CN112039081A

CN112039081A - 大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统及控制方法

Info

Publication number: CN112039081A
Application number: CN202010662118.6A
Authority: CN
Inventors: 程秀成; 谈云恺; 陈宇曦; 成双峰; 张广泰
Original assignee: NR Electric Co Ltd; NR Engineering Co Ltd; Changzhou NR Electric Power Electronics Co Ltd
Current assignee: NR Electric Co Ltd; NR Engineering Co Ltd; Changzhou NR Electric Power Electronics Co Ltd
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2020-12-04

Abstract

本发明提供了一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统及控制方法。所述系统包括大功率交流电源机械稳压器和EPS系统，大功率交流电源机械稳压器将波动电源稳定输出，再采用EPS系统保证在电网停止供电后，电源系统能持续运行，保证关键设备不会因为突然断电而造成损坏，确保设备的长期稳定运转。

Description

大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统及控制方法

技术领域

本发明属于电力能源行业市场交易技术领域，具体涉及一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统及控制方法。

背景技术

随着社会的发展，用电设备与日俱增，但电力输配设施的老化和发展滞后，以及设计不良和供电不足等原因造成末端用户电压的过低，而线头用户则经常电压偏高，对用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密设备、电站关键运行设备影响很大，尤其是海外有些国家电网质量非常差，电压波动范围较宽，且常有断电现象，严重影响设备及电站的稳定运行，给当地政府居民带来了很多不便。

针对此种情况，为了保证电站的稳定运行并确保设备寿命，目前市场上常规的配置方案是选用不间断电源系统（UPS）。此方案虽然能满足电源的后备需求，在一定程度上也能满足电源波动输入的需求，一般允许范围±10%，但是当电源电压波动范围超过±10%时，UPS配置方案无法满足；且UPS整体方案价格昂贵，成本代价很高，不利于整个项目的设计，故难以在苛刻电源工况下得以应用，无论是从技术还是设计成本方面来看，都急需新技术新方案来完成。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统及控制方法，解决了现有技术中UPS不能满足电压波动超过±10%工况下的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统，其特征是，包括大功率交流电源机械稳压器与EPS系统串联连接，电网电源连接到稳压器输入端，稳压器输出端连接EPS输入端，EPS输出端连接负载。

进一步的，稳压器包括调压变压器、补偿变压器、伺服电机和控制系统，稳压器输入端电源与补偿变压器的二次绕组串联连接，补偿变压器的一次绕组与调压变压器的二次绕组连接，调压变压器的一次绕组接成Y 形，连接在稳压器的输出端；控制系统采集稳压器输入端电源，控制系统的输出端连接伺服电机，伺服电机的输出轴连接调压变压器。

进一步的，EPS系统包括整流模块、逆变模块和主控单元，输入端一路经过旁路接触器KM1连接输出端，另一路经过整流模块、逆变模块、逆变输出接触器KM2后连接输出端，其中逆变模块两端并联电池连接；主控单元用于检测电压采样、控制KM1、KM2闭合断开以及控制整流模块、逆变模块工作。

相应的，本发明还提供了一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统的控制方法，其特征是，波动的电网电源经过稳压器稳压形成稳定的电源，再将稳定的电源输入给EPS系统，EPS系统输出给负载。

进一步的，稳压器稳压的过程为：

针对电压波动对称工况：控制系统对输入电源取样、比较后，通过驱动电机转动带动调压变压器碳刷运动，进而改变了调压变压器线圈比，从而实现目标值稳定输出；

针对电压波动不对称工况：通过波动范围计算电压平衡点，通过对比供电电源电压与平衡点电压来调节变压器，确保电压稳定输出。

进一步的，所述通过波动范围计算电压平衡点，包括：

将电压波动范围的中间电位点设定为电压平衡点。

进一步的，EPS的工作过程为：

主控单元通过电压采样来判断电压供电正常时，KM1接触器吸合，电源直接输出；

主控单元电压采样检测到无压时，控制KM1断开并闭合KM2，同时向逆变模块发出指令进行逆变工作，将电池中储存的直流电逆变成交流电输出，保证系统稳定输出。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1）本发明通过采用大功率交流三相机械稳压器和EPS系统串联使用，对比常规不间断电源UPS，不但实现了能够快速调节电压弥补UPS不能宽范围调压缺陷，而且降低了整体方案的经济成本，提高了整个设计方案的稳定性；

