带有直流母线保护功能的电源系统的制作方法

本实用新型涉及电源系统领域，更具体地说，涉及一种带有直流母线保护功能的电源系统。

背景技术：

电力系统中直流操作电源系统的主要作用是通过直流母线为系统设备供电，当交流电网正常时，交流电网通过充电机为直流母线提供电能；当交流电网发生掉电故障时，由直流操作电源系统中的蓄电池组为直流母线提供电能。直流母线上的系统设备均为重要设备，用于保证电力系统正常运行。为了提高直流系统的供电可靠性，有的直流系统设置两组充电机，两组蓄电池和两段直流母线，如图4所示，两组蓄电池通过母联开关K5互为备用，但在交流电网失电故障和一组蓄电池故障同时发生时，由于母联开关K5需要专业人员手动操作合闸，因此在母联开关K5闭合之前，蓄电池组故障的直流母线必然失电，从而导致该段直流母线上的设备停止工作，影响电力系统的正常运行。直流母线上的继电保护设备停止运行，极有可能造成整个变电站的灾难性事故。因此，如何有效防止直流母线失电是衡量直流操作电源系统是否可靠的重要指标之一。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种带有直流母线保护功能的电源系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种带有直流母线保护功能的电源系统；包括第一蓄电池组及与之连接的第一直流母线、第一充电机，第二蓄电池组及与之连接的第二直流母线、第二充电机，还包括：

分别与所述第一蓄电池组和第二蓄电池组连接的双向DC-DC转换器；

分别与第一充电机、第二充电机以及双向DC-DC转换器相连接的系统监控器；

其中，所述系统监控器用于向所述双向DC-DC转换器发送转换电压；

所述双向DC-DC转换器用于接收所述转换电压、以及用于检测所述第一蓄电池组的第一端电压和所述第二蓄电池组的第二端电压，并根据所述转换电压与所述第一端电压和第二端电压的关系开通或关闭。

优选地，所述双向DC-DC转换器包括第一接口和第二接口，所述第一接口与所述第一蓄电池组相连接，所述第二接口与所述第二蓄电池组相连接。

优选地，所述双向DC-DC转换器包括连接所述第一接口用于检测所述第一端电压和/或连接所述第二接口用于检测所述第二端电压的检测电路。

优选地，所述双向DC-DC转换器包括控制单元，

所述控制单元连接所述检测电路和所述系统监控器，用于接收并比较所述第一端电压、第二端电压及转换电压以控制所述第一接口和/或第二接口为输入、输出或闭锁状态。

优选地，所述双向DC-DC转换器包括用于隔离所述第一蓄电池组和第二蓄电池组的隔离电路。

优选地，本实用新型的电源系统还包括第一开关和第二开关，所述第一开关设置在所述第一蓄电池组与所述第一直流母线之间，用于控制所述第一蓄电池组与所述第一直流母线的连通或断开；所述第二开关设置在所述第二蓄电池组与所述第二直流母线之间，用于控制所述第二蓄电池组与所述第二直流母线的连通或断开。

优选地，本实用新型的电源系统还包括第三开关和第四开关，所述第三开关设置在所述第一充电机与所述第一直流母线之间，用于控制所述第一充电机与所述第一直流母线的连通或断开；所述第四开关设置在所述第二充电机与所述第二直流母线之间，用于控制所述第二充电机与所述第二直流母线的连通或断开。

优选地，本实用新型的电源系统还包括第五开关，所述第五开关设置在所述第一直流母线与所述第二直流母线之间，用于控制所述第一直流母线与所述第二直流母线的连通或断开。

本实用新型还构造一种直流母线保护方法，包括

S1、双向DC-DC转换器检测获取与所述第一蓄电池组和第二蓄电池组分别对应的第一端电压和第二端电压；

S2、所述双向DC-DC转换器分别比较所述第一端电压与所述双向DC-DC转换器的第一转换电压和所述第二端电压与所述双向DC-DC转换器的第二转换电压，若所述第一端电压小于或等于所述第一转换电压则执行步骤S21，若所述第二端电压小于或等于所述第二转换电压则执行步骤S22；

