专利名称：一种新型多功能应急电源系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种与交流电力电网直接连接的应急电源系统。
背景技术：
应急电源系统(EPS)可以在电网断电时提供应急电源，同时也可以改善用电条件。现有技术的应急电源系统多种多样，图1所示的是一种应急电源系统的电路图，从图1中可以明显的看出现有应急电源系统存在的不足，主要表现在系统主电路结构复杂，蓄电池的充电和逆变分别采用两套不同的电路，而且充电电路和逆变电路的电流流向都是单方向的；控制电路结构较为复杂，成本高；没有采用功率因数校正技术和有源滤波技术，系统给蓄电池充放电时，对电网有污染；在市电正常时，系统不具备蓄电池的在线放电功能，无法提供蓄电池的在线测试；蓄电池没有采用较科学的管理模式；使用了体积庞大的工频变压器，增加了由变压器带来的损耗。
实用新型内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种新型多功能应急电源系统，该电源系统在电网正常时，可以实现蓄电池的在线充放电，同时校正充放电电流的功率因素，也可以补偿负载的谐波电流，改善交流输入端的功率因素，改善电网质量；电网断电时，给负载提供理想的交流电，该系统有较强的控制功能，其电路结构简单、性能稳定、成本低、控制精度高、功能强大，省去了体积庞大的工频变压器，减少了由变压器带来的损耗，提高了系统的整机变换效率。
本实用新型提供以下技术方案一种新型多功能应急电源系统，由主电路和控制电路连接构成，主电路的交流端1连接交流电源的电力电网电路，交流端3连接负载Z，控制电路由控制器13连接驱动装置12构成，蓄电池11是主电路的备用电源，主电路的AC/DC双向变换器6的电路结构是由多个功率开关元件构成的功率桥路，功率桥路功率开关元件的控制极连接驱动装置12，功率开关元件分别并联连接有反向二极管，AC/DC双向变换器6的输出通过无源滤波器连接蓄电池11，双向变换器6分为交流端和直流端，所述控制电路连接有电流电压取样元件，其电流电压取样元件由第一电流传感器14、第二电流传感器15、第一电压传感器16和第二电压传感器17构成，第一电流传感器14的输出、第二电流传感器15的输出、第一电压传感器16的输出、第二电压传感器17的输出分别连接控制器13，第一电压传感器16的输入与交流输入端1并联连接，第二电压传感器17的输入与蓄电池11并联连接，所述AC/DC双向变换器6交流端的相电位端通过串接无源升降压滤波器的电感5连接交流输入端1，无源升降压滤波器由电感5和电容4组成，电容4并联连接在交流输入端1和AC/DC双向变换器6交流端的零电位端之间，无源升降压滤波器和第一电压传感器16输入的相电位端和交流输入端1的连接是同一个电路拓扑节点A，第一电流传感器14的输入连接在交流输入端1的电路拓扑节点A与交流端3之间的电力线路上，第二电流传感器15的输入连接在AC/DC双向变换器6交流端与无源升降压滤波器相连接的线路上，AC/DC双向变换器6直流端通过串接无源滤波器并联连接蓄电池11。
所述交流输入电源可以是单相交流电源或三相交流电源。
所述AC/DC双向变换器6是单相全桥功率桥路，由四个功率开关元件S1、S2、S3、S4构成，功率桥路功率开关元件S1、S2、S3、S4的控制极连接驱动装置12，四个功率开关元件S1、S2、S3、S4分别并联连接有反向二极管D1、D2、D3、D4，全桥交流的相电位端通过串接无源升降压滤波器的电感L1连接交流输入端1，电感L1连接交流输入端1的节点通过无源升降压滤波器的电容C1连接全桥的另一个输入端并接交流电源零电位端。
所述AC/DC双向变换器6是单相半桥功率桥路，由两个功率开关元件S1、S2构成，半桥功率开关元件S1、S2的控制极连接驱动装置12，两个功率开关元件S1、S2分别并联连接有反向二极管D1、D2。
