CN110571915A - 一种智能型储能电源车不间断供电***装置及其控制方法 - Google Patents

一种智能型储能电源车不间断供电***装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种智能型储能电源车不间断供电***装置，将市电或UPS电源经过单个双向变流器供給应急负载，采用双向变流器PCS1台和单向变流器PIS1台配合使用，双向变流器PCS通过自动转化开关ATS与供电电源相连，储能电池组通过单向变流器PIS经静态开关与应急负载相连，工作过程中储能电池组与单向变流器PIS不间断挂网运行，通过能量管理***EMS控制来双向变流器PCS输出功率，灵活对储能电池组进行充电以及提供功率给单向变流器PIS，实现应急负载不间断供电以及零毫秒切换。还提供一种智能型储能电源车不间断供电***装置在不同工作模式下的控制策略，按照既定的逻辑及控制算法实现***各模式间的自动运行及异常保护。

Description

一种智能型储能电源车不间断供电***装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源设备技术领域，具体涉及一种智能型储能电源车不间断供电***装置及其控制方法。
背景技术
随着当今社会各行各业投入高敏感电力电子设备不断增加，越来越多的用户对供电可靠性要求不断提高。大型活动场所如政府机构、重要活动日、大型医院等，一旦发生停电事故，带来的后果将不可想象，不仅破坏了正常生活秩序，带来巨大的经济损失，更严重的会影响到社会的正常秩序。因此，为了保障重点负荷的不间断供电，减少相关损失，开展智能型储能电源车不间断供电***装置的研究具有重要的意义。
目前电力部门广泛使用的应急电源车由柴油机发电和以铅酸电池为后备的应急电源***。但柴油机发电的缺点是不能长时间空载运行、启动时间较长、供电质量差、废气污染严重，不能做到无缝切换。而铅酸电池则存在重金属污染、能量比低，还存在充放电次数受限等缺点。对于近几年选择飞轮储能作为UPS移动应急电源车，飞轮UPS受制于机械储能，且能够提供的电力应急时间较短，并且价格昂贵。
传统保供电采用的方式为市电加上发电车，通过整流、逆变方式供给应急负载，这种方式都会存在市电失去的时候，在柴油发电机或储能电池组起动的过程中，中间有一段时间的间隔断电，这种现象对一些非常重要的负荷，比如说，电力电子装置或者重要敏感器件都会有所反应，将会造成很严重的后果。采用不间断供电***装置及相关控制方法，它具有启动时间短，能够实现零毫秒不间断的切换。从而保障设备的不间断运行，将事故停电给生产生活带来的影响降低到零。
发明内容
针对目前应急电保供电源车存在的不足，本发明提供一种智能型储能电源车不间断供电***装置及其控制方法。基于大多数应急电源车采用将市电或UPS电源经过单个双向变流器供給应急负载，储能电池装置作为备用电源，本发明采用双向变流器(PCS)1台和单向变流器(PIS)1台配合使用，其中储能电池组通过单向变流器PIS不间断与应急负载相连，不论市电是否正常，储能电池组和单向变流器PIS都处于工作状态，实现应急负载不间断供电以及零毫秒切换。同时，本发明还针对一种智能型储能电源车不间断供电***装置设计了其不同工作模式下相关控制策略，按照既定的逻辑及控制算法实现***各模式间的自动运行及异常保护。
本发明采用的技术方案如下：
一种智能型储能电源车不间断供电***装置，包括柴油机供电380V三相电、储能电池***、双向变流器PCS、单向变流器PIS、静态开关、自动转化开关ATS以及相关开关K1-K6；
其中，一条配电线路为市电380V和柴油机供电380V连接到自动转换开关ATS输入侧；自动转换开关ATS输出端与开关K1一端相连；开关K1另一端与双向变流器PCS交流侧连接；双向变流器PCS直流侧分别与储能电池组输入端、开关K2一端连接；开关K2另一端与单向变流器PIS直流侧连接；同时储能电池组输出侧与单向变流器PIS直流侧相连；单向变流器PIS交流侧与静态开关输入侧相连；静态开关输出侧分别于开关K3一端、K5一端连接；K3另一端与应急负载连接；K5另一端与第三条配电线路相连；第二条配电线路为自动转换开关ATS与旁路检修开关K6一端相连；K6另一端与静态开关输入侧相连；第三配电线路自动转化开关ATS输出端与开关K4一端相连；开关K4另一端与车辆负载相连。
