专利名称：组合充放电式中压系统应急电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及66KV—IOKV (本专利所定义的“中压”)不间断电源领域，更具体地说，涉及组合充放电式中压系统应急电源。
背景技术：
在工业电源领域广380/220系统的低压型应急电源作为工业及民用领 域应急照明和动力负载的应急供电装置在国内已经有十余年历史，形成相关专利十余项，在 380V供电系统中显示了节能、环保、快速、高可靠性、便于维护、智能化管理、提高供电可靠性等一系列优势。而伴随着工业领域大功率拖动负载的出现，用于拖动系统的、.66 — IOKV电动机早在70年代就已经问世，经过30多年的发展可谓十分成熟。近年来，为了减小大容量电动机的体积和重量，更为了回避大电流载体的敷设安装、连接和过度等安全类难题，许多程控类工业领域流水线上的大容量电动机逐步被中压型电动机所取代，启动和控制中压型电动机的中压变频产品(国外称之为“工业传动”或“交流动力传动”)也逐渐成熟。然而，中压级别的交流应急电源一直是国内外的市场空白，特别是工业领域，几乎找不到成功使用蓄电型中压交流应急电源的成功案例。一直以来，中压动力系统的工作可靠性完全取决于于电网电源的可靠性，一旦电网因故突然停电，程控类工业正在运行的流程就会骤停，将造成巨大损失(据中石油集团的一个年会报告仅炼化板块在2011年就发生电力系统故障几十起，因程控流程骤停造成直接和间接损失十几亿元)。为了尽量降低损失，许多程控工业的流水线不得不配置国外进口的气动型延迟系统，用于缓解电源故障流程骤停的损失，但此类气动型延迟系统只能起到有限的缓解作用，把突然停电的损失适当降低，无法把市网电源骤停的损失降到近于“0”，且此类气动延迟装置价格高昂，平时的附加运行成本也不可忽视。在如前所述的 380V及以下的低压不间断电源(UPS和EPS )中，对内部串联蓄电池组的充电往往靠输入电压直接整流来完成。因此，如果蓄电池总串联电压等于交流输入电源整流后的直流电压值，则无法将串联蓄电池组充满电(只有充电电压高于被充电的蓄电池总电压10左右或以上才能将蓄电池充满电)；如果蓄电池串联总电压低于输入电源的整流电压值，虽然可能将串联蓄电池组充满电，但在停电应急时又不能保证应急输出的交流电压值符合要求。为了保证蓄电池组能被充满电而应急输出电压又符合要求，不是需要升压整流充电、就是在逆变前或逆变后进行升压处理，而这两种措施在中压系统中相对困难和复杂，前者需要整流充电器件长期工作在较高的直流电压环境下，安全和寿命指数较低，后者影响系统可靠性和安全性，技术上难于实施，成本也偏高。
发明内容本发明要解决的技术问题在于，针对现代工业程控领域气动延迟系统的技术缺陷，提供一种中压应急电源，又针对交流供电母线直接整流后的直流电压值不能满足为普通应急电源内串联蓄电池组充满电的技术缺陷，提供一种组合充放电式中压系统应急电源。本发明提供一种组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，包括至少两级串联蓄电池单元，当工作电源正常时，放电开关关断，各级串联蓄电池单元分别充电；当工作电源故障时、应急电源启动放电，各串联蓄电池单元串联成一组蓄电池组放电。优选地，每级串联蓄电池单元的正、负极分别连接整流充电器输出端的正、负极，第一级串联蓄电池单元的正极还与正极母线控制器连接，末级串联蓄电池单元的负极还与负极母线控制器连接，中间各级串联蓄电池单元的正极通过放电开关与前级串联蓄电池单元的负极连接，其负极通过放电开关与后级单元的正极连接；当工作电源正常时，放电开关均关断，应急电源充电；当工作电源故障时，应急电源启动放电，整流充电器停止工作，正、负极母线控制器接通，放电开关均开通。优选地，两级串联蓄电池单元共用一个整流充电器，第一级串联蓄电池单元的正极与正极母线控制器连接并同时连接正极充电开关的负极，其负极连接负极充电开关的正极和放电开关的负极；第二级串联蓄电池单元的正极连接整流充电器的正极并且与正极充电开关的正极和放电开关的正极连接，其负极连接整流充电器输出端的负极并且与负极充电开关的负极和负极母线连接；当工作电源正常时，放电开关均关断，正、负极充电开关均开通，应急电源充电；当工作电源故障时，应急电源启动放电，整流充电器停止工作，正、负极母线控制器接通，放电开关均开通，负极充电开关均关断。优选地，整流充电器的输入端与低压交流供电电源连接。优选地，正极母线控制器的输入端与第一级串联蓄电池单元的正极连接，其输出端通过正极应急母线与工业传动中间直流母线的正极连接，负极应急母线的输入端与末级串联蓄电池单元的负极连接，其输出端通过负极应急母线与工业传动中间直流母线的负极连接，正、负极母线控制器为控制电器。优选地，工业传动的交流输出电压值的范围为O. 66KV至10KV。优选地，各级串联蓄电池单元充满电后总串联电压值不低于工业传动的中间直流电压值。优选地，正极充电开关和负极充电开关是可控类电力电子无触点开关或由其构成的开关电路。优选地，放电开关是可控类电力电子开关或由其构成的开关电路。优选地，放电开关是可控类电力电子无触点开关或由其构成的开关电路。实施本发明的组合充放电式中压系统应急电源，具有以下有益效果(1)、通过采用多组串联蓄电池组并联充电，串联放电的方式，为中压交流动力系统提供应急电源；