2）本发明增加了稳压器在稳压系统中，电网供电电源电压宽范围波动时可以稳定输出电压。

附图说明

图1是本发明的大功率交流电源稳压器及带储能功能的电源系统连接图；

图2是本发明的稳压器电气原理图；

图3是本发明的稳压器单相稳压原理图；

图4是本发明的EPS电气原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

目前市场上常规大功率稳压器调压范围仅有±30%，当遇到更大波动范围±70%时，就无法满足，尤其是不对称波动更难解决，比如电压波动0.3pu~1.5pu（即低电压下限值下跌70%，高电压上限值上升50%）。本发明将大范围波动电压工况分为两种：第一种是上下限波动对称工况；第二种是上下限波动不对称工况。

第一种电压波动对称工况：如波动范围0.5pu~1.5pu，即±50%。这种工况由于电压震荡很大且幅度很大，单纯依靠现有稳压器中补偿变压器来稳压无法实现。

第二种电压波动不对称工况：如波动范围0.3pu~1.5pu，即-70%~+50%。举例说明：某项目电网系统额定电压380V，系统电压波动范围为114V~570V，即波动范围为0.3pu~1.5pu，负载是水泵，且当电网断电后系统能保持水泵运行至少10min。

针对以上情况，为了得到稳定的电压运行需要配置电源稳压系统。

本发明的发明构思是：本发明的一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统，参见图1所示，包括大功率交流电源机械稳压器（简称稳压器）与EPS（EMERGENCY POWERSUPPLY，应急电源）系统串联连接，电网电源连接到稳压器输入端，稳压器输出端连接EPS输入端，EPS输出端连接负载。其原理为：波动的电网电源经过机械稳压器稳压形成稳定的电源，再将稳定的电源输入给EPS系统，EPS系统输出给负载。

针对第一种电压波动对称工况：本发明中通过配置调压变压器、控制系统、伺服电机来实现。当电源输入后取样、比较，控制系统通过驱动电机转动带动调压变压器碳刷运动，碳刷运动之后就改变了调压变压器TVV线圈比，从而实现目标值稳定输出。

本发明中大功率交流电源机械稳压器稳压过程为：

稳压器采用单相控制稳压的方法来实现稳压。大功率交流电源机械稳压器的电路如图2所示，其中TVV为调压变压器、TB为补偿变压器、M为伺服电机、QF为稳压器输入断路器、Ai、Bi、Ci、N分别为稳压器输入端电源的A、B、C、N四相，Ao、Bo、Co、N分别为稳压器输出端电源的A、B、C、N四相，控制系统为稳压器进行数据采样、数据对比、信号输入、信号输出等关键部件。稳压器的连接关系为：稳压器输入端电源与补偿变压器TB的二次绕组串联连接，补偿变压器TB的一次绕组与调压变压器TVV的二次绕组连接，调压变压器TVV 的一次绕组接成Y形，连接在稳压器的输出断路器上。

现以A 相为例，说明其稳压工作原理，如图3所示，其中 U_ai为稳压器A 相输入电压、U_ao为稳压器A 相的输出电压、TBa为补偿变压器A相、U_Ba为A 相的补偿电压、TVV为调压变压器。调压变压器TVV 一次绕组连接在稳压器的A相输出端U_ao，二次绕组连接补偿变压器A相的一次绕组。

根据基尔霍夫电压定律可知：U_ao=U_ai+U_Ba；

其工作原理是：当A 相输入电压U_ai增加△U_ai 时，补偿电压U_Ba 也相应改变△U_Ba，且△U_Ba=-△U_ai，使A 相输出电压U_ao 保持不变。

同理B相、C相也相同。

针对第二种电压波动不对称工况：本发明的一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统，通过三步来实现稳压，具体包括：

第一步：根据电压波动范围设定新的平衡点。

将电压波动范围（0.3pu~1.5pu）的中间电位点0.9pu设定为新的平衡点，将不对称波动范围电压转化为对称波动范围电压。即将额定电压380转化成342V，342V为设定的平衡点电压，将此电压作为第一步调控目标。

第二步：将平衡点电压作为控制目标。

当电网电源接入时，稳压器控制器经过采样输入的电网电压与新的平衡点（342V）进行对比，当电网电压值大于平衡点电压值时，稳压器控制伺服电机正方向转动，使调压变压器降压输出平衡点电压；当电网电压等于平衡点电压值时，调压器不动作，直接输出平衡点电压；当电网电压小于平衡点电压时，稳压器控制伺服电机反方向转动，使调压变压器升压输出平衡点电压。

