一种具有应急电源和有源滤波功能的复合电源的制作方法

本发明属于应急电源技术领域，具体地说，是涉及一种兼具有应急电源和有源滤波器两种功能的复合电源。

背景技术：

随着社会的进步，科技的发展，越来越多的用电设备对供电的质量、安全性和可靠性提出了越来越高的要求。这些用电设备(如消防设施、电梯、基站等)一方面需要配置第二路电源，以便在电网突然断电时能够为其提供应急电源，使用电设备能够持续运行一段时间，避免用电设备因突然断电而停止运行所可能引发的安全事故发生；另一方面，这些用电设备在工作期间会产生大量的谐波,这些谐波回馈至电网，会对电网造成污染，影响市电品质，因此需要配置滤波装置，滤除掉电网中的高次谐波，以优化市电质量。

为了满足用电设备的上述用电需求，现有的解决办法是针对两方面问题分别采取解决措施，分而治之。例如，为用电设备单独配置应急电源，在电网断电时为用电设备提供不间断供电；同时，在电网中单独配置有源滤波器，消除电网中的高次谐波，提高供电质量。即，一个问题对应一个解决装置，资源不能共享，问题解决局限性很大，造成了资源的严重浪费，并且解决效果并不理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有应急电源和有源滤波功能的复合电源，在市电正常时可以作为有源滤波器使用，在市电故障时可以作为应急电源使用，不仅能够满足用电设备的不间断供电的使用需求，而且可以改善供电质量，降低成本。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种具有应急电源和有源滤波功能的复合电源，包括市电输入端、负载输出端、充电器、电池组、逆变器和监控器；所述市电输入端用于连接外部市电；所述负载输出端用于外接负载，并通过主电源传输线路连接所述的市电输入端，在所述主电源传输线路中串联有第一开关元件；所述充电器将通过所述市电输入端接入的交流市电转换成直流电能输出；所述电池组接收并储存所述充电器输出的直流电能；所述逆变器的输入侧通过切换开关分别与所述的主电源传输线路和电池组连接，其输出侧一路通过第二开关元件连通所述的负载输出端，另一路通过LC滤波电路经由第三开关元件连接所述的主电源传输线路，在所述第三开关元件的两端并联有电阻和第四开关元件的串联支路；所述监控器检测通过所述市电输入端接入的交流市电是否正常，若市电正常，则控制所述第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件断开，第三开关元件在所述LC滤波电路中的电容充满电后闭合，并在所述第三开关元件闭合后，控制所述第四开关元件断开；控制所述切换开关将逆变器的输入侧与主电源传输线路连通，控制逆变器输出与市电中的谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流经由所述LC滤波电路滤波后输出至所述主电源传输线路，进而利用滤除谐波后的市电为所述外接负载供电；若市电异常，则控制所述第一开关元件和第三开关元件断开，第二开关元件闭合，并控制所述切换开关将逆变器的输入侧与电池组连通，控制逆变器将电池组输出的直流电能逆变成交流电，为所述外接负载供电。

进一步的，所述监控器在检测到市电由正常变为异常，再由异常恢复到正常时，控制所述第一开关元件和第三开关元件闭合，直接短路所述电阻。

为了提高市电检测的准确性并缩短检测时间，所述监控器在检测通过所述市电输入端接入的交流市电是否正常的过程中，优选执行以下检测过程：

对所述交流市电的三相电压u_a、u_b、u_c进行αβ变换，将abc三相旋转坐标系变换到α、β两相静止坐标系，生成αβ坐标系下的α轴分量和β轴分量其中，U为所述交流市电的电压向量；