进一步，所述装置还包括能量管理***EMS；所述能量管理***分别于双向变流器PCS、单向变流器PIS、储能电池***通过CAN相连。
再进一步，所述装置还包括电池管理***；所述电池管理***与储能电池组、充放电保护电路通信连接。
一种智能型储能电源车不间断供电***装置的控制方法，包括市电运行模式、电池独立供电模式、相关设备维修状态供电模式和储能电池***维护模式，其中：
所述的市电运行模式，用于在市电正常的情况下供电，在市电装置后，由市电经自动转换开关ATS提供电源给直流母线，根据单向变流器PIS输出功率调整双向变流器PCS输出功率，若PIS输出功率小于设定值且磷酸铁锂储能电池荷电量小于荷电量设定值时，PCS以设定值功率给电池充电。过程中当发现PIS所带负载发生过大变化时，及时调整双向变流器PCS输出功率的分配，以更好地满足应急负载用电需求；
所述的电池独立供电模式，用于当市电发生断电或故障时，为保证对应急负载不间断供电而采用电池独立供电；当市电掉电后，所有负载供电将切换由储能电池组经单向变流器PIS输出，无缝接替市电供给负载，同时自动转化开关ATS切换到备用电源，并检查备用电源电压，如电压达不到要求，双向变流器PCS退出运行，若达到要求，双向变流器PCS工作，以设定输出功率向直流母线供电，从而实现由柴油机发电充电电源，保证负载正常运行；双向变流器PCS实时跟踪市电状态，当市电恢复后，将发电机输入电源通过自动转换开关ATS切换到市电工作状态，同时控制发电机停止工作，在整个切换过程中，由于电池组、单向变流器PIS始终处于无缝输出状态的挂网运行，确保了零毫秒切换。
所述的相关设备维修状态供电模式，用于在逆变装置发生故障的情况下供电，当不间断供电***装置发生故障后，闭合旁路检修开关K6，静态开关切换到第二条配电线路，保证负载不间断供电；
所述的储能电池***维护模式，用于在长时间静置状态下对储能电池维护的控制，ATS启动柴油发电机，自动转换开关ATS自动切换到柴油发电机侧，闭合开关K1，接入双向变流器PCS交流侧，通过PCS对储能电池组进行充电；同时闭合开关K5，储能电池组通过PIS对车内负载进行放电。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对现有应急电源车无法做到不间断供电、零毫秒切换，且使用过程中空气污染严重、噪声大等问题，设计了两台变流器连接电路，通过对其灵活控制输出功率，实现了一种能够不间断供电且能零毫秒切换技术的不间断供电电源车，极大改善了现有应急电源车的性能。
2、本发明针对应急电源车不同工作模式以及工作场景，提出一种智能型储能电源车不间断供电***装置针对不同工作环境的控制策略，实现应急电源车不同工作模式间的不间断供电相互切换。
附图说明
图1为本发明的一种智能型储能电源车不间断供电***装置的拓扑图；
图2为本发明实施例中市电运行模式下拓扑图；
图3为本发明实施例中电池组独立运行模式下工作拓扑图；
图4为本发明实施例中不间断供电***装置维修模式下工作拓扑图；
图5为本发明实施例中电池维护模式下工作拓扑图；
图6为一种智能型储能电源车不间断供电***装置市电工作模式下控制方法流程示意图；
图7为一种智能型储能电源车不间断供电***装置储能电池独立工作模式下控制方法流程示意图；
图8为一种智能型储能电源车不间断供电***装置电池组维护模式下控制方法流程示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
参照图1～图8，一种智能型储能电源车不间断供电***装置，包括双电源自动转换开关ATS、双向变流器PCS、单向变流器PIS、储能电池***、静态转化开关及开关K1-K6。
其中，一条配电线路为市电380V和柴油机供电380V连接到自动转换开关ATS输入侧；自动转换开关ATS输出端与开关K1一端相连；开关K1另一端与双向变流器PCS交流侧连接；双向变流器PCS直流侧分别与储能电池组输入端、开关K2一端连接；开关K2另一端与单向变流器PIS直流侧连接；同时储能电池组输出侧与单向变流器PIS直流侧相连；单向变流器PIS交流侧与静态开关输入侧相连；静态开关输出侧分别于开关K3一端、K5一端连接；K3另一端与应急负载连接；K5另一端与第三条配电线路相连；第二条配电线路为自动转换开关ATS与旁路检修开关K6一端相连；K6另一端与静态开关输入侧相连；第三配电线路自动转化开关ATS输出端与开关K4一端相连；开关K4另一端与车辆负载相连。
