一种具有并联电池模块的直流电源系统及方法与流程

本发明涉及一种具有并联电池模块的直流电源系统及方法。

背景技术：

蓄电池作为变电站/电厂直流电源系统的核心部分，其可靠性直接决定了直流电源系统供电的可靠性。传统直流电源系统是由多节蓄电池串联起来组成蓄电池组来使用的。

而蓄电池串联使用，有如下缺点

1)单体蓄电池故障影响整组输出。蓄电池内部化学反应或离子迁移难以人为精确控制，串联数量越多，单体故障发生几率越大。

2)蓄电池电参数须保持一致。不同品牌、不同类型、甚至同一厂家不同批次的蓄电池不能混合使用，蓄电池利用效率降低。

3)蓄电池组扩容困难，一般需要更换整组蓄电池。

4)蓄电池组只能整组冗余配置、冗余配置成本高。

5)蓄电池组无法实现在线全容量核容、在线检修、更换。

通常利用并联电池模块解决上述问题，如图1所示，但是，现有的并联电池模块当交流输入失电时，电池通过第一直流变换电路和第二直流变换电路两级直流变换给负载供电，每一级直流变换都会损失一部分效率，整体效率较低；过负载能力较差；在负载短路时，直流变换电路提供的短路电流较小，不能可靠保证故障回路的断路器可靠断开，引起故障范围扩大。

同时，现有的并联电池模块只针对单节12V铅酸蓄电池，适应范围窄。一般没有配置蓄电池监测单元，无法对蓄电池的温度、单节电池电压、单节电池内阻等参数进行监测。对并联电池模块的保护、监测、控制功能提及较少，功能不够完善且直流变换电路效率较低。

因此，急需一种高可靠、易扩容、易维护的直流电源系统。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种具有并联电池模块的直流电源系统及方法，本发明能够实现单个并联电池模块故障不影响其他并联电池模块输出、不同并联电池模块配置的蓄电池不需要保持一致，同时电源输入端与直流输出端之间只有1级电源变换模块，提高了整体转换效率，通过直流变换器直接连接负载，显著的提高了过负载能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有并联电池模块的直流电源系统，包括交流配电单元，所述交流配电单元将多路交流进线连接至交流母线上，为若干个相互并联的并联电池模块提供交流电，所述并联电池模块将交流电变换后为直流母线提供直流电，各直流馈线通过微断开关接到直流母线上，从直流母线取电，给本馈线的负载供电；每个并联电池模块配置一组蓄电池，当交流母线掉电时，并联电池模块通过配置的蓄电池取电，并向直流母线输出电源；

所述并联电池模块，包括依次相连的滤波电路、整流电路、PFC功率因数校正电路、第一DC/DC变换器、储能元件和限流元件，将输入的交流电变换为直流输出；

所述PFC功率因数校正电路的输出端通过第二DC/DC变换器连接蓄电池，所述第一DC/DC变换器的输出端通过第三DC/DC变换器连接所述蓄电池；

所述并联电池模块均通过各自的通信口连接监控装置，反馈各自的工作状态。

所述PFC功率因数校正电路的输出端通过第二DC/DC变换器连接蓄电池，第二DC/DC变换器在交流电源正常时给蓄电池充电；

所述蓄电池通过第三DC/DC变换器，将蓄电池输入的直流电源升压变换为110V或220V直流电压，与第一DC/DC变换器的输出端并联，经储能元件和限流元件，输出到模块输出端，正常工作时，第三DC/DC变换器作为第一DC/DC变换器的热备份；过负载时，第三DC/DC变换器提供电流输出，与第一DC/DC变换器共同带负载。

所述PFC功率因数校正电路、第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器和第三DC/DC变换器均连接模块监控单元，接受模块监控单元的监测、保护、控制，并通过模块监控单元与上位机进行通信。

所述蓄电池连接有电池监测单元，采集蓄电池的电压、温度、内阻和电流信息，提供电池监控与保护。

优选的，所述蓄电池为电池组或电池，电池组包括多节串联的电池。

所述蓄电池的电压范围为10-56V。

优选的，所述第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器和第三DC/DC变换器均采用LLC谐振电压型拓扑。

优选的，所述模块监控单元为PFC功率因数校正电路、第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器和第三DC/DC变换器提供输出过电压保护、输出欠电压保护、输出过电流保护、过温保护和输出端短路保护。

优选的，所述模块监控单元监测PFC功率因数校正电路、第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器和第三DC/DC变换器的输入电压、输出电压和输出电流。

