專利名稱：組合充放電式中壓系統應急電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及66KV—IOKV (本專利所定義的“中壓”)不間斷電源領域，更具體地說，涉及組合充放電式中壓系統應急電源。
背景技術：
在工業電源領域廣380/220系統的低壓型應急電源作為工業及民用領 域應急照明和動力負載的應急供電裝置在國內已經有十余年歷史，形成相關專利十余項，在 380V供電系統中顯示了節能、環保、快速、高可靠性、便于維護、智能化管理、提高供電可靠性等一系列優勢。而伴隨著工業領域大功率拖動負載的出現，用于拖動系統的、.66 — IOKV電動機早在70年代就已經問世，經過30多年的發展可謂十分成熟。近年來，為了減小大容量電動機的體積和重量，更為了回避大電流載體的敷設安裝、連接和過度等安全類難題，許多程控類工業領域流水線上的大容量電動機逐步被中壓型電動機所取代，啟動和控制中壓型電動機的中壓變頻產品(國外稱之為“工業傳動”或“交流動力傳動”)也逐漸成熟。然而，中壓級別的交流應急電源一直是國內外的市場空白，特別是工業領域，幾乎找不到成功使用蓄電型中壓交流應急電源的成功案例。一直以來，中壓動力系統的工作可靠性完全取決于于電網電源的可靠性，一旦電網因故突然停電，程控類工業正在運行的流程就會驟停，將造成巨大損失(據中石油集團的一個年會報告僅煉化板塊在2011年就發生電力系統故障幾十起，因程控流程驟停造成直接和間接損失十幾億元)。為了盡量降低損失，許多程控工業的流水線不得不配置國外進口的氣動型延遲系統，用于緩解電源故障流程驟停的損失，但此類氣動型延遲系統只能起到有限的緩解作用，把突然停電的損失適當降低，無法把市網電源驟停的損失降到近于“0”，且此類氣動延遲裝置價格高昂，平時的附加運行成本也不可忽視。在如前所述的 380V及以下的低壓不間斷電源(UPS和EPS )中，對內部串聯蓄電池組的充電往往靠輸入電壓直接整流來完成。因此，如果蓄電池總串聯電壓等于交流輸入電源整流后的直流電壓值，則無法將串聯蓄電池組充滿電(只有充電電壓高于被充電的蓄電池總電壓10左右或以上才能將蓄電池充滿電)；如果蓄電池串聯總電壓低于輸入電源的整流電壓值，雖然可能將串聯蓄電池組充滿電，但在停電應急時又不能保證應急輸出的交流電壓值符合要求。為了保證蓄電池組能被充滿電而應急輸出電壓又符合要求，不是需要升壓整流充電、就是在逆變前或逆變后進行升壓處理，而這兩種措施在中壓系統中相對困難和復雜，前者需要整流充電器件長期工作在較高的直流電壓環境下，安全和壽命指數較低，后者影響系統可靠性和安全性，技術上難于實施，成本也偏高。
發明內容本發明要解決的技術問題在于，針對現代工業程控領域氣動延遲系統的技術缺陷，提供一種中壓應急電源，又針對交流供電母線直接整流后的直流電壓值不能滿足為普通應急電源內串聯蓄電池組充滿電的技術缺陷，提供一種組合充放電式中壓系統應急電源。本發明提供一種組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，包括至少兩級串聯蓄電池單元，當工作電源正常時，放電開關關斷，各級串聯蓄電池單元分別充電；當工作電源故障時、應急電源啟動放電，各串聯蓄電池單元串聯成一組蓄電池組放電。優選地，每級串聯蓄電池單元的正、負極分別連接整流充電器輸出端的正、負極，第一級串聯蓄電池單元的正極還與正極母線控制器連接，末級串聯蓄電池單元的負極還與負極母線控制器連接，中間各級串聯蓄電池單元的正極通過放電開關與前級串聯蓄電池單元的負極連接，其負極通過放電開關與后級單元的正極連接；當工作電源正常時，放電開關均關斷，應急電源充電；當工作電源故障時，應急電源啟動放電，整流充電器停止工作，正、負極母線控制器接通，放電開關均開通。