进一步，所述装置还包括能量管理***EMS；所述能量管理***分别于双向变流器PCS、单向变流器PIS、储能电池***通过CAN相连。
再进一步，所述装置还包括电池管理***；所述电池管理***与储能电池组、充放电保护电路通信连接。
本实施例的供电***结构简单、成本低，增加了移动电源车黑启动功能。
储能电池***与单向变流器PIS组成了储能电池组不间断供电***，交流母线、储能电池组共同组成应急负载供电***。其中储能电池组供电***接入静态开关的输入端，同时交流母线经旁路检修开关K6接入静态开关的输入端，静态开关输出端再接入负载开关K3、开关K5，共同组成负载不间断供电***。
交流母线为车内所有负载供电，交流母线接入开关K4，同时储能电池组供电***通过手动开关K5接入开关K4，这样当交流母线发生故障时，能够通过手动开关K5将储能电池组供电***接入车内负载，保证车内负载不间断供电。
380V市电、380V柴油机发电分别接入自动转换开关ATS两个输入端，共同组成双供电电源***，其中380V市电为常用电源，380V柴油机发电为备用电源，可以使两路电源自动切换，输出端接交流母线。
储能电池供电***主要有交流母线、双向变流器PCS、直流母线、单向变流器PIS、储能电池组共同构成，其中交流母线输出端接入双向变流器PCS交流侧，双向变流器PCS直流侧分两路，一路通过开关K2接入单向变流器直流侧，一路接入储能电池组输入端，同时储能电池组输出端接入单向变流器直流侧，单向变流器交流侧接入静态开关的输入一端，同时交流母线输出端接入旁路检修开关K6一端，K6另一端接入静态开关的输入端另一端，静态开关的输出端接入开关K3的一端，另一端接入应急负载。
还包括能量管理***，所述的能量管理***分别与开关自动转化开关ATS、双向变流器PCS、单向变流器PIS通过CAN总线通信连接，所述储能***与监控终端通过CAN连接。
一种智能型储能电源车不间断供电***装置的控制方法，包括市电供电模式、电池独立供电模式、相关设备维修状态供电模式、储能电池***维护模式，其中：市电供电模式如图2所示，电池独立供电模式如图3所示，相关设备维修状态供电模式如图4所示，储能电池维护模式如图5所示。
针对图2市电供电模式相应的控制策略流程图如图6所示，详细步骤如下：
(1)基于磷酸铁锂储能电池***的不间断应急供电***在对应急负载供电时，移动储能车首先连接上市电后，当自动转换开关ATS检测到市电正常时，闭合自动转换开关ATS市电侧以及交流母线输入侧开关K1，提供电源给交流母线；
(2)能量管理***EMS通过CAN总线首先启动双向变流器PCS，设定其输出功率为0，再启动单向变流器PIS，同时读取PCS、PIS的输出功率；
(3)当单向变流器PIS输出功率小于设定输出功率且储能电池组荷电量SOC小于设定值时，能量管理***EMS控制双向变流器PCS通过直流母线对电池进行充电，以保证储能电池不间断供电***稳定工作；
(4)在应急供电过程中，若应急负载负荷突然增加，则闭合开关K2，双向变流器PCS同时供給单向变流器PIS部分功率，以满足负载需要；
(5)当储能电池组荷电量SOC大于设定值时，应急负载输出功率主要由储能电池组提供，同时双向变流器PCS实时跟踪单向变流器输出功率。
针对图3电池独立供电模式相应的控制策略流程图如图7所示，详细步骤如下：
(1)在市电掉电后，应急负载供电均转移到由储能电池组经单向变流器PIS逆变输出，同时闭合开关K6，车载供电也将由储能电池组供给，在市电掉电前后储能电池组不间断供电***未发生任何突变，因此可以无缝接替市电供給负载；
(2)在进入电池独立运行模式后，当单向变流器PIS输出功率大于其最大输出功率时，PIS发出报警并停止运行，同时闭合旁路检修开关K7，且控制自动转换开关ATS2将输入侧转换到旁路开关支路上，由柴油机发电为整体负载供电；
(3)当电池独立供电过程中，能量管理***同时检测备用电源侧电压及频率是否正常，若正常自动转换开关ATS1输入侧投入柴油发电机，若不正常，则双向变流器PCS推出运行，继续运行在电池独立工作模式；
(4)若柴油机发电投入运行，同时启动双向变流器PCS，能量管理***EMS同时读取PCS、PIS输出功率，若储能电池组荷电量SOC大于设定值时，PCS输出功率实时跟踪PIS输出功率，当储能电池组荷电量SOC小于设定值时，PCS以设定功率对电池组进行充电；