S21、所述双向DC-DC转换器控制所述第二蓄电池组与第一直流母线连通、对所述第一直流母线供电；

S22、所述双向DC-DC转换器控制所述第一蓄电池组与第二直流母线连通、对所述第二直流母线供电。

优选地，在所述步骤S21中，所述双向DC-DC转换器控制所述第二蓄电池组与第一直流母线连通包括：所述双向DC-DC转换器设置其第一接口为输出状态，设置其第二接口为输入状态；

在所述步骤S22中，所述双向DC-DC转换器控制所述第一蓄电池组与第二直流母线连通包括：所述双向DC-DC转换器设置所述第二接口为输出状态，设置所述第一接口为输入状态。

优选地，所述步骤S21还包括：若所述第二端电压小于或等于所述第二蓄电池组的最低工作电压，所述双向DC-DC转换器控制所述第二蓄电池组与第一直流母线断开、停止对所述第一直流母线供电；

所述步骤S22还包括：若所述第一端电压小于或等于所述第一蓄电池组的最低工作电压，所述双向DC-DC转换器控制所述第一蓄电池组与第二直流母线断开、停止对所述第二直流母线供电。

优选地，在所述步骤S21中，所述双向DC-DC转换器控制所述第二蓄电池组与第一直流母线断开包括：所述双向DC-DC转换器设置所述第一接口和所述第二接口为闭锁状态；

在所述步骤S22中，所述双向DC-DC转换器控制所述第一蓄电池组与第二直流母线断开包括：所述双向DC-DC转换器设置所述第一接口和所述第二接口为闭锁状态。

实施本实用新型的带有直流母线保护功能的电源系统及直流母线保护方法，具有以下有益效果：直流母线供电可靠性高，使两蓄电池组自动实现互为备用，只要有一组蓄电池正常，系统直流母线就不会失电。控制方式灵活、可靠，实现简单，可在现有直流电源系统上进行改造升级。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型带有直流母线保护功能的电源系统一实施例的逻辑框图；

图2是本实用新型直流母线保护方法的第一实施例的程序流程图；

图3是本实用新型直流母线保护方法的第二实施例的程序流程图；

图4是现有双蓄电池组电源系统的逻辑框图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，在本实用新型的带有直流母线保护功能的电源系统一实施例中，包括第一蓄电池组301及与之连接的第一直流母线101、第一充电机501，第二蓄电池组302及与之连接的第二直流母线102、第二充电机502，还包括：分别与第一蓄电池组301和第二蓄电池组302连接的双向DC-DC转换器20；分别与第一充电机501、第二充电机502以及双向DC-DC转换器20相连接的系统监控器40；其中，系统监控器40用于向双向DC-DC转换器20发送转换电压；双向DC-DC转换器20用于接收转换电压、以及用于检测第一蓄电池组的第一端电压和第二蓄电池组的第二端电压，并根据转换电压与第一端电压和第二端电压的关系开通或关闭，以实现第一蓄电池组301与第二直流母线102的连通或断开或第二蓄电池组302与第一直流母线101的连通或断开。

具体的，电源系统这里指直流电源系统，包含两组直流母线(即第一直流母线101和第二直流母线102)，和两蓄电池组(即第一蓄电池组301和第二蓄电池组302)，第一蓄电池组301同电源系统中的第一直流母线101相连，第二蓄电池组302同第二直流母线102连接，这里还有与第一直流母线101和第二直流母线102分别对应连接的第一充电机501和第二充电机502。第一充电机501将交流电转化为直流电为第一直流母线101供电并通过第一直流母线101为第一蓄电池组301补充电，这里的第一充电机501的输出电压可以为第一蓄电池组301的浮充电压。第二充电机502将交流电转化为直流电为第二直流母线102供电并通过第二直流母线102为第二蓄电池组302补充电，这里第二充电机502的输出电压可以为第二蓄电池组302的浮充电压。