優選地，兩級串聯蓄電池單元共用一個整流充電器，第一級串聯蓄電池單元的正極與正極母線控制器連接并同時連接正極充電開關的負極，其負極連接負極充電開關的正極和放電開關的負極；第二級串聯蓄電池單元的正極連接整流充電器的正極并且與正極充電開關的正極和放電開關的正極連接，其負極連接整流充電器輸出端的負極并且與負極充電開關的負極和負極母線連接；當工作電源正常時，放電開關均關斷，正、負極充電開關均開通，應急電源充電；當工作電源故障時，應急電源啟動放電，整流充電器停止工作，正、負極母線控制器接通，放電開關均開通，負極充電開關均關斷。優選地，整流充電器的輸入端與低壓交流供電電源連接。優選地，正極母線控制器的輸入端與第一級串聯蓄電池單元的正極連接，其輸出端通過正極應急母線與工業傳動中間直流母線的正極連接，負極應急母線的輸入端與末級串聯蓄電池單元的負極連接，其輸出端通過負極應急母線與工業傳動中間直流母線的負極連接，正、負極母線控制器為控制電器。優選地，工業傳動的交流輸出電壓值的范圍為O. 66KV至10KV。優選地，各級串聯蓄電池單元充滿電后總串聯電壓值不低于工業傳動的中間直流電壓值。優選地，正極充電開關和負極充電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。優選地，放電開關是可控類電力電子開關或由其構成的開關電路。優選地，放電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。實施本發明的組合充放電式中壓系統應急電源，具有以下有益效果(1)、通過采用多組串聯蓄電池組并聯充電，串聯放電的方式，為中壓交流動力系統提供應急電源；
(2)、不借助工業傳動的中間直流進行充電，也不需要升壓變壓器，而是另外增設2組低壓Γ380ν)充電電源對兩個串聯蓄電池單元分別進行充電，從而不需要整流充電器件長期工作在較高(1000V左右)的直流電壓環境下，大大提高安全可靠性和電力電子器件壽命。(3)能確保中壓應急電源系統內的蓄電池被充滿電。(4)整流充電環節的監控與檢測及蓄電池參數的監控與檢測大大簡化。通過本發明的應急電源確保中壓交流動力系統能在任意設定時間內不停止工作，尤其是在突然斷電的情況下正常工作，從而使電網故障停電的損失降為 “O，，。
圖I為本發明組合充放電式中壓系統應急電源的一具體實施例的結構示意圖。圖2為本發明組合充放電式中壓系統應急電源的另一具體實施例的結構示意圖。
具體實施方式
本發明的工業傳動能量變換輸出交流電壓值的范圍為 O. 66KV至 10KV。工業傳動作為交流能量變換裝置，可以是ABB、西門子或施奈德等著名品牌的工業傳動型變頻主機，也可以是國產的中壓變頻裝置，還可以是中壓寬頻逆變裝置等等。當要求工業傳動輸出值不低于飛60時，工業傳動逆變環節的輸入直流電壓應不低于891V(即交流輸出值的I. 35倍)，即串聯蓄電池組充滿電后串聯總電壓值應不低于891V。而對額定總電壓值為891V的串聯蓄電池組進行充電需要充電電壓1000以上(高出10% —15%左右)，否則無法將串聯蓄電池組充滿電。因此對于輸入電壓為飛60V的工業傳動而言，其中間直流無法將串聯蓄電池組充滿電。為此，本專利的做法是不借助工業傳動的中間直流，而是把串聯蓄電池組分成兩級或兩級以上單元，利用低壓整流充電技術對每個單元進行充電，放電時再把各單元串聯起來形成大于或等于目標值的直流電壓，從而保證中壓應急電源在放電時的直流電壓滿足使用要求。圖I為本發明組合充放電式中壓系統應急電源的一具體實施例的結構示意圖。其特點是將蓄電池組分成兩級串聯蓄電池單元、平時各單元獨立充電，應急時兩單元串聯放電。圖I中，LI為 380V/220的低壓交流母線，L2為大功率程控系統中壓供電專用交流母線，CZl和CZ2為整流充電器，El和E2分別為第一級和第二級串聯蓄電池單元，P為放電開關，P+和P-分別為正、負極母線控制器，M+和M-分別為正、負極應急母線，PM為工業傳動，D為中壓應急動力負載。