第三步：将平衡点电压342V调到额定电压380V，即1.0pu。

平衡点电压是根据工况虚拟的电压波动中心点电压，项目需求的是电网额定电压，即380V，需要将平衡点电压（342V）统一调整到380V输出，设备才可以正常使用。稳压器控制器检测到新的平衡点电压342V时，控制器再次驱动电机转动，带动碳刷升压调压至380V，确保额定电压稳定输出。

当电网电压经过大功率稳压器稳定输出之后，遇到电网断电时，不能保证关键设备持续运行，不能保证系统的长期运行。需要考虑配置储能设备，UPS由于价格高且体积大，不作为首选方案，经过市场调研，选择具有同等功能的EPS系统，EPS功能相似，且价格优惠，稳定性高。

为了确保在电网短时间断电情况下，系统仍能继续稳定运行，系统电源配置了EPS。如图4所示，EPS连接结构为：EPS输入端经过整流模块、逆变模块输出，其中整流模块与逆变模块串联连接，其中逆变模块两端并联电池连接。

整流模块：将输入的交流电源整流成直流电源；

逆变模块：将直流电逆变器成交流电输出；

KM1：旁路接触器，当输入电源不断电时，电源直接从KM1旁路输出，不经过整流模块、逆变模块；

KM2：逆变输出接触器，控制整流模块、逆变模块是否投入工作；

电池开关：用来断开电池与整流回路的连接，便于维修电池；

主控单元（CPU）：用来检测电压采样、控制KM1、KM2闭合断开、控制整流模块、逆变模块工作。可以采用现有技术中的CPU、MCU芯片来实现。

EPS的工作过程为：当电网供电系统正常供电时，EPS通过电压采样来判断电压供电正常，KM1接触器吸合，电源直接输出；当EPS电压采样检测到无压时，即电网系统断电，EPS控制KM1断开并闭合KM2，同时向逆变模块发出指令进行逆变工作，将电池中储存的直流电逆变成交流电输出，保证系统稳定输出。

由于工作原理的不同，EPS在电网供电正常时处于睡眠状态，EPS系统损耗可忽略不计，主机使用寿命也相对较长，且静置无噪音，这些优势在热损耗、噪音等方面对整体方案设计上有很大优势；UPS一旦开机就处于不断逆变-整流-逆变工作状态，损耗较大，转换效率较低，使用寿命相对较短，且噪音较大，不利于整个电站系统方案的设计。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统，其特征是，包括大功率交流电源机械稳压器与EPS系统串联连接，电网电源连接到稳压器输入端，稳压器输出端连接EPS输入端，EPS输出端连接负载。

2. 根据权利要求1所述的一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统，其特征是，稳压器包括调压变压器、补偿变压器、伺服电机和控制系统，稳压器输入端电源与补偿变压器的二次绕组串联连接，补偿变压器的一次绕组与调压变压器的二次绕组连接，调压变压器的一次绕组接成Y 形，连接在稳压器的输出端；控制系统采集稳压器输入端电源，控制系统的输出端连接伺服电机，伺服电机的输出轴连接调压变压器。

3.根据权利要求1所述的一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统，其特征是，EPS系统包括整流模块、逆变模块和主控单元，输入端一路经过旁路接触器KM1连接输出端，另一路经过整流模块、逆变模块、逆变输出接触器KM2后连接输出端，其中逆变模块两端并联连接电池；主控单元用于检测电压采样、控制KM1、KM2闭合断开以及控制整流模块、逆变模块工作。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统的控制方法，其特征是，波动的电网电源经过稳压器稳压形成稳定的电源，再将稳定的电源输入给EPS系统，EPS系统输出给负载。

5.根据权利要求4所述的一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统的控制方法，其特征是，稳压器稳压的过程为：

针对电压波动对称工况：控制系统对输入电源取样、比较后，通过驱动电机转动带动调压变压器碳刷运动，进而改变了调压变压器的线圈比，从而实现目标值稳定输出；

6.根据权利要求5所述的一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统的控制方法，其特征是，所述通过波动范围计算电压平衡点，包括：

将电压波动范围的中间电位点设定为电压平衡点。

7.根据权利要求4所述的一种大功率交流电源稳压及带储能功能的电源系统的控制方法，其特征是，EPS的工作过程为：

主控单元通过电压采样来判断电压供电正常时，控制接触器KM1吸合，电源直接输出；

主控单元电压采样检测到无压时，控制KM1断开并闭合KM2，同时向逆变模块发出指令以使逆变模块进行逆变工作，将电池中储存的直流电逆变成交流电输出。