系统监控器40与第一充电机501，第二充电机502及双向DC-DC转换器20通信连接，可以监测整个电源系统的工作状态。系统监控器40可以根据电源系统的各种部件的设置，例如电源系统的电压等级，各个蓄电池组的电压等级，各个蓄电池组中蓄电池的数量等等电源系统的各种配置参数来设置各个直流母线的最低工作电压，各个蓄电池组的最低工作电压和以及双向DC-DC转换器20的转换电压，并下发给双向DC-DC转换器20。此外双向DC-DC转换器20与系统监控器40的通信连接可采用RS485或CAN方式。每组充电机与系统监控器40的通信连接也可采用RS485或CAN方式。

进一步的，双向DC-DC转换器20包括第一接口和第二接口，第一接口与第一蓄电池组301相连接，第二接口与第二蓄电电池组302相连接。两个接口的输入输出特性可由双向DC-DC转换器20设置。

进一步的，双向DC-DC转换器20还可包括用于隔离第一蓄电池组301和第二蓄电池组302的隔离电路，实现第一蓄电池组301和第二蓄电池组302的电气隔离特性。电源系统正常时，双向DC-DC转换器20处于无输出的热备用状态，其中第一接口和第二接口均为闭锁状态。

进一步的，双向DC-DC转换器20包括连接第一接口用于检测第一端电压和/或连接第二接口用于检测第二端电压的检测电路。可以理解，双向DC-DC转换器20内部设有检测电路，实时检测并获取第一接口的电压和第二接口的电压，相当于获取第一蓄电池组301和第二蓄电池组302的对应的第一端电压和第二端电压来控制其工作状态。

进一步的，双向DC-DC转换器20包括控制单元，控制单元连接检测电路和系统监控器40，用于接收并比较第一端电压、第二端电压及转换电压以控制第一接口和/或第二接口为输入、输出或闭锁状态。可以理解，双向DC-DC转换器20通过内部的控制单元接收并比较第一端电压、第二端电压及转换电压的关系，这里的转换电压可以包括第一转换电压和第二转换电压，分别与第一端电压和第二端电压比较，并根据比较结果控制第一接口为输入、输出或者闭锁状态，控制第二接口为输入、输出或者闭锁状态。

正常工作时，系统监控40预先设置的双向DC-DC转换器20工作时所需的参数包括：第一蓄电池组301的最低工作电压为Ubmin1，第一直流母线101的最低工作电压为Umin1和双向DC-DC转换器20的第一转换电压为Vset1，其中第一转换电压Vset1大于等于第一直流母线101的最低工作电压Umin1；第二蓄电池组302的最低工作电压为Ubmin2，第二直流母线102的最低工作电压为Umin2和双向DC-DC转换器20第二转换电压为Vset2，其中第二转换电压Vset2大于等于第二直流母线102的最低工作电压Umin2。双向DC-DC转换器20控制电路接收上述参数，并根据检测到蓄电池组的端电压控制第一接口、第二接口为输入、输出或者闭锁状态。具体的，当第一蓄电池组301对应的第一端电压小于等于第一转换电压Vset1，且第二蓄电池组302的对应的第二端电压大于第二蓄电池组302的最低工作电压Ubmin2时，双向DC-DC转换器20控制电路将第二接口设置为输入状态，将第一接口设置为输出状态，输出电压为第一转换电压Vset1；当第二蓄电池组302对应的第二端电压小于等于第二转换电压Vset2，且第一蓄电池组301对应的第一端电压大于第一蓄电池组301的最低工作电压Ubmin1时，双向DC-DC转换器20控制电路将第一接口设置为输入状态，将第二接口设置为输出状态，输出电压为第二转换电压Vset2。