优选的，所述电池监测单元监测蓄电池的单节电池电压、电池总电压、电池电流、电池剩余容量和/或电池工作状态。

优选的，所述滤波电路为EMI滤波电路。

优选的，不同的并联电池模块配置的蓄电池不同或相同。

基于上述直流电源系统的工作方法，在交流有电状态且负载正常时，交流输入经滤波电路、整流电路和PFC功率因数校正电路处理后变换为直流电压A，经第一DC/DC变换器变换为110V或220V直流电压输出到内部直流母线，经过储能元件和限流元件，输出到外部直流母线，提供负载使用，同时直流电压A经第二DC/DC变换器变换降压为10-56V的直流电源给蓄电池进行充电，电池电压经第三DC/DC变换器升压变换为110V或220V直流电压，输出到内部直流母线，作为第一DC/DC变换器的热备份。

基于上述直流电源系统的工作方法，在交流失电状态时，第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器不工作，电池电压经第三DC/DC变换器变换升压为110V或220V直流电压，输出到内部直流母线，经过储能元件和限流元件，输出到外部直流母线，提供负载使用。

基于上述直流电源系统的工作方法，在交流有电，但模块过负载运行时，第一DC/DC变换器和第三DC/DC变换器同时工作，同时输出电流到内部直流母线，经过储能元件和限流元件，输出到外部直流母线，提供负载使用。

所述第二DC/DC变换器按照设定的充电曲线对蓄电池进行充电管理。

所述蓄电池为铅酸蓄电池时，采用恒流充电、恒压限流充电和浮充电三段充电曲线进行充电；当蓄电池为锂电子电池时，采用多段恒流充电曲线进行充电。

本发明的有益效果为：

(1)本发明可以采用多个并联电池模块，因此单个并联电池模块故障不影响其他并联电池模块输出，能够保证整个直流电源的正常工作；

(2)本发明的不同并联电池模块配置的蓄电池不需要保持一致，不同批次、不同厂家的蓄电池可以混用，甚至新、旧电池可以混用，蓄电池利用效率高；

(3)本发明的蓄电池组扩容简单，只需要增加并联电池模块即可，冗余配置简单、冗余配置成本低；

(4)本发明的蓄电池组可以在线全容量核容、在线检修、更换；

(5)本发明的连接两条交流进线，在其中一路交流失电或缺相时，自动切换到另一路交流进线，提高交流母线的供电可靠性；

(6)本发明所述的并联电池模块电源输入端与直流输出端之间只有1级电源变换模块，较现有设计方案，提高了整体转换效率；

(7)本发明所述的并联电池模块第一DC/DC变换器和第三DC/DC变换器同时接到负载上，过负载能力显著提高，在负载短路时，2个直流变换电路都能够提供短路电流，电流输出能力是现有技术的2倍，能够更可靠的保证故障回路的断路器断开，避免故障范围扩大；

(8)并联电池模块所配电池组的电池类型可以是铅酸电池、锂离子电池、铅炭电池等，适应范围更广，除完成基本的电能转换功能，还提供完善的保护、监测、控制功能；

(9)并联电池模块配置有电池监测单元，对电池温度、单节电池电压、单节电池内阻等参数进行监测。有效的保证电源系统的可靠性，同时，为蓄电池充、放电管理的过程中，更精确的控制充放电参数提供依据。另外，为更精确的电池组容量估算提供数据支撑；

(10)并联电池模块采用的三个DC-DC模块都使用LLC谐振电压型拓扑，采用DSP数字软开关算法控制。上述拓扑及算法开关损耗低，能量转换效率高，算法控制灵活。

附图说明

图1为现有技术并联电池模块框图；

图2为本发明的系统结构示意图；

图3为本发明的并联电池模块结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，蓄电池组由原来的多节蓄电池串联，改为多个并联电池模块并联。

两个交流进线，通过交流配电单元，接到交流母线上。交流配电单元的作用是：在其中一路交流失电或缺相时，自动切换到另一路交流进线，提高交流母线的供电可靠性。

1个或1个以上的并联电池模块从交流母线上取电，经过变换后，输出直流电源到直流母线。各并联电池模块是并联关系。

各直流馈线通过微断开关接到直流母线上，从直流母线取电，给本馈线的负载供电。微断开关的作用是，正常工作时，可以手动投/切负载。在本馈线发生短路或者过流等故障时，及时保护，切掉故障负载，保证整个直流电源系统的正常供电。