如圖所示，第一級串聯蓄電池單元El的正負極連接整流充電器CZl的正負極，第二級串聯蓄電池單元E2的正負極連接整流充電器CZ2的正負極，第一級串聯蓄電池單元El的負極與第二級串聯蓄電池單元E2的正極還通過放電開關P連接，即放電開關P的正極連接第二級串聯蓄電池單元E2的正極，其負極連接第一級串聯蓄電池單元El的負極，第一級串聯蓄電池單元El的正極還連接正極母線控制器P+，第二級串聯蓄電池單元E2的負極還連接負極母線控制器P-。整流充電器CZl和CZ2的輸入端與低壓交流母線LI連接。正極母線控制器P+通過正極母線M+與工業傳動中間直流母線的正極連接，負極母線控制器P-通過負極母線M-與工業傳動的中間直流母線的負極連接，工業傳動的輸入端連接中壓交流供電母線L2，輸出端連接中壓應急動力負載D (電動機)。當中壓交流供電母線L2正常為應急動力負載D供電時，放電開關P、正、負極母線控制器P+和P-均處于斷開狀態，低壓交流母線LI提供的三相電源經過整流充電器CZl和CZ2整流后分別為第一級、第二級串聯蓄電池單元El和E2充電，直到充滿后轉入間歇充電。當中壓交流供電母線L2出現故障時，控制整流充電器CZl和CZ2關閉，正、負極母線控制器P+和P-接通，放電開關P開通，第一級、第二級串聯蓄電池單元El和E2串聯放電，為應急動力負載提供電源。直到第一級、第二級串聯蓄電池單 元El和E2能量放盡欠壓保護啟動后放電開關P關斷，正、負極母線控制器P+和P-斷開，工業傳動停止輸出；或直到收到上位機發來的停機信號時放電開關P關斷，正、負極母線控制器P+和P-斷開，工業傳動停止輸出；或直到中壓交流供電母線L2電源恢復時，放電開關P關斷，正、負極母線控制器P+和P-斷開，整流充電器重新進入充電控制狀態。蓄電池組被充滿電后，第一級、第二級串聯蓄電池單元El和E2的串聯總電壓值至少為中壓交流供電母線L2電壓值的I. 35倍。 第一級、第二級串聯蓄電池單元El和E2可以為兩個完全相同的串聯蓄電池單元，也可以為不同的串聯蓄電池單元。整流充電器CZl和CZ2可以相同也可以不同。整流充電器是指由任意電力電子類器件構成的整流充電裝置，既可以由整流器加電力電子開關構成，也可以由可控或半可控整流器替代，還可以是AC/DC模塊電源電路。可以是不可控的，可以是半可控的，還可以是全控的。放電開關P可以為任意一種可控型無觸點類電力電子開關，可以是可控硅、IGBT、電力MOSFET、IPM、IGCT, GTO, SITH、MCT等任意開關類電力電子器件或由其構成的開關電路。正、負極母線控制器P+和P-為直流開關電路，可以是可控型無觸點類電力電子開關，也可以是有觸電類控制電器或開關。正、負極母線控制器P+和P-可以相同也可以不同。放電開關P，正、負極母線控制器P+和P-的通斷由控制器K控制。控制器K是指具有控制功能的單片機、單板機、工控機、智能控制儀表、PLC或其他計算機類控制裝置，也可以由工業傳動主機控制器代替。圖2為本發明一種組合充放電式中壓系統應急電源的一具體實施例的結構示意圖。其特點是將蓄電池組分成兩級串聯蓄電池單元、平時兩個單元共用一組整流充電器充電，應急時兩單元串聯放電。圖2中，LI為 380V/220的低壓交流母線，L2為大功率程控系統的中壓交流供電母線，CZ為整流充電器，El和E2分別為第一級和第二級蓄電池串聯單元，P為放電開關，Pl為正極充電開關，P2為負極充電開關，其中負極充電開關P2為可控型。P+和P-分別為正、負極母線控制器，M+和M-分別為正、負極應急母線，PM為工業傳動，D為中壓應急動力負載。如圖所示，第二級蓄電池串聯單元E2的負極連接整流充電器CZ的負極同時還連接負極充電開關P2的負極和負極母線控制器P-，其正極連接整流充電器CZ的正極同時還連接放電開關P和正極充電開關Pl的正極；第一級蓄電池串聯單元El的負極連接放電開關P的負極同時還連接負極充電開關P2的正極，其正極連接正極充電開關Pl的負極同時還連接正極放電控制器P+的輸入端；整流充電器CZ的輸入端與低壓交流母線LI連接。