(5)同时双向变流器将实时跟踪市电状态，当市电恢复后，将发电机输入电源通过自动转换开关ATS1切换回市电工作，同时通过能量管理***EMS停止柴油发电机工作，由于储能电池组始终处于无缝输出状态的挂网运行，确保了零切换时间。
针对图4电池维护模式相应的控制策略流程图如图8所示，详细步骤如下：
(1)考虑到储能电池组长时间静止状态，为防止电池组发生过放情况，需要定期对电池组进行充放电；
(2)启动柴油发电机，自动转换开关ATS1自动切换到发电机侧，闭合开关K1，接入双向变流器PCS交流侧，通过PCS对储能电池组进行充电；
(3)同时闭合开关K5，储能电池组通过PIS对车内负载进行放电。

Claims (4)

1.一种智能型储能式不间断供电***装置，其特征在于：所述装置包括柴油机供电380V三相电、储能电池***、双向变流器PCS、单向变流器PIS、静态开关、自动转化开关ATS以及相关开关K1-K6；
其中，一条供电线路为市电380V和柴油机供电380V连接到自动转换开关ATS输入侧；自动转换开关ATS输出端与开关K1一端相连；开关K1另一端与双向变流器PCS交流侧连接；双向变流器PCS直流侧分别与储能电池组输入端、开关K2一端连接；开关K2另一端与单向变流器PIS直流侧连接；同时储能电池组输出侧与单向变流器PIS直流侧相连；单向变流器交流侧与静态开关输入侧相连；静态开关输出侧分别于开关K3一端、K5一端连接；K3另一端与应急负载连接；K5另一端与第三条配电线路相连；第二条配电线路为自动转换开关ATS与旁路检修开关K6一端相连；K6另一端与静态开关输入侧相连；第三配电线路自动转化开关ATS输出端与开关K4一端相连；开关K4另一端与车辆负载相连。
2.如权利要求1所述的一种智能型储能式不间断供电***装置，其特征在于：所述装置还包括能量管理***EMS；所述能量管理***分别于双向变流器PCS、单向变流器PIS、储能电池***通过CAN总线相连。
3.如权利要求1或2所述的一种智能型储能式不间断供电***装置，其特征在于：所述装置还包括电池管理***；所述电池管理***与储能电池组、充放电保护电路通信连接。
4.一种如权利要求1所述的智能型储能式不间断供电***装置的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括市电运行模式、电池独立供电模式、相关设备维修状态供电模式和储能电池***维护模式，其中：
所述的市电运行模式，用于在市电正常的情况下供电，在市电装置后，由市电经自动转换开关ATS提供电源给直流母线，根据单向变流器PIS输出功率调整双向变流器PCS输出功率，若PIS输出功率小于设定值且磷酸铁锂储能电池荷电量小于荷电量设定值时，PCS以设定值功率给电池充电，过程中当发现PIS所带负载发生过大变化时，及时调整双向变流器PCS输出功率的分配，以更好地满足应急负载用电需求；
所述的电池独立供电模式，用于当市电发生断电或故障时，为保证对应急负载不间断供电而采用电池独立供电；当市电掉电后，所有负载供电将切换由储能电池组经单向变流器PIS输出，无缝接替市电供给负载，同时自动转化开关ATS切换到备用电源，并检查备用电源电压，如电压达不到要求，双向变流器PCS退出运行，若达到要求，双向变流器PCS工作，以设定输出功率向直流母线供电，从而实现由柴油机发电充电电源，保证负载正常运行；双向变流器PCS实时跟踪市电状态，当市电恢复后，将发电机输入电源通过自动转换开关ATS切换到市电工作状态，同时控制发电机停止工作，在整个切换过程中，由于电池组、单向变流器PIS始终处于无缝输出状态的挂网运行，确保了零毫秒切换；
所述的相关设备维修状态供电模式，用于在逆变装置发生故障的情况下供电，当不间断供电***装置发生故障后，闭合旁路检修开关K6，静态开关切换到第二条配电线路，保证负载不间断供电；
所述的储能电池***维护模式，用于在长时间静置状态下对储能电池维护的控制，ATS启动柴油发电机，自动转换开关ATS自动切换到柴油发电机侧，闭合开关K1，接入双向变流器PCS交流侧，通过PCS对储能电池组进行充电；同时闭合开关K5，储能电池组通过PIS对车内负载进行放电。
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