监控装置通过通信口与各并联模块相连，对各并联模块工作状态进行监测，并根据预设的逻辑进行控制。

该系统的核心是并联电池模块和监控装置。

1)并联电池模块的工作模式：

系统包含1个或1个以上并联电池模块，每个并联电池模块通过电源开关连接到交流母线，所有的并联电池模块输出端并联后，连接到直流母线，为变电站/电厂的各种设备供电。

每个并联电池模块配置一组蓄电池，当交流母线掉电时，并联电池模块通过配置的蓄电池取电，并向直流母线输出电源。

当交流母线有电时，并联电池模块通过交流母线取电，给配置的蓄电池充电，同时，向直流母线输出电源。

2)监控装置工作模式

监控装置通过485或CAN总线与各并联电池模块相连，监测各并联电池模块的运行状况，对异常状况进行报警。并根据各并联电池模块内所配电池的荷电状态(剩余电量SOC)，协调各并联电池模块的输出功率。同时，监测各并联电池模块所配的电池健康状况，给出并联电池模块维护、更换建议。当系统中某个并联电池模块维护、更换时，动态调整其他并联电池模块的输出，确保整个直流电源系统的可靠运行。

如图3所示，一种并联电池模块采用3个直流变换电路的方案，该方案整体设计优点：

1)电源输入端与直流输出端之间只有1级电源变换，较现有设计方案，提高了整体转换效率；

2)有2个直流变换器(DC/DC1和DC/DC3)直接接到负载上，过负载能力显著提高；

3)有2个直流变换器(DC/DC1和DC/DC3)直接接到负载上，在负载短路时，2个直流变换电路都能够提供短路电流，电流输出能力是现有技术的2倍，能够更可靠的保证故障回路的断路器断开，避免故障范围扩大。

1、本发明所述并联电池模块，使用的电池，可使用10-56V电压范围的电池或电池组。可以是单节电池，也可以是多节电池串联的电池组。电池类型可以是铅酸电池、锂离子电池、铅炭电池等。适应范围更广。

2、本发明所述并联电池模块，可选配电池监测单元，对电池温度、单节电池电压、单节电池内阻等参数进行监测。有效的保证电源系统的可靠性。同时，为蓄电池充、放电管理的过程中，更精确的控制充放电参数提供依据。另外，为更精确的电池组容量估算提供数据支撑。

3、本发明所述并联电池模块，除完成基本的电能转换功能，还提供完善的保护、监测、控制功能。

3.1、保护功能

1)模块输出过电压保护

2)模块输出欠电压保护

3)模块输出过电流保护

4)模块输出端短路保护

5)模块过温保护

3.2、监测功能

1)交流输入电压监测

2)模块输出电压监测

3)模块输出电流监测

4)电池总电压监测

5)单节电池电压监测

6)电池电流监测监测

7)电池剩余容量监测

8)电池工作状态监测

9)电池温度监测

3.3、控制功能

手动充电控制

手动放电控制

充电过程管理

放电过程管理

自动核容控制

手动核容控制

本发明所述并联电池模块中，采用的三个DC-DC模块都使用LLC谐振电压型拓扑，采用DSP数字软开关算法控制。上述拓扑及算法开关损耗低，能量转换效率高，算法控制灵活。

4、电池配置方案

推荐3个电池配置方案

4.1、方案1：电池组采用单节12V铅酸电池来实现。

1)这种配置每个并联电池模块内部配置的电池不存在串联情况，能够最大限度的避免串联蓄电池的缺点。

2)在110kV变电站直流电源系统应用中，需采用10几个并联电池模块并联达到直流电源的容量需求，采用“N+1”冗余的配置，多配置1个模块作为冗余备份，冗余配置成本最低。

3)该方案存在并联电池模块配置较多，经济性不够好的问题。

4.2、方案2：电池组采用2节12V铅酸电池串联来实现，电池组电压为24V。

1)这种配置电池电压高，DC/DC2和DC/DC3的变比相对较低，变换效率更高。

2)单个并联电池模块的容量相比采用单节12V电池的情况增加了1倍。在110kV变电站直流电源系统应用中，采用5、6个并联电池模块并联即可达到直流电源的容量需求。5、6个模块并联，采用“N+1”冗余的配置，多配置1个模块作为冗余备份，20％左右的冗余配置成本，冗余配置成本适中。