对所述β轴分量u_β做矩阵变换，使u_β移相-90°，得到α轴分量u_α’；

对所述α轴分量u_α’和β轴分量u_β进行dq变换，生成dq坐标系下的d轴分量u_d和q轴分量u_q；

将所述d轴分量u_d和q轴分量u_q通过低通滤波器，获得其中的直流成分u_d0和u_q0；

将所述直流成分u_d0、u_q0与标准市电的电压额定值进行比较，若其中之一偏差所述电压额定值15％或以上，则判定市电异常；否则，判定市电正常。

进一步的，在所述逆变器中设置有由六个开关管连接而成的三相桥；所述监控器通过改变其输出的六路调制脉冲信号，以改变所述六个开关管的通断时序，进而控制所述逆变器工作在有源滤波状态或者逆变状态。

又进一步的，所述交流市电为380V的三相四线制交流供电，在所述逆变器中包含有两个电容，所述的两个电容串联后连接在三相桥的直流侧的两端，两个电容的中间节点通过所述切换开关中的第一组选通开关连接所述三相四线制交流供电的零线，在所述监控器检测到市电正常时，控制所述第一组选通开关闭合，将所述零线上的工作电流传输至所述逆变器，并控制三相桥生成与市电中的谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，输出至所述三相四线制交流供电的相线，使所述逆变器工作在有源滤波状态。

再进一步的，在所述逆变器中，三相桥的直流侧的两端通过所述切换开关中的第二组选通开关连接所述电池组；所述监控器在检测到市电异常时，控制所述第二组选通开关闭合，将电池组输出的直流电能传输至所述逆变器，并生成六路调制脉冲信号控制所述逆变器工作在逆变状态，逆变输出三相交流供电。

优选的，通过所述逆变器逆变输出的三相交流供电经由变压器进行电压变换以及滤波电容滤波后，通过闭合的第二开关元件传输至所述的负载输出端，进而为外接负载供电。

进一步的，在所述复合电源的市电输入端连接有用于采集电流、电压的检测装置，所述监控器根据所述检测装置输出的检测信号监测市电的异常状况。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的复合电源集成了应急电源和有源滤波器两种功能，在市电正常时可以作为有源滤波器，滤除市电中的高次谐波并可以提供一定的无功补偿，以优化市电，改善供电质量；在市电异常时，可以为用电负载提供第二路电源，以满足某些负载的不间断用电需求。本发明的复合电源将应急电源和有源滤波两种功能集成在一起，在满足负载供电要求的同时，可以消除负载对电网的谐波和无功影响，在提高电能质量的同时降低了产品成本。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的具有应急电源和有源滤波功能的复合电源的一种实施例的系统架构图；

图2是图1中有源变频器以及电池组的一种实施例的电路原理框图；

图3是图2中逆变器的一种实施例的电路原理图；

图4是图2所示有源变频器在市电正常时的工作原理图；

图5是图2所示有源变频器在市电异常时的工作原理图；

图6是市电检测方法的一种实施例的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

本实施例的复合电源针对某些用电负载要求配置第二路电源并在负载运行过程中易产生谐波，对电网造成污染的问题，提出了一种全新的电源电路拓扑结构，使得一台电源设备兼具应急电源和有源滤波两种功能，通过共享硬件资源，在改善供电质量的同时，达到了降低产品成本的设计目的。

如图1所示，本实施例的复合电源主要设置有市电输入端VIN、负载输出端VOUT、有源变频器INV、LC滤波电路、电池组BAT以及多路开关元件KM1、KM2、MK3、KM4。其中，市电输入端VIN用于外接电网，接入交流市电，并且在复合电源的内部，所述市电输入端VIN可以通过主电源传输线路经由第一开关元件KM1连接到负载输出端VOUT，在市电正常时，通过控制第一开关元件KM1闭合，以将通过市电输入端VIN接入的交流市电传输至负载输出端VOUT，进而通过负载输出端VOUT向与其外接的用电负载供电。

为了提高供电质量，本实施例在所述复合电源中设置有源变频器INV，在市电正常时，利用有源变频器INV检测接入到复合电源的交流市电中的高次谐波，进而生成与所述高次谐波大小相等、相位相反的补偿电流，传输至所述的主电源传输线路，对所述交流市电中的谐波进行补偿和抵消，进而达到滤除市电谐波的目的。