所述AC/DC双向变换器6是三相全桥功率桥路，功率桥路由六个功率开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6构成，功率开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6的控制极连接驱动装置12，六个功率开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6分别并联连接有反向二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，全桥的三相交流端分别通过串接无源升降压滤波器的电感L1、L2、L3连接三相交流电源的交流输入端1的三相交流端子，其连接节点分别通过无源升降压滤波器的电容C1、C2、C3和交流电源零电位端。
所述主电路的交流输入端1与电路拓扑节点A之间通过第一切换装置2的第一组触点连接，第一切换装置2的第二组触点直接连接交流输入端1和交流输出端3，第一组触点和第二组触点呈开/合状态的反向逻辑关系，交流输入端1连接在第一组触点和第二组触点的公共触点上。
所述无源滤波器同蓄电池之间连接有第二切换装置10，在必要时第二切换装置10可以省去。
同理，用于系统故障维护的第一切换装置2也可以省去。
所述无源滤波器可以是由一个电感和两个电容连接而成的π滤波器，或是其它形式的滤波器。
蓄电池11通过双向变换器6、电感5和电容4并联连接在电路拓扑节点A点，交流输入端1、交流输出端3和应急电源系统在A点实现了功率平衡。
本实用新型的优点有该应急电源系统采用了一组功率桥路来实现充放电和逆变功能，并由电压和电流取样回路连接控制器，控制器将处理后的结果传送给驱动装置，控制功率桥开关元件的通断和电流电压相位关系，实现充放电、逆变和调整功率因素以及电网无功和谐波补偿功能的目的，整个控制过程形成了一种在线检测和在线控制的有效应变机制，电路结构简单而有效。系统不再设计使用专用的充电电路，应急电源系统可以在电网有电时，将蓄电池的电量逆变回电网，称为在线放电，此功能有2项好处一是EPS作为后备式系统，平时不投入使用，加入此功能可以提供系统的在线定时测试，提前维护系统；二是可以在电网负载谷时将电能存储，在电网负载峰时利用起来；应急电源系统可以通过控制充放电电流使系统的输入功率因数接近1或-1，对电网不会造成污染；应急电源系统还具有电网的无功和谐波补偿功能，本实用新型电路中使用的电流和电压取样信号传送给控制器时，控制器处理后，发出指令给驱动电路，控制全桥电路开关管的通断，达到有源滤波和蓄电池充放电的目的，控制精度很高，图15-18是调整后的波形图，从电流和电压的相位关系可以看出功率因素得到了调整；在线时，如果电网正常，可以将系统投入到电网进行无功和谐波的治理；对用户提供较大的附加值；应急电源系统省去了体积庞大的工频变压器，减少了由变压器带来的损耗，提高了系统的整机变换效率；所述应急电源系统通过根据蓄电池的特性曲线，有规律地控制蓄电池的充放电电流，可以科学地管理蓄电池，提高蓄电池的寿命。应急电源系统所采用的电路拓扑适合中大型EPS系统，系统越大，该电路的优点越突出。
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
图1是本实用新型应急电源系统提出以前，传统应急电源系统的结构框图。
图2是本实用新型应急电源系统的原理框图。
图3是本实用新型单相应急电源系统一个实施例的结构框图。
图4是图3单相全桥主电路的简化电路图。
图5是图3中单相半桥主电路的简化电路图。
图6是图2中三相全桥主电路的简化电路图。
图7是图2中控制电路的原理框图。
图8是图4中正半波充电工作回路。
图9是图4中负半波充电工作回路。
图10是图4中正半波放电工作回路。
图11是图4中负半波放电工作回路。
图12是图4中正半波逆变工作回路。
图13是图4中负半波逆变工作回路。
图14是所述应急电源系统作有源滤波时的工作电路。
图15是蓄电池充电时交流输入电压与充电电流的波形图。
图16是蓄电池在线放电时交流输入电压与放电电流的波形图。
图17是所述应急电源系统作有源滤波器使用时，电网输入电流、非线性负载电流和应急电源系统补偿电流的波形图。
图18是蓄电池逆变时交流输出电压与输出电流的波形图。
具体实施方式