若直流系统发生交流电网失电故障，且第一蓄电池组301同时发生开路故障，第二蓄电池组302正常，其对应的第二端电压大于最低工作电压Ubmin2。由于第一蓄电池组301开路，第一直流母线101的电压(这里第一直流母线101的电压即可以理解为第一蓄电池组301对应的第一端电压)将不断下降，当第一端电压下降到小于等于第一转换电压Vset1时，双向DC-DC转换器20自动将第二接口设置为输入状态，将第一接口设置输出状态，输出电压为Vset1，使得第二蓄电池组302通过双向DC-DC转换器20为第一直流母线101供电，保证第一直流母线101不会失电。在第二蓄电池组302放电过程中，如果双向DC-DC转换器20检测到第二蓄电池组302对应的第二端电压小于等于最低工作电压Ubmin2时，双向DC-DC转换器20将自动关闭输出，使第二蓄电池组302与第一直流母线101断开，停止为第一直流母线101供电。

若直流系统发生交流电网失电故障，且第二蓄电池组302同时发生开路故障，第一蓄电池组301正常，其对应的第一端电压大于最低工作电压Ubmin1。由于第二蓄电池组302开路，第二直流母线102的电压(这里第二直流母线102的电压即可以理解为第二蓄电池组302对应的第二端电压)将不断下降，当第二端电压下降到小于等于转换电压Vset2时，双向DC-DC转换器20自动将第一接口设置为输入状态，将第二接口设置输出状态，输出电压为Vset2，使得第一蓄电池组301通过双向DC-DC转换器20为第二直流母线102供电，保证双向DC-DC转换器20不会失电。在第一蓄电池组301放电过程中，如果双向DC-DC转换器20检测到第一蓄电池组301对应的端电压小于等于最低工作电压Ubmin1时，双向DC-DC转换器20将自动关闭输出，使第一蓄电池组301与第二直流母线102断开，停止为第二直流母线102供电。

从上述控制过程可见，系统监控器40预先设置好双向DC-DC转换器20的工作时所需的参数，并将预先设置好的参数下发给双向DC-DC转换器20，双向DC-DC转换器20将按照设置的参数自动运行；电源系统同时出现交流电网掉电和蓄电池组故障时，端电压正常的蓄电池组将通过双向DC-DC转换器20自动为故障蓄电池组对应的直流母线供电，保证直流母线不会失电，提高了直流母线的供电可靠性。

进一步的，在一些实施例中，本实用新型的电源系统还包括第一开关K1和第二开关K2，第一开关K1设置在第一蓄电池组301与第一直流母线101之间，用于控制第一蓄电池组301与第一直流母线101的连通或断开；第二开关K2设置在第二蓄电池组302与第二直流母线102之间，用于控制第二蓄电池组302与所述第二直流母线102的连通或断开。

具体的，可以通过设置在第一蓄电池组301与第一直流母线101之间的第一开关K1，控制第一蓄电池组301和第一直流母线101的连通或断开，可以通过设置在第二蓄电池组302与第二直流母线102之间的第二开关K2，控制第二蓄电池组302和第二直流母线102的连通或断开。用于保证正常工作时蓄电池组对直流母线的供电或者通过直流母线对蓄电池组进行浮充充电。

进一步的，在一些实施例中，本实用新型的电源系统还包括第三开关K3和第四开关K4，第三开关K3设置在第一充电机501与第一直流母线101之间，用于控制第一充电机501与第一直流母线101的连通或断开；第四开关K4设置在第二充电机502与第二直流母线102之间，用于控制第二充电机502与第二直流母线102的连通或断开。

具体的，可以通过设置在第一充电机501与第一直流母线101之间的第三开关K3控制第一充电机501与第一直流母线101的连通或断开，通过设置在第二充电机502与第二直流母线102之间的第四开关K4控制第二充电机502与第二直流母线102的连通或断开，用于保证正常工作时，充电机对直流母线的供电以及对蓄电池组的浮充充电。

进一步的，在一些实施例中，本实用新型的电源系统还包括第五开关K5，第五开关K5设置在第一直流母线101与第二直流母线102之间，用于控制第一直流母线101与第二直流母线102的连通或断开。

