專利名稱：一種新型多功能應急電源系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種與交流電力電網直接連接的應急電源系統。
背景技術：
應急電源系統(EPS)可以在電網斷電時提供應急電源，同時也可以改善用電條件。現有技術的應急電源系統多種多樣，圖1所示的是一種應急電源系統的電路圖，從圖1中可以明顯的看出現有應急電源系統存在的不足，主要表現在系統主電路結構復雜，蓄電池的充電和逆變分別采用兩套不同的電路，而且充電電路和逆變電路的電流流向都是單方向的；控制電路結構較為復雜，成本高；沒有采用功率因數校正技術和有源濾波技術，系統給蓄電池充放電時，對電網有污染；在市電正常時，系統不具備蓄電池的在線放電功能，無法提供蓄電池的在線測試；蓄電池沒有采用較科學的管理模式；使用了體積龐大的工頻變壓器，增加了由變壓器帶來的損耗。
實用新型內容為了克服上述現有技術的不足，本實用新型提供一種新型多功能應急電源系統，該電源系統在電網正常時，可以實現蓄電池的在線充放電，同時校正充放電電流的功率因素，也可以補償負載的諧波電流，改善交流輸入端的功率因素，改善電網質量；電網斷電時，給負載提供理想的交流電，該系統有較強的控制功能，其電路結構簡單、性能穩定、成本低、控制精度高、功能強大，省去了體積龐大的工頻變壓器，減少了由變壓器帶來的損耗，提高了系統的整機變換效率。
本實用新型提供以下技術方案一種新型多功能應急電源系統，由主電路和控制電路連接構成，主電路的交流端1連接交流電源的電力電網電路，交流端3連接負載Z，控制電路由控制器13連接驅動裝置12構成，蓄電池11是主電路的備用電源，主電路的AC/DC雙向變換器6的電路結構是由多個功率開關元件構成的功率橋路，功率橋路功率開關元件的控制極連接驅動裝置12，功率開關元件分別并聯連接有反向二極管，AC/DC雙向變換器6的輸出通過無源濾波器連接蓄電池11，雙向變換器6分為交流端和直流端，所述控制電路連接有電流電壓取樣元件，其電流電壓取樣元件由第一電流傳感器14、第二電流傳感器15、第一電壓傳感器16和第二電壓傳感器17構成，第一電流傳感器14的輸出、第二電流傳感器15的輸出、第一電壓傳感器16的輸出、第二電壓傳感器17的輸出分別連接控制器13，第一電壓傳感器16的輸入與交流輸入端1并聯連接，第二電壓傳感器17的輸入與蓄電池11并聯連接，所述AC/DC雙向變換器6交流端的相電位端通過串接無源升降壓濾波器的電感5連接交流輸入端1，無源升降壓濾波器由電感5和電容4組成，電容4并聯連接在交流輸入端1和AC/DC雙向變換器6交流端的零電位端之間，無源升降壓濾波器和第一電壓傳感器16輸入的相電位端和交流輸入端1的連接是同一個電路拓撲節點A，第一電流傳感器14的輸入連接在交流輸入端1的電路拓撲節點A與交流端3之間的電力線路上，第二電流傳感器15的輸入連接在AC/DC雙向變換器6交流端與無源升降壓濾波器相連接的線路上，AC/DC雙向變換器6直流端通過串接無源濾波器并聯連接蓄電池11。
所述交流輸入電源可以是單相交流電源或三相交流電源。
所述AC/DC雙向變換器6是單相全橋功率橋路，由四個功率開關元件S1、S2、S3、S4構成，功率橋路功率開關元件S1、S2、S3、S4的控制極連接驅動裝置12，四個功率開關元件S1、S2、S3、S4分別并聯連接有反向二極管D1、D2、D3、D4，全橋交流的相電位端通過串接無源升降壓濾波器的電感L1連接交流輸入端1，電感L1連接交流輸入端1的節點通過無源升降壓濾波器的電容C1連接全橋的另一個輸入端并接交流電源零電位端。
所述AC/DC雙向變換器6是單相半橋功率橋路，由兩個功率開關元件S1、S2構成，半橋功率開關元件S1、S2的控制極連接驅動裝置12，兩個功率開關元件S1、S2分別并聯連接有反向二極管D1、D2。