(2)、不借助工业传动的中间直流进行充电，也不需要升压变压器，而是另外增设2组低压Γ380ν)充电电源对两个串联蓄电池单元分别进行充电，从而不需要整流充电器件长期工作在较高(1000V左右)的直流电压环境下，大大提高安全可靠性和电力电子器件寿命。(3)能确保中压应急电源系统内的蓄电池被充满电。(4)整流充电环节的监控与检测及蓄电池参数的监控与检测大大简化。通过本发明的应急电源确保中压交流动力系统能在任意设定时间内不停止工作，尤其是在突然断电的情况下正常工作，从而使电网故障停电的损失降为 “O，，。
图I为本发明组合充放电式中压系统应急电源的一具体实施例的结构示意图。图2为本发明组合充放电式中压系统应急电源的另一具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明的工业传动能量变换输出交流电压值的范围为 O. 66KV至 10KV。工业传动作为交流能量变换装置，可以是ABB、西门子或施奈德等著名品牌的工业传动型变频主机，也可以是国产的中压变频装置，还可以是中压宽频逆变装置等等。当要求工业传动输出值不低于飞60时，工业传动逆变环节的输入直流电压应不低于891V(即交流输出值的I. 35倍)，即串联蓄电池组充满电后串联总电压值应不低于891V。而对额定总电压值为891V的串联蓄电池组进行充电需要充电电压1000以上(高出10% —15%左右)，否则无法将串联蓄电池组充满电。因此对于输入电压为飞60V的工业传动而言，其中间直流无法将串联蓄电池组充满电。为此，本专利的做法是不借助工业传动的中间直流，而是把串联蓄电池组分成两级或两级以上单元，利用低压整流充电技术对每个单元进行充电，放电时再把各单元串联起来形成大于或等于目标值的直流电压，从而保证中压应急电源在放电时的直流电压满足使用要求。图I为本发明组合充放电式中压系统应急电源的一具体实施例的结构示意图。其特点是将蓄电池组分成两级串联蓄电池单元、平时各单元独立充电，应急时两单元串联放电。图I中，LI为 380V/220的低压交流母线，L2为大功率程控系统中压供电专用交流母线，CZl和CZ2为整流充电器，El和E2分别为第一级和第二级串联蓄电池单元，P为放电开关，P+和P-分别为正、负极母线控制器，M+和M-分别为正、负极应急母线，PM为工业传动，D为中压应急动力负载。如图所示，第一级串联蓄电池单元El的正负极连接整流充电器CZl的正负极，第二级串联蓄电池单元E2的正负极连接整流充电器CZ2的正负极，第一级串联蓄电池单元El的负极与第二级串联蓄电池单元E2的正极还通过放电开关P连接，即放电开关P的正极连接第二级串联蓄电池单元E2的正极，其负极连接第一级串联蓄电池单元El的负极，第一级串联蓄电池单元El的正极还连接正极母线控制器P+，第二级串联蓄电池单元E2的负极还连接负极母线控制器P-。整流充电器CZl和CZ2的输入端与低压交流母线LI连接。正极母线控制器P+通过正极母线M+与工业传动中间直流母线的正极连接，负极母线控制器P-通过负极母线M-与工业传动的中间直流母线的负极连接，工业传动的输入端连接中压交流供电母线L2，输出端连接中压应急动力负载D (电动机)。当中压交流供电母线L2正常为应急动力负载D供电时，放电开关P、正、负极母线控制器P+和P-均处于断开状态，低压交流母线LI提供的三相电源经过整流充电器CZl和CZ2整流后分别为第一级、第二级串联蓄电池单元El和E2充电，直到充满后转入间歇充电。当中压交流供电母线L2出现故障时，控制整流充电器CZl和CZ2关闭，正、负极母线控制器P+和P-接通，放电开关P开通，第一级、第二级串联蓄电池单元El和E2串联放电，为应急动力负载提供电源。直到第一级、第二级串联蓄电池单 元El和E2能量放尽欠压保护启动后放电开关P关断，正、负极母线控制器P+和P-断开，工业传动停止输出；或直到收到上位机发来的停机信号时放电开关P关断，正、负极母线控制器P+和P-断开，工业传动停止输出；或直到中压交流供电母线L2电源恢复时，放电开关P关断，正、负极母线控制器P+和P-断开，整流充电器重新进入充电控制状态。