参见图2，一种新型多功能应急电源系统由主电路和控制电路连接构成，主电路的交流输入端1连接交流输入电源的电力电网电路，交流输出端3连接负载Z，控制电路由控制器13连接驱动装置12构成，蓄电池11是主电路的备用电源，主电路的AC/DC双向变换器6的电路结构是由多个功率开关元件构成的功率桥路，功率桥路功率开关元件的控制极连接驱动装置12，功率开关元件分别并联连接有反向二极管，AC/DC双向变换器6的输出通过无源滤波器连接蓄电池11，所述控制电路连接有电流电压取样元件，其电流电压取样元件由第一电流传感器14、第二电流传感器15、第一电压传感器16和第二电压传感器17构成，第一电流传感器14的输出、第二电流传感器15的输出、第一电压传感器16的输出、第二电压传感器17的输出分别连接控制器13，第一电压传感器16的输入与交流输入端1连接，第二电压传感器17的输入与蓄电池11并联连接，AC/DC双向变换器6的交流端的相电位端通过串接无源升降压滤波器的电感5连接交流输入端1，无源升降压滤波器由电感5和电容4组成，电容4并联连接在交流输入端1和AC/DC双向变换器6交流端的零电位端之间，无源升降压滤波器和第一电压传感器16输入端的相电位端同交流输入端1的连接是同一个电路拓扑节点A，第一电流传感器14的输出端连接在交流输入端1的电路拓扑节点A与交流输出端3之间的电力线路上，第二电流传感器15的输出端连接在AC/DC双向变换器6的交流端与无源升降压滤波器相连接的线路上，AC/DC双向变换器6的直流端通过串接无源滤波器并联连接蓄电池11。
参见图3，交流输入电源可以是单相交流电源，参见图4，AC/DC双向变换器6可以是单相全桥功率桥路，参见图5，AC/DC双向变换器6可以是单相半桥功率桥路；参见图6，交流输入电源可以是三相交流电源，AC/DC双向变换器6是三相全桥功率桥路。
参见图3，图3是单相交流电源应急电源系统的一个实施例，该实施例清楚的展示了AC/DC双向变换器6同应急电源系统的电流电压取样元件、无源滤波器、控制器、驱动装置、无源升降压滤波器的连接关系，主电路的交流输入端1与电路拓扑节点A之间通过第一切换装置2的第一组触点连接，第一切换装置2的第二组触点直接连接交流输入端1和交流输出端3，第一组触点和第二组触点呈开/合状态的反向逻辑关系，交流输入端1连接在第一组触点和第二组触点的公共触点上，第一切换装置2用以控制应急电源系统同电力电网和负载的电连接，在维护应急电源系统时，旁路接通负载Z同交流输入端1的电连接，无源滤波器同蓄电池之间连接有第二切换装置10，第二切换装置10用以控制蓄电池同应急电源系统的电连接，无源滤波器由一个电感8和两个电容7、9连接而形成π滤波器。
参见图3、图4，单相全桥功率桥路由四个功率开关元件S1、S2、S3、S4构成，功率桥路功率开关元件S1、S2、S3、S4的控制极连接驱动装置12，四个功率开关元件S1、S2、S3、S4分别并联连接有反向二极管D1、D2、D3、D4，全桥的交流端通过串接无源升降压滤波器的电感L1连接交流输入端1，电感L1连接交流输入端1的节点通过无源升降压滤波器的电容C1连接全桥的另一个交流端和交流电源零电位端。
参见图5，单相半桥功率桥路由两个功率开关元件S1、S2构成，功率桥路功率开关元件S1、S2的控制极连接驱动装置12，两个功率开关元件S1、S2分别并联连接有反向二极管D1、D2。
参见图6，三相全桥功率桥路由六个功率开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6构成，功率开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6的控制极连接驱动装置12，六个功率开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6分别并联连接有反向二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电桥的三相交流端分别通过串接无源升降压滤波器的电感L1、L2、L3连接三相交流电源的交流输入端1的三相输入端子，其连接节点分别通过无源升降压滤波器的电容C1、C2、C3接交流电源零电位端。
由附图可见，蓄电池11通过双向变换器6、电感5和电容4并联连接在电路拓扑节点A点，交流输入端1、交流输出端3和应急电源系统在A点实现了功率平衡。
参见图2、图3、图7，应急电源系统的充电回路的设计采用Boost升压电路，放电回路采用Buck降压电路，并结合有源功率因数校正技术和有源滤波技术。主电路采用功率桥路来实现充放电和逆变功能，控制器的功能框图如图7所示，控制器可以采用模拟电路控制，也可采用数模混合或全数字电路控制。