对于通过有源变频器INV输出的补偿电流，可以经由LC滤波电路进行滤波处理后，再传输至所述的主电源传输线路，以提高谐波抑制效果。为了确保所述LC滤波电路能够有效运行，本实施例在所述LC滤波电路的基础上增设电阻R，如图1所示，在LC滤波电路初次运行时，通过将所述电阻R接入系统电路，以确保LC滤波电路中的电容C在充满电后投入运行。具体来讲，可以采用将电感L和电容C串联的方式构成所述的LC滤波电路，将所述LC滤波电路通过第三开关元件KM3连接至所述的主电源传输线路，将所述电阻R与第四开关元件KM4串联后并联在所述第三开关元件KM3的两端。当市电正常，且所述复合电源启动运行时，可以首先控制第三开关元件KM3断开，第四开关元件KM4闭合，给电容C充电。待电容C充满电后，控制第三开关元件KM3闭合，第四开关元件KM4断开，短路掉电阻R，以降低系统功耗。

在市电发生故障或者出现异常时，为了能够给外部负载提供应急电源，本实施例在所述复合电源中设置电池组BAT。在市电正常时，利用交流市电为电池组BAT充电，储存电能；在市电异常时，将电池组BAT储存的电能提供给有源变频器INV，利用有源变频器INV逆变输出用电负载所需的交流供电，进而通过备用电源传输线路传输至所述的负载输出端VOUT，通过负载输出端VOUT继续为外接负载供电，从而达到了在市电异常时，为用电负载提供应急电源的设计目的。

在所述备用电源传输线路中可以串联第二开关元件KM2，如图1所示。当市电正常时，可以采用控制第一开关元件KM1闭合、第二开关元件KM2断开的方式，将主电源传输线路接通，利用交流市电为负载供电；而当市电故障或者异常时，可以采用控制第一开关元件KM1断开、第二开关元件KM2闭合的方式，将备用电源传输线路接通，利用复合电源储能的电能为负载供电，起到应急电源的作用。

对于通过有源变频器INV逆变输出的交流供电，可以进一步通过变压器T进行降压变换后，再经由滤波电容CE以及闭合的第二开关元件KM2传输至负载输出端VOUT，以满足外接负载的用电要求。在所述变压器T的初级绕组与有源变频器INV的交流输出侧之间可以进一步连接第五开关元件KM5，如图1所示。在市电正常时，通过控制第五开关元件KM5断开，可以避免通过有源变频器INV输出的谐波补偿电流传输至变压器T，通过保证谐波补偿电流的正确流向，以确保复合电源准确地工作在有源滤波状态，进而达到提高电网质量的设计目的。

在本实施例中，所述开关元件KM1-KM5可以选用继电器、可控硅等具有通断作用并支持大电流通过的开关部件实现，本实施例对此不进行具体限制。

图2为所述有源变频器INV的电路架构图，包括充电器、逆变器、监控器和切换开关KD。其中，充电器连接主电源传输线路，在市电正常时，接收通过市电输入端VIN接入的交流市电，并将交流市电转换成直流电，输出至电池组BAT，为电池组BAT充电蓄能。将逆变器的输入侧连接至切换开关KD，通过切换开关KD分别与主电源传输线路和电池组BAT对应连接。在市电正常时，控制切换开关KD中的第一组选通开关KD1闭合，第二组选通开关KD2断开，将逆变器的输入侧连接至主电源传输线路，利用主电源传输线路中的电流为逆变器供电。在市电异常时，控制切换开关KD中的第一组选通开关KD1断开，第二组选通开关KD2闭合，将逆变器的输入侧连接至电池组BAT，利用电池组BAT输出的直流电能为逆变器供电。监控器根据接入的交流市电的异常状况，控制所述切换开关KD中两组选通开关KD1、KD2的通断状态，并控制所述逆变器工作在有源滤波器状态或者逆变状态。

