能 装置进行过欠压保护、过流保护和过热保护，以及直流过欠压保护、直流过流保护、直流极 性反接保护、交流过流保护、交流过欠频保护、交流过欠压保护和交流过欠频保护，所述对 双向DC/DC变换器进行保护，包括直流过流保护、直流过压保护和直流欠压保护； 电网电压大于0. 2倍额定电压，并维持10s时，判定电网恢复正常供电，由所述电池管 理系统的保护控制和告警功能模块控制更改双向DC/DC变换器中的相应开关的开通顺序 将所述双向DC/DC变换器运行模式由稳压模式切换为充电模式，此时应急供电系统的运行 模式相应由稳压工作模式切换为正常工作模式，所述储能装置以电流源的形式连接在直流 母线上，以提高供电的可靠性，由于在较短的电网故障时间内，该变频器应急供电系统能保 证交流负载正常运行，可以显著提高变频器应急供电的可靠性。
2. 如权利要求1所述的变频器应急供电系统，其特征在于： 所述双向DC/DC变换器中的一次高频整流/逆变单元，是全桥式高频整流/逆变电路， 包括两个桥臂上的四个各自有反并联二极管或管体内寄生二极管的开关管组成的两组共 四个开关，由所述电池管理系统控制更改两组共四个开关的开通顺序，实现正向DC/DC变 换和反向DC/DC变换工作之间的切换。
3. 如权利要求1或2所述的变频器应急供电系统，其特征在于： 所述双向DC/DC变换器中的二次高频整流/逆变单元，其组成与参数与一次高频整流 /逆变单元完全相同，也是全桥式高频整流/逆变电路，包括两个桥臂上的四个各自有反并 联二极管或管体内寄生二极管的开关管组成的两组共四个开关，由所述电池管理系统控制 更改两组共四个开关的开通顺序，实现正向DC/DC变换和反向DC/DC变换工作之间的切换。
4. 如权利要求3所述的变频器应急供电系统，其特征在于： 所述开关管是绝缘栅双极型功率管IGBT。
5. 如权利要求4所述的变频器应急供电系统，其特征在于： 所述储能装置是磷酸铁锂储能电池，是使用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。
6. 如权利要求5所述的变频器应急供电系统，其特征在于： 所述交流负载是变频器的交流负载。
7. 如权利要求6所述的变频器应急供电系统，其特征在于： 所述变频器的交流负载包括交流电动机。
8. 如权利要求7所述的变频器应急供电系统，其特征在于： 所述电池管理系统，包括电池系统状态监测模块、故障诊断模块、保护控制和告警功能 模块、电池均衡功能模块、热管理功能模块、数据记录模块、通信模块，以及人机交互模块， 所述通信模块包括与上位机集中监控系统传输数据的RS485通信接口或/和以太网通信接 □。
【文档编号】H02M3/315GK104065154SQ201410250307
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】秦毅 申请人:深圳微网能源管理系统实验室有限公司