以下结合附图说明单相应急电源系统的工作过程。
参见图8、图9，充电电路的工作过程主要就是控制S3和S4两个功率开关管，来实现给蓄电池升压充电和功率因数校正的目的。当输入电压为正时，充电线路如图8所示。由L1、D1、D4及S3组成Boost升压电路。充电电流流过路径为L1-D1-蓄电池-D4。当输入电压为负时，充电线路如图9所示。由L1、D2、D3及S4组成Boost升压电路。充电电流流过路径为D2-蓄电池-D3-L1。
参见图10、图11，放电电路的工作过程主要就是控制S1、S4和S2、S3四个功率开关管，来实现给蓄电池在线放电和功率因数校正的目的。当交流输入电压为正时，放电线路如图10所示。由S1、L1、D3及S4组成Buck降压电路，放电电流流过路径为蓄电池-S1-L1-交流电网-S4-蓄电池。当交流输入电压为负时，放电线路如图11所示。由S2、L1、D4及S3组成Buck降压电路，放电电流流过路径为蓄电池-S2-L1-交流电网-S3-蓄电池。
参见图12、图13、图18，逆变电路的工作过程主要就是控制S1、S4和S2、S3四个功率开关管，来实现将蓄电池的直流电压变换成高精度的交流电压输出给交流电负载。当交流输出电压为正时，逆变线路如图12所示。逆变电流流过路径为蓄电池-S1-L1-交流电负载-S4-蓄电池。当交流输出电压为负时，逆变线路如图13所示。逆变电流流过路径为蓄电池-S2-L1-交流电负载-S3-蓄电池。图18是蓄电池逆变时交流输出电压与输出电流的波形图。
参见图15、图16，应急电源系统的功率因数校正不采用乘法器，而是通过单片机来实现。首先把输入电压、电流和蓄电池的电压检测信号送到单片机，经过处理后，单片机发出指令信号给驱动电路，控制全桥电路中功率开关管的开通与关断，达到功率因数校正和给蓄电池充放电的目的。功率因数校正的目标一是使输入电流与输入电压同相位；二是使输入电流正弦化。在本系统中，为了达到这个目的，控制电路中给出了与输入电压同相位的正弦电流，即基准电流。基准电流与变换器输入、电流进行误差的比例积分运算，再与三角波进行比较产生SPWM波，控制相应功率开关管的开通和关断，从而达到功率因数校正和升压充电的目的。结果送入逻辑电路，经过一系列逻辑运算后，给开关管的驱动电路发送驱动信号，控制全桥电路中开关管的开通和关断。图15是蓄电池充电时交流输入电压与充电电流的波形图。图16是蓄电池在线放电时交流输入电压与放电电流的波形图。
参见图14、图17，应急电源系统采用有源滤波技术，实现了非线性负载的谐波和无功电流的补偿功能，使电网的输入功率因数接近1。所述应急电源系统作有源滤波时的工作电路如图14所示，图17是所述应急电源系统作有源滤波器使用时，电网输入电流、非线性负载电流和应急电源系统补偿电流的波形图。
参见图7，图7是控制电路的功能框图，应急电源系统中控制电路的各种功能信号的综合和运算是通过单片机实现的，通过逻辑电路进行各功能之间的切换。
权利要求1.一种新型多功能应急电源系统，由主电路和控制电路连接构成，主电路的交流输入端(1)连接交流输入电源的电力电网电路，交流输出端(3)连接负载(Z)，控制电路由控制器(13)连接驱动装置(12)构成，蓄电池(11)是主电路的备用电源，主电路的AC/DC双向变换器(6)的电路结构是由多个功率开关元件构成的功率桥路，功率桥路中功率开关元件的控制极连接驱动装置(12)，功率开关元件分别并联连接有反向二极管，AC/DC双向变换器(6)的输出通过无源滤波器连接蓄电池(11)，双向变换器6分为交流端和直流端，其特征在于所述控制电路连接有电流电压取样元件，其电流电压取样元件由第一电流传感器(14)、第二电流传感器(15)、第一电压传感器(16)和第二电压传感器(17)构成，第一电流传感器(14)的输出、第二电流传感器(15)的输出、第一电压传感器(16)的输出、第二电压传感器(17)的输出分别连接控制器(13)，第一电压传感器(16)的输入与交流输入端(1)连接，第二电压传感器(17)的输入与蓄电池(11)并联连接；所述AC/DC双向变换器(6)的交流端的相电位端通过串接无源升降压滤波器的电感(5)连接交流输入端(1)，无源升降压滤波器由电感(5)和电容(4)组成，电容(4)并联连接在交流输入端(1)和AC/DC双向变换器(6)交流端的零电位端之间，无源升降压滤波器和第一电压传感器(16)输入端的相电位端同交流输入端(1)的连接是同一个电路拓扑节点(A)，第一电流传感器(14)的输入连接在交流输入端(1)的电路拓扑节点(A)与交流输出端(3)之间的电力线路上，第二电流传感器(15)的输入连接在AC/DC双向变换器(6)的交流端与无源升降压滤波器相连接的线路上，AC/DC双向变换器(6)的直流端通过串接无源滤波器并联连接蓄电池(11)。