在本实施例中，所述两组选通开关KD1、KD2可以采用晶闸管或者继电器的两组互锁开关实现，本实施例对此不进行具体限制。

为了使所述逆变器能够工作在有源滤波和逆变两种状态下，本实施例提出了如图3所示的电路结构，包括由六个开关管K1-K6搭建而成的三相桥以及电容C1、C2。在本实施例中，所述六个开关管K1-K6优选采用六个带反向并联二极管D1-D6的IGBT功率管。将两个电阻C1、C2串联后，连接在三相桥的直流侧的两端，即图3中的A、B两点之间，所述直流侧的A、B端通过切换开关KD中的第二组选通开关KD2与电池组BAT的正、负极对应连接，以在逆变状态下，接收电池组BAT提供的直流母线电压。所述交流市电优选采用380V的三相四线制交流供电AC380，即包括三路相线a、b、c和一路零线PEN。将两个电容C1、C2的中间节点通过切换开关KD中的第一组选通开关KD1连接至三相四线制交流供电AC380中的零线PEN，在市电正常时，接收零线PEN上的工作电流，并在监控器的控制下，通过三相桥生成与交流市电中的高次谐波大小相等、相位相反的补偿电流，经由每一相桥的上下桥臂的中间节点对应传输至交流市电的三路相线a、b、c上，以滤除市电谐波，提高供电质量。

下面结合图1-图3，对本实施例的复合电源的工作原理进行具体阐述。

当复合电源启动运行时，若市电正常，则通过监控器首先控制第二开关元件KM2和第三开关元件KM3断开，并控制第一开关元件KM1和第四开关元件KM4闭合，将电阻R接入LC滤波电路，给电容C充电。根据电容C的充放电时间，设置合适的延时时间，控制第三开关元件KM3延时闭合，即在电容C充满电后闭合所述的第三开关元件KM3，继而短路掉电阻R，以使LC滤波电路正常运行。在第三开关元件KM3闭合后，可以控制第四开关元件KM4断开，利用LC滤波电路对逆变器输出的谐波补偿电流进行滤波处理。在所述第三开关元件KM3闭合后，通过监控器控制切换开关KD中的第一组选通开关KD1闭合，并通过调节逆变器中六个IGBT功率管K1-K6的通断时序，以控制逆变器工作在有源滤波器状态，进而生成与市电中的高次谐波大小相等、相位相反的补偿电流，通过逆变器的交流输出侧传输至LC滤波电路，并经由LC滤波电路处理后，回馈至交流市电的三路相线，以起到消除供电系统内的高次谐波的目的，如图4所示。在此期间内，充电器将交流市电转换成直流电，为电池组BAT充电蓄能。

在复合电源运行的过程中，若检测到市电故障或者出现异常，则通过监控器首先控制第一开关元件KM1和第三开关元件KM3断开，并控制第二开关元件KM2和第五开关元件KM5闭合，接通备用电源传输线路。然后，通过监控器控制切换开关KD中的第一组选通开关KD1断开，第二组选通开关KD2闭合，利用电池组BAT储存的电能为逆变器提供直流母线电压，通过调节逆变器中六个IGBT功率管K1-K6的通断时序，以控制逆变器工作在逆变状态，进而将直流母线电压逆变成三相交流电压，经由第五开关元件KM5、变压器T、滤波电容CE以及第二开关元件KM2传输至负载输出端VOUT，进而为外接负载提供应急电源，如图5所示。

若市电恢复正常，则通过监控器控制第一开关元件KM1和第三开关元件KM3闭合，第二开关元件KM2和第五开关元件KM5断开，并控制切换开关KD中的第一组选通开关KD1闭合，第二组选通开关KD2断开，使逆变器重新工作在有源滤波状态，利用谐波补偿后的交流市电为外接负载供电。