3)2节电池串联，其中1块故障，2块电池需要同时更换，电池综合成本比单节12V电池方案略有提高。

4.3、方案3：电池组采用4节12V铅酸电池串联来实现，电池组电压为48V。

1)这种配置电池电压最高，DC/DC2和DC/DC3的变比最低，变换效率最高。

2)单个并联电池模块的容量相比采用单节12V电池的情况增加了3倍。在110kV变电站直流电源系统应用中，采用3个并联电池模块并联即可达到直流电源的容量需求。采用“N+1”冗余的配置，多配置1个模块作为冗余备份，30％左右的冗余配置成本，相对偏高。

3)4节电池串联，其中1块故障，4块电池需要同时更换，电池综合成本最高。

综合比较上述3个方案，方案2成本适中，模块数量适中，建议优先选用。

5、并联电池模块结构形式配置方案

电池、电池监测单元、储能元件、限流元件，并联电池模块的这4个组成部分的其中之一或全部，可以根据结构、尺寸要求外置，通过电缆与并联电池模块连接，也可以全部内置。

6、并联电池模块工作方式介绍

模块工作分为3种状态：S1交流有电状态、S2交流失电状态、S3交流有电，模块过负载运行状态。

在S1状态：模块由交流电源输入(AC220V或AC380V)，经EMI滤波电路、整流电路和PFC功率因数校正电路处理后变换为直流电压1(电压幅值与交流电源输入电压有效值相当)，经DC/DC1变换为DC110V或DC220V直流电压2输出到内部直流母线，经过储能元件和限流元件，输出到外部直流母线，提供负载使用。同时直流电压1经DC/DC2变换降压为DC10-56V的直流电源给电池/电池组进行充电。电池电压经DC/DC3升压变换为DC110V或DC220V直流电压，输出到内部直流母线，作为DC/DC1的热备份。DC/DC3的直流输出电压整定值比DC/DC1的直流输出电压整定值略低，所以当交流电源有电且负载正常的时候，直流母线主要由DC/DC1供电，DC/DC3只是作为热备份，不会对外输出电流。DC/DC1和DC/DC3内部都具有防倒灌电路，只能向内部直流母线输出电流，不能由内部直流母线输入电流。

在S2状态：交流失电，DC/DC1和DC/DC2不工作，电池电压经DC/DC3变换升压为DC110V或DC220V直流电压，输出到内部直流母线，经过储能元件和限流元件，输出到外部直流母线，提供负载使用。

在S3状态，交流有电，模块过负载运行，DC/DC1和DC/DC3同时工作，同时输出电流到内部直流母线，经过储能元件和限流元件，输出到外部直流母线，提供负载使用。

模块监控单元，由微控制器、采集电路、控制电路、算法组成，对PFC功率因数校正电路、DC/DC1、DC/DC2、DC/DC3等进行监测和控制，并与上位机通讯传送各种信号和命令。

DC/DC1、DC/DC2和DC/DC3均采用LLC谐振电压型拓扑，采用DSP数字软开关算法控制，完成高效的电压转换及能量传递，并可与模块监控单元通信，上传DC/DC模块工作状态信息、电池信息等，并接受模块监控单元控制。

DC/DC2内部DSP控制器同时具备蓄电池充电管理功能，控制DC/DC2按照设定的充电曲线对蓄电池进行充电管理。一般铅酸蓄电池采用恒流充电——>恒压限流充电——>浮充电三段充电曲线进行充电。锂离子电池采用多段恒流充电曲线进行充电。

储能元件，一般由电力用电解电容或超级电容组成，平时储存能量，在负载侧出现冲击负载时，提供短时大电流，防止DC/DC单元因冲击负载导致过流保护；同时，在负载侧短路时，由于断路器跳闸需要较大的电流，并需要持续一定的时间，DC/DC变换器无法单独提供该断路器跳闸电流，可能引起DC/DC过流保护。这时候，由储能元件提供短时大电流，驱动断路器跳闸，断路器跳闸后，DC/DC模块能够继续正常工作，为正常负载提供工作电源。

限流元件，由限流电路和均流电路组成。在负载正常时，起到多个并联电池模块之间电流均衡的作用；在负载侧短路时，控制储能元件放电速度，以可整定的可控电流值(该电流需大于断路器跳闸电流)放电，保证以最小的储能成本实现可靠的故障跳闸。

电池监测单元是一个可选单元，主要用于配置电池组的情况，用于电池组内各单节电池的电压、内阻、温度等状态的监测，为电池组的充电过程控制和放电过程控制提供控制参数依据。同时，为更精确的电池组容量估算提供数据支撑。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。