具体的，可以通过设置在第一直流母线101与第二直流母线102之间的第五开关K5控制第一直流母线101与第二直流母线102的连通或断开，当蓄电池组发生故障时，可以通过手动控制第五开关K5闭合，第一直流母线101和第二直流母线102相互供电。

如图2所示，本实用新型还提供一种直流母线保护方法，包括：

S1、双向DC-DC转换器20检测获取与第一蓄电池组301和第二蓄电池组302分别对应的第一端电压和第二端电压；

S2、双向DC-DC转换器20分别比较第一端电压与双向DC-DC转换器20的第一转换电压和第二端电压与双向DC-DC转换器20的第二转换电压，若第一端电压小于或等于第一转换电压则执行步骤S21，若第二端电压小于或等于第二转换电压则执行步骤S22，

S21、双向DC-DC转换器20控制第二蓄电池组302与第一直流母线101连通、对第一直流母线101供电；

S22、双向DC-DC转换器20控制第一蓄电池组301与第二直流母线102连通、对第二直流母线102供电。

具体的，系统监控器40可以根据电源系统的各种部件的设置，例如电源系统的电压等级，各个蓄电池组的电压等级，各个蓄电池组中蓄电池的数量等等电源系统的各种配置参数来设置各个直流母线的最低工作电压，各个蓄电池组的最低工作电压和以及双向DC-DC转换器20的转换电压，并下发给双向DC-DC转换器20。双向DC-DC转换器20通过接收并比较第一端电压、第二端电压及转换电压的关系，这里的转换电压可以包括第一转换电压和第二转换电压，分别与第一端电压和第二端电压比较，并根据比较结果控制第一接口为输入、输出或者闭锁状态，控制第二接口为输入、输出或者闭锁状态。可以理解双向DC-DC转换器20的第一接口和第二接口分别与第一蓄电池组301和第二蓄电池组302连接，双向DC-DC转换器20实时检测第一接口的电压和第二接口的电压，相当于实时检测第一蓄电池组301的第一端电压和第一蓄电池组302的第二端电压。当其中一个直流母线发生故障失电时候，与其对应连接的蓄电池组的端电压会出现下降，双向DC-DC转换器20比较端电压与对应的转换电压，控制另一蓄电池组与故障蓄电池组对应的直流母线连通，来保证该直流母线不失电。

举例说明。若直流系统发生交流电网失电故障，且第一蓄电池组301同时发生开路故障，第二蓄电池组302正常，其对应的第二端电压大于最低工作电压Ubmin2。由于第一蓄电池组301开路，第一直流母线101的电压(这里第一直流母线101的电压即可以理解为第一蓄电池组301对应的第一端电压)将不断下降，当该第一端电压下降到小于等于双向DC-DC转换器的第一转换电压Vset1时，双向DC-DC转换器20控制第二蓄电池组302与第一直流母线101连通，使得第二蓄电池组302通过双向DC-DC转换器20为第一直流母线101供电，保证第一直流母线101不会失电。若直流系统发生交流电网失电故障，且第二蓄电池组302同时发生开路故障，第一蓄电池组301正常，其对应的第一端电压大于最低工作电压Ubmin1。由于第二蓄电池组302开路，第二直流母线102的电压(这里第二直流母线102的电压即可以理解为第二蓄电池组302对应的第二端电压)将不断下降，当该第二端电压下降到小于等于向DC-DC转换器的第二转换电压Vset2时，使得第一蓄电池组301通过双向DC-DC转换器20为第二直流母线102供电，保证第二直流母线102不会失电。

进一步的，在步骤S21中，双向DC-DC转换器20控制第二蓄电池组302与第一直流母线101连通包括：双向DC-DC转换器20设置其第一接口为输出状态，设置其第二接口为输入状态；在步骤S22中，双向DC-DC转换器20控制第一蓄电池组301与第二直流母线102连通包括：双向DC-DC转换器20设置第二接口为输出状态，设置第一接口为输入状态。