正極母線控制器P+輸出端通過正極應急母線M+與工業傳動中間直流母線的正極連接，負極母線控制器P-的輸出端通過負極應急母線M-與工業傳動的中間直流母線的負極連接，工業傳動的輸入端連接中壓交流供電母線L2，輸出端連接中壓應急動力負載D (如電動機)。當中壓交流供電母線L2正常為應急動力負載D供電時，系統處于充電狀態，此時放電開關P關斷，正、負極母線控制器P+和P-均斷開，正、負極充電開關Pl和P2開通，低壓交流母線LI提供的三相電源經過整流充電器CZ整流后同時為第一級、第二級串聯蓄電池單元El和E2充電，直到充滿后轉入間歇充電。當中壓交流供電母線L2出現故障時，整流充電器CZ關閉，負極充電開關P2關斷，正、負極母線控制器P+和P-接通，放電開關P開通，第一級、第二級串聯蓄電池單元El和E2串聯放電，為應急動力負載提供電源。直到第一級、第二級串聯蓄電池單元El和E2能量放盡欠壓保護啟動后放電開關P關斷，正、負極母線控制器P+和P-斷開，工業傳動停止輸出；或直到收到上位機發來的停機信號時放電開關P關斷，正、負極母線控制器P+和P-斷開，工業傳動停止輸出；或直到中壓交流供電母線L2電源恢復時，放電開關P關斷，正、負極母線控制器P+和P-斷開，負極充電開關P2開通，整流充電器重新進入充電控制狀態。[0024]第一級、第二級串聯蓄電池單元El和E2可以為兩個完全相同的串聯蓄電池單元，也可以為不同的串聯蓄電池單元。但蓄電池組被充滿電后，第一級、第二級串聯蓄電池單元El和E2的串聯總電壓值至少為中壓交流供電母線L2電壓值的I. 35倍。整流充電器CZ是指由任意電力電子類器件構成的整流充電裝置，既可以由整流器加電力電子開關構成，也可以由可控或半可控整流器替代，還可以是AC/DC模塊電源電路。可以是不可控的，可以是半可控的，還可以是全控的。放電開關P和負極充電開關P2可以為任意一種可控型無觸點類電力電子開關，可以是可控硅、IGBT、電力MOSFET、IPM、IGCT、GT0、SITH、MCT等任意開關類電力電子器件或由其構成的開關電路。正、負極母線控制器P+和P-為直流開關電路，可以是可控型無觸點類電力電子開關，也可以是有觸點類控制電器或開關。正極充電開關Pl可以是任意開關來 電力電子器件和可控的有觸點電器開關。正、負極母線控制器P+和P-可以相同也可以不同。放電開關P，正、負極充電開關Pl和P2，正、負極母線控制器P+和P-的通斷均由信號控制器K控制。控制器K是指具有控制功能的單片機、單板機、工控機、智能控制儀表、PLC或其他計算機類控制裝置，也可以由工業傳動主機控制器代替。本發明的應急電源還可以包括三個或三個以上的串聯蓄電池單元結構的應急電源，只需按比例增加放電開關P和整流充電器個數即可。本發明可廣泛應用于工業領域各類過程控制系統，特別是化工、石油、石化和煤化工領域的應急電源系統。本發明是通過實施例進行描述的，本領域技術人員知悉，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以對這些特征和實施例進行各種改變或等效替換。另外，在本發明的教導下，可以對這些特征和實施例進行修改以適應具體的情況及材料而不會脫離本發明的精神和范圍。因此，本發明不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本申請的權利要求范圍內的實施例都屬于本發明的保護范圍。