蓄电池组被充满电后，第一级、第二级串联蓄电池单元El和E2的串联总电压值至少为中压交流供电母线L2电压值的I. 35倍。 第一级、第二级串联蓄电池单元El和E2可以为两个完全相同的串联蓄电池单元，也可以为不同的串联蓄电池单元。整流充电器CZl和CZ2可以相同也可以不同。整流充电器是指由任意电力电子类器件构成的整流充电装置，既可以由整流器加电力电子开关构成，也可以由可控或半可控整流器替代，还可以是AC/DC模块电源电路。可以是不可控的，可以是半可控的，还可以是全控的。放电开关P可以为任意一种可控型无触点类电力电子开关，可以是可控硅、IGBT、电力MOSFET、IPM、IGCT, GTO, SITH、MCT等任意开关类电力电子器件或由其构成的开关电路。正、负极母线控制器P+和P-为直流开关电路，可以是可控型无触点类电力电子开关，也可以是有触电类控制电器或开关。正、负极母线控制器P+和P-可以相同也可以不同。放电开关P，正、负极母线控制器P+和P-的通断由控制器K控制。控制器K是指具有控制功能的单片机、单板机、工控机、智能控制仪表、PLC或其他计算机类控制装置，也可以由工业传动主机控制器代替。图2为本发明一种组合充放电式中压系统应急电源的一具体实施例的结构示意图。其特点是将蓄电池组分成两级串联蓄电池单元、平时两个单元共用一组整流充电器充电，应急时两单元串联放电。图2中，LI为 380V/220的低压交流母线，L2为大功率程控系统的中压交流供电母线，CZ为整流充电器，El和E2分别为第一级和第二级蓄电池串联单元，P为放电开关，Pl为正极充电开关，P2为负极充电开关，其中负极充电开关P2为可控型。P+和P-分别为正、负极母线控制器，M+和M-分别为正、负极应急母线，PM为工业传动，D为中压应急动力负载。如图所示，第二级蓄电池串联单元E2的负极连接整流充电器CZ的负极同时还连接负极充电开关P2的负极和负极母线控制器P-，其正极连接整流充电器CZ的正极同时还连接放电开关P和正极充电开关Pl的正极；第一级蓄电池串联单元El的负极连接放电开关P的负极同时还连接负极充电开关P2的正极，其正极连接正极充电开关Pl的负极同时还连接正极放电控制器P+的输入端；整流充电器CZ的输入端与低压交流母线LI连接。正极母线控制器P+输出端通过正极应急母线M+与工业传动中间直流母线的正极连接，负极母线控制器P-的输出端通过负极应急母线M-与工业传动的中间直流母线的负极连接，工业传动的输入端连接中压交流供电母线L2，输出端连接中压应急动力负载D (如电动机)。当中压交流供电母线L2正常为应急动力负载D供电时，系统处于充电状态，此时放电开关P关断，正、负极母线控制器P+和P-均断开，正、负极充电开关Pl和P2开通，低压交流母线LI提供的三相电源经过整流充电器CZ整流后同时为第一级、第二级串联蓄电池单元El和E2充电，直到充满后转入间歇充电。当中压交流供电母线L2出现故障时，整流充电器CZ关闭，负极充电开关P2关断，正、负极母线控制器P+和P-接通，放电开关P开通，第一级、第二级串联蓄电池单元El和E2串联放电，为应急动力负载提供电源。直到第一级、第二级串联蓄电池单元El和E2能量放尽欠压保护启动后放电开关P关断，正、负极母线控制器P+和P-断开，工业传动停止输出；或直到收到上位机发来的停机信号时放电开关P关断，正、负极母线控制器P+和P-断开，工业传动停止输出；或直到中压交流供电母线L2电源恢复时，放电开关P关断，正、负极母线控制器P+和P-断开，负极充电开关P2开通，整流充电器重新进入充电控制状态。[0024]第一级、第二级串联蓄电池单元El和E2可以为两个完全相同的串联蓄电池单元，也可以为不同的串联蓄电池单元。但蓄电池组被充满电后，第一级、第二级串联蓄电池单元El和E2的串联总电压值至少为中压交流供电母线L2电压值的I. 35倍。整流充电器CZ是指由任意电力电子类器件构成的整流充电装置，既可以由整流器加电力电子开关构成，也可以由可控或半可控整流器替代，还可以是AC/DC模块电源电路。可以是不可控的，可以是半可控的，还可以是全控的。放电开关P和负极充电开关P2可以为任意一种可控型无触点类电力电子开关，可以是可控硅、IGBT、电力MOSFET、IPM、IGCT、GT0、SITH、MCT等任意开关类电力电子器件或由其构成的开关电路。正、负极母线控制器P+和P-为直流开关电路，可以是可控型无触点类电力电子开关，也可以是有触点类控制电器或开关。正极充电开关Pl可以是任意开关来 电力电子器件和可控的有触点电器开关。正、负极母线控制器P+和P-可以相同也可以不同。放电开关P，正、负极充电开关Pl和P2，正、负极母线控制器P+和P-的通断均由信号控制器K控制。控制器K是指具有控制功能的单片机、单板机、工控机、智能控制仪表、PLC或其他计算机类控制装置，也可以由工业传动主机控制器代替。本发明的应急电源还可以包括三个或三个以上的串联蓄电池单元结构的应急电源，只需按比例增加放电开关P和整流充电器个数即可。本发明可广泛应用于工业领域各类过程控制系统，特别是化工、石油、石化和煤化工领域的应急电源系统。本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