为了对市电是否异常实现准确检测，本实施例采用根据电网电压是否正常的方式加以判断，结合图6所示。由于三相电网电压为时变交流量，不利于采样和控制。因此需要将三相瞬时电压值变换为直流变量来判断。具体来讲，本实施例采用dq分解法，首先将交流市电的三相电压u_a、u_b、u_c进行αβ变换，即，将abc三相旋转坐标系变换到α、β两相静止坐标系，继而投影生成αβ坐标系下的α轴分量和β轴分量其中，U为交流市电的电压向量。dq旋转坐标系通过αβ静止坐标系以角速度ω旋转，电压向量U与dq旋转坐标系同步旋转,其在dq旋转坐标系上的投影分别为和因此，通过一定的变换，αβ静止坐标系可以变换到dq旋转坐标系。

在上述αβ变换方法中,u_α分量是通过u_β分量超前90°获得的，该方法虽然原理简单、容易实现，但是由于u_α分量和u_β分量的数据不具有同时性，因此会给检测结果带来误差，而且数据的不同时性常常造成检测波形出现短时扰动。

为了解决以上问题，本实施例采用矩阵变换，矩阵变换是指对基波和各次谐波都进行-90°移相，并保持其幅值不变，原理如下：

对于连续时间信号a(t)进行矩阵变换定义为：

式中，HT(a(t))表示对a(t)进行矩阵变换；t表示时间；*为卷积符号；τ为积分变量。信号a(t)通过矩阵变换后，其正频率成分相移-90°，负频率成分相移+90°，由上式可以看出该变换器是幅频特性为1的全通滤波器。

根据公式(1)和u_α、u_β之间的相互关系可发现，u_β经过矩阵变换也能得到该相电压在α轴的分量u_α＝HT(u_β)。再利用dq分解法计算出电压暂降的幅值和相角。

令对u_β做矩阵变换使其移相-90°，即可得到落后于当前β轴分量90°的α轴分量然后将u_α’和u_β分量按照dq变换，变换成dq坐标系下的d轴分量u_d和q轴分量u_q，再将u_d和u_q通过低通滤波器得到d轴分量和q轴分量中的直流成分u_d0和u_q0。

将所述d轴分量和q轴分量中的直流成分u_d0、u_q0与正常交流市电的电压额定值进行比较，若其中之一与电压额定值偏差15％或者15％以上，则判定市电故障(异常)，复合电源工作在应急电源状态；反之，判定市电正常，复合电源工作在有源滤波状态。

采用以上市电检测方法不需要经过延时u_α和u_β的数据就可同时得到，因此缩短了检测时间；而且由于u_α’和u_β的数据具有同时性，因此避免了检测波形可能出现的短时扰动现象，具有更快的响应时间，并且检测精度更高。

上述市电检测方法可以采用在监控器中编写相应的软件程序的方式，实现监控器对交流市电是否异常的准确检测。

在本实施例中，可以在复合电源的输入侧和输出侧分别设置检测装置，例如用于检测交流电压和交流电流的检测仪表，分别与复合电源的市电输入端VIN和负载输出端VOUT对应连通，通过采集交流市电的电压和电流，以生成检测信号输出至监控器，继而通过监控器判断接入的交流市电是否正常。在市电异常时，通过检测装置采集经由负载输出端VOUT输出的交流供电的电压和电流，以生成检测信号传输至监控器，从而可以通过监控器对逆变器的逆变过程进行准确控制，继而使得通过负载输出端VOUT输出的交流供电保持稳定。

本实施例将应急电源和有源滤波器复合成一个装置，使其拥有应急电源和有源滤波器的功能，在市电正常时工作于有源滤波状态，在市电故障时工作于应急电源状态，并能实现两种工作状态的无缝切换，在保证为负载正常供电的同时，降低了产品成本。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。