權利要求1.一種組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，包括至少兩級串聯蓄電池單元，每級串聯蓄電池單元的正、負極分別連接整流充電器輸出端的正、負極，第一級串聯蓄電池單元的正極還與正極母線控制器連接，末級串聯蓄電池單元的負極還與負極母線控制器連接，中間各級串聯蓄電池單元的正極通過放電開關與前級串聯蓄電池單元的負極連接，其負極通過放電開關與后級單元的正極連接；當工作電源正常時，放電開關均關斷，應急電源充電；當工作電源故障時，應急電源啟動放電，整流充電器停止工作，正、負極母線控制器接通，放電開關均開通。
2.根據權利要求I所述的組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，兩級串聯蓄電池單元共用一個整流充電器，第一級串聯蓄電池單元的正極與正極母線控制器連接并同時連接正極充電開關的負極，其負極連接負極充電開關的正極和放電開關的負極；第二級串聯蓄電池單元的正極連接整流充電器的正極并且與正極充電開關的正極和放電開關的正極連接，其負極連接整流充電器輸出端的負極并且與負極充電開關的負極和負極母線連接；當工作電源正常時，放電開關均關斷，正、負極充電開關均開通，應急電源充電；當工作電源故障時，應急電源啟動放電，整流充電器停止工作，正、負極母線控制器接通，放電開關均開通，負極充電開關均關斷。
3.根據權利要求I或權利要求2任一項權利要求所述的組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，整流充電器的輸入端與低壓交流供電電源連接。
4.根據權利要求3所述的組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，正極母線控制器的輸入端與第一級串聯蓄電池單元的正極連接，其輸出端通過正極應急母線與工業傳動中間直流母線的正極連接，負極應急母線的輸入端與末級串聯蓄電池單元的負極連接，其輸出端通過負極應急母線與工業傳動中間直流母線的負極連接，正、負極母線控制器為控制電器。
5.根據權利要求4所述的組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，工業傳動的交流輸出電壓值的范圍為O. 66KV至10KV。
6.根據權利要求5所述的組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，各級串聯蓄電池單元充滿電后總串聯電壓值不低于工業傳動的中間直流電壓值。
7.根據權利要求2所述的組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，正極充電開關和負極充電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。
8.根據權利要求I所述的組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，放電開關是可控類電力電子開關或由其構成的開關電路。
9.根據權利要求I所述的組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，放電開關是可控類電力電子無觸點開關或由其構成的開關電路。
專利摘要本實用新型提供一種組合充放電式中壓系統應急電源，其特征在于，包括至少兩級串聯蓄電池單元，當工作電源正常時，放電開關關斷，各級串聯蓄電池單元分別充電；當工作電源故障時、應急電源啟動放電，各串聯蓄電池單元串聯成一組蓄電池組放電。通過本實用新型的應急電源確保中壓交流動力系統能在任意設定時間內不停止工作，尤其是在突然斷電的情況下正常工作，從而使電網故障停電的損失降為“0”。
文檔編號H02J7/00GK202663180SQ20122005991
公開日2013年1月9日 申請日期2012年2月23日 優先權日2012年2月23日
發明者孫毅彪, 徐云勝, 范延勇, 劉娜 申請人:國彪電源集團有限公司