权利要求1.一种组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，包括至少两级串联蓄电池单元，每级串联蓄电池单元的正、负极分别连接整流充电器输出端的正、负极，第一级串联蓄电池单元的正极还与正极母线控制器连接，末级串联蓄电池单元的负极还与负极母线控制器连接，中间各级串联蓄电池单元的正极通过放电开关与前级串联蓄电池单元的负极连接，其负极通过放电开关与后级单元的正极连接；当工作电源正常时，放电开关均关断，应急电源充电；当工作电源故障时，应急电源启动放电，整流充电器停止工作，正、负极母线控制器接通，放电开关均开通。
2.根据权利要求I所述的组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，两级串联蓄电池单元共用一个整流充电器，第一级串联蓄电池单元的正极与正极母线控制器连接并同时连接正极充电开关的负极，其负极连接负极充电开关的正极和放电开关的负极；第二级串联蓄电池单元的正极连接整流充电器的正极并且与正极充电开关的正极和放电开关的正极连接，其负极连接整流充电器输出端的负极并且与负极充电开关的负极和负极母线连接；当工作电源正常时，放电开关均关断，正、负极充电开关均开通，应急电源充电；当工作电源故障时，应急电源启动放电，整流充电器停止工作，正、负极母线控制器接通，放电开关均开通，负极充电开关均关断。
3.根据权利要求I或权利要求2任一项权利要求所述的组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，整流充电器的输入端与低压交流供电电源连接。
4.根据权利要求3所述的组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，正极母线控制器的输入端与第一级串联蓄电池单元的正极连接，其输出端通过正极应急母线与工业传动中间直流母线的正极连接，负极应急母线的输入端与末级串联蓄电池单元的负极连接，其输出端通过负极应急母线与工业传动中间直流母线的负极连接，正、负极母线控制器为控制电器。
5.根据权利要求4所述的组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，工业传动的交流输出电压值的范围为O. 66KV至10KV。
6.根据权利要求5所述的组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，各级串联蓄电池单元充满电后总串联电压值不低于工业传动的中间直流电压值。
7.根据权利要求2所述的组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，正极充电开关和负极充电开关是可控类电力电子无触点开关或由其构成的开关电路。
8.根据权利要求I所述的组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，放电开关是可控类电力电子开关或由其构成的开关电路。
9.根据权利要求I所述的组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，放电开关是可控类电力电子无触点开关或由其构成的开关电路。
专利摘要本实用新型提供一种组合充放电式中压系统应急电源，其特征在于，包括至少两级串联蓄电池单元，当工作电源正常时，放电开关关断，各级串联蓄电池单元分别充电；当工作电源故障时、应急电源启动放电，各串联蓄电池单元串联成一组蓄电池组放电。通过本实用新型的应急电源确保中压交流动力系统能在任意设定时间内不停止工作，尤其是在突然断电的情况下正常工作，从而使电网故障停电的损失降为“0”。
文档编号H02J7/00GK202663180SQ20122005991
公开日2013年1月9日 申请日期2012年2月23日 优先权日2012年2月23日
发明者孙毅彪, 徐云胜, 范延勇, 刘娜 申请人:国彪电源集团有限公司