2.根据权利要求1所述的新型多功能应急电源系统，其特征在于所述交流输入电源是单相交流电源。
3.根据权利要求1所述的新型多功能应急电源系统，其特征在于所述交流输入电源是三相交流电源。
4.根据权利要求2所述的新型多功能应急电源系统，其特征在于所述AC/DC双向变换器(6)是单相全桥功率桥路，由四个功率开关元件(S1、S2、S3、S4)构成，功率桥路功率开关元件(S1、S2、S3、S4)的控制极连接驱动装置(12)，四个功率开关元件(S1、S2、S3、S4)分别并联连接有反向二极管(D1、D2、D3、D4)，全桥的交流相电位端通过串接无源升降压滤波器的电感(L1)连接交流输入端(1)，电感(L1)连接交流输入端(1)的节点通过无源升降压滤波器的电容(C1)连接全桥的另一个输入端并接交流电源零电位端。
5.根据权利要求2所述的新型多功能应急电源系统，其特征在于所述AC/DC双向变换器(6)是单相半桥功率桥路，由两个功率开关元件(S1、S2)构成，功率桥路功率开关元件(S1、S2)的控制极连接驱动装置(12)，两个功率开关元件(S1、S2)分别并联连接有反向二极管(D1、D2)。
6.根据权利要求3所述的新型多功能应急电源系统，其特征在于所述AC/DC双向变换器(6)是三相全桥功率桥路，功率桥路由六个功率开关元件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)构成，功率开关元件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)的控制极连接驱动装置(12)，六个功率开关元件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)分别并联连接有反向二极管(D1、D2、D3、D4、D5、D6)，全桥的三相输入端分别通过串接无源升降压滤波器的电感(L1、L2、L3)连接三相交流电源的交流输入端(1)的三相输入端子，其连接节点分别通过无源升降压滤波器的电容(C1、C2、C3)接地。
7.根据权利要求1所述的新型多功能应急电源系统，其特征在于所述主电路的交流输入端(1)与电路拓扑节点(A)之间通过第一切换装置(2)的第一组触点连接，第一切换装置(2)的第二组触点直接连接交流输入端(1)和交流输出端(3)，第一组触点和第二组触点呈开/合状态的反向逻辑关系，交流输入端(1)连接在第一组触点和第二组触点的公共触点上。
8.根据权利要求1所述的新型多功能应急电源系统，其特征在于所述无源滤波器同蓄电池之间连接有第二切换装置(10)。
9.根据权利要求1所述的新型多功能应急电源系统，其特征在于所述无源滤波器是由一个电感和两个电容连接而成的π滤波器。
专利摘要一种新型多功能应急电源系统，涉及一种与交流电网直接连接的应急电源系统。该应急电源连接在交流输入端(1)和交流负载(Z)之间，由控制器、电流电压取样回路、无源升降压滤波电路和AC/DC双向变换器(6)组成，蓄电池(11)通过双向变换器(6)并联接入交流输入端(1)，在控制器(13)的控制下实现如下功能电网正常时，双向变换器实现蓄电池(11)的在线充放电；同时将充放电电流的功率因数校正为接近1或－1；在线充放电的同时，补偿负载的谐波电流，使交流输入端(1)的功率因数接近1；断电时，双向变换器(6)输出高精度的交流电压供给交流电负载(Z)；实现蓄电池11的科学管理。该电源具备有效的控制功能，可以较好的应用在交流电网不间断电源领域。
文档编号H02J7/00GK2652010SQ0327972
公开日2004年10月27日 申请日期2003年9月18日 优先权日2003年9月18日
发明者刘瑞东 申请人:北京动力源科技股份有限公司