可以理解，双向DC-DC转换器20包含第一接口和第二接口，分别与第一蓄电池组301和第二蓄电池组302连接，在上述基础上，当双向DC-DC转换器20控制第二蓄电池组302与第一直流母线101连通时可以自动将第二接口设置为输入状态，将第一接口设置输出状态，输出电压为第一转换电压Vset1。当双向DC-DC转换器20控制第一蓄电池组301与第二直流母线102连通时，双向DC-DC转换器20自动将第一接口设置为输入状态，将第二接口设置输出状态，输出电压为第二转换Vset2。

在如图3所示，本实用新型的直流母线保护方法在上述实施例的基础上，步骤S21还包括：若第二端电压小于或等于第二蓄电池组302的最低工作电压，双向DC-DC转换器20控制第二蓄电池组302与第一直流母线101断开、停止对第一直流母线101供电；步骤S22还包括：若第一端电压小于或等于第一蓄电池组301的最低工作电压，双向DC-DC转换器20控制第一蓄电池组301与第二直流母线102断开、停止对第二直流母线102供电。

具体的，若第二蓄电池组302与第一直流母线101已经连通对第一直流母线101进行供电的过程中，在第二蓄电池组302放电过程中，如果双向DC-DC转换器20检测到第二蓄电池组302的对应的第二端电压小于等于最低工作电压Ubmin2时，双向DC-DC转换器20将自动关闭输出，使第二蓄电池组302与第一直流母线101断开，停止为第一直流母线101供电。

进一步的，在步骤S21中，双向DC-DC转换器20控制第二蓄电池组302与第一直流母线101断开包括：双向DC-DC转换器20设置第一接口和第二接口为闭锁状态；在步骤S22中，双向DC-DC转换器20控制第一蓄电池组301与第二直流母线102断开包括：双向DC-DC转换器20设置第一接口和第二接口为闭锁状态。

可以理解，关闭双向DC-DC转换器20可以将双向DC-DC转换器20的第一接口和第二接口设置为闭锁状态。

下面以一个具体的应用实例对本实用新型的技术方案进行详细说明。

假设系统为220VDC系统、两段直流母线(即第一直流母线101和第二直流母线102)、两组充电机(即第一充电机501和第一充电机501)和两组蓄电池组(即第一蓄电池组301和第二蓄电池组302)，第一蓄电池组301和第二蓄电池组302的配置完全一致，均为108节，则两蓄电池组的浮充电压值均为108*2.23V＝241V，两蓄电池组的最低工作电压均为108*1.8V＝194.4V，两段直流母线的最低工作电压均为220*0.875＝192.5V，系统监控器40设置双向DC-DC转换器20第一接口和第二接口的转换电压(分别对应第一转换电压和第二转换电压)均略大于直流母线的最低工作电压192.5V，设置为195V；电源系统正常时，两蓄电池组均处于浮充状态，端电压均为241VDC，双向DC-DC转换器20的第一接口和第二接口均为闭锁状态，即双向DC-DC转换器20处于无输出的热备用状态。假设直流系统发生交流电网失电故障，且第一蓄电池组301同时发生开路故障，第二蓄电池组302正常且其端电压大于最低工作电压194.4V。由于第一蓄电池组301开路，第一直流母线101的电压将不断下降(这里第一直流母线101的电压即可以理解为第一蓄电池组301对应的第一端电压)，当第一端电压下降到小于等于转换电压195V时，双向DC-DC转换器20自动将第二接口设置为输入状态，将第一接口设置输出状态，输出电压为195V，使得第二蓄电池组302通过双向DC-DC转换器20和开关K1自动为第一直流母线101供电，保证第一直流母线101不会失电，提高直流母线供电的可靠性。在第二蓄电池组302放电过程中，如果双向DC-DC转换器20检测到第二蓄电池组302的对应的第二端电压小于等于最低工作电压194.4V时，双向DC-DC转换器20将自动关闭输出，并设置第一接口和第二接口为闭锁状态。

可以理解的，以上实施例仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围；因此，凡跟本实用新型权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。