所述AC/DC雙向變換器6是三相全橋功率橋路，功率橋路由六個功率開關元件S1、S2、S3、S4、S5、S6構成，功率開關元件S1、S2、S3、S4、S5、S6的控制極連接驅動裝置12，六個功率開關元件S1、S2、S3、S4、S5、S6分別并聯連接有反向二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6，全橋的三相交流端分別通過串接無源升降壓濾波器的電感L1、L2、L3連接三相交流電源的交流輸入端1的三相交流端子，其連接節點分別通過無源升降壓濾波器的電容C1、C2、C3和交流電源零電位端。
所述主電路的交流輸入端1與電路拓撲節點A之間通過第一切換裝置2的第一組觸點連接，第一切換裝置2的第二組觸點直接連接交流輸入端1和交流輸出端3，第一組觸點和第二組觸點呈開/合狀態的反向邏輯關系，交流輸入端1連接在第一組觸點和第二組觸點的公共觸點上。
所述無源濾波器同蓄電池之間連接有第二切換裝置10，在必要時第二切換裝置10可以省去。
同理，用于系統故障維護的第一切換裝置2也可以省去。
所述無源濾波器可以是由一個電感和兩個電容連接而成的π濾波器，或是其它形式的濾波器。
蓄電池11通過雙向變換器6、電感5和電容4并聯連接在電路拓撲節點A點，交流輸入端1、交流輸出端3和應急電源系統在A點實現了功率平衡。
本實用新型的優點有該應急電源系統采用了一組功率橋路來實現充放電和逆變功能，并由電壓和電流取樣回路連接控制器，控制器將處理后的結果傳送給驅動裝置，控制功率橋開關元件的通斷和電流電壓相位關系，實現充放電、逆變和調整功率因素以及電網無功和諧波補償功能的目的，整個控制過程形成了一種在線檢測和在線控制的有效應變機制，電路結構簡單而有效。系統不再設計使用專用的充電電路，應急電源系統可以在電網有電時，將蓄電池的電量逆變回電網，稱為在線放電，此功能有2項好處一是EPS作為后備式系統，平時不投入使用，加入此功能可以提供系統的在線定時測試，提前維護系統；二是可以在電網負載谷時將電能存儲，在電網負載峰時利用起來；應急電源系統可以通過控制充放電電流使系統的輸入功率因數接近1或-1，對電網不會造成污染；應急電源系統還具有電網的無功和諧波補償功能，本實用新型電路中使用的電流和電壓取樣信號傳送給控制器時，控制器處理后，發出指令給驅動電路，控制全橋電路開關管的通斷，達到有源濾波和蓄電池充放電的目的，控制精度很高，圖15-18是調整后的波形圖，從電流和電壓的相位關系可以看出功率因素得到了調整；在線時，如果電網正常，可以將系統投入到電網進行無功和諧波的治理；對用戶提供較大的附加值；應急電源系統省去了體積龐大的工頻變壓器，減少了由變壓器帶來的損耗，提高了系統的整機變換效率；所述應急電源系統通過根據蓄電池的特性曲線，有規律地控制蓄電池的充放電電流，可以科學地管理蓄電池，提高蓄電池的壽命。應急電源系統所采用的電路拓撲適合中大型EPS系統，系統越大，該電路的優點越突出。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
圖1是本實用新型應急電源系統提出以前，傳統應急電源系統的結構框圖。
圖2是本實用新型應急電源系統的原理框圖。
圖3是本實用新型單相應急電源系統一個實施例的結構框圖。
圖4是圖3單相全橋主電路的簡化電路圖。
圖5是圖3中單相半橋主電路的簡化電路圖。
圖6是圖2中三相全橋主電路的簡化電路圖。
圖7是圖2中控制電路的原理框圖。
圖8是圖4中正半波充電工作回路。
圖9是圖4中負半波充電工作回路。
圖10是圖4中正半波放電工作回路。
圖11是圖4中負半波放電工作回路。
圖12是圖4中正半波逆變工作回路。
圖13是圖4中負半波逆變工作回路。
圖14是所述應急電源系統作有源濾波時的工作電路。
圖15是蓄電池充電時交流輸入電壓與充電電流的波形圖。
圖16是蓄電池在線放電時交流輸入電壓與放電電流的波形圖。
圖17是所述應急電源系統作有源濾波器使用時，電網輸入電流、非線性負載電流和應急電源系統補償電流的波形圖。
圖18是蓄電池逆變時交流輸出電壓與輸出電流的波形圖。
具體實施方式
參見圖2，一種新型多功能應急電源系統由主電路和控制電路連接構成，主電路的交流輸入端1連接交流輸入電源的電力電網電路，交流輸出端3連接負載Z，控制電路由控制器13連接驅動裝置12構成，蓄電池11是主電路的備用電源，主電路的AC/DC雙向變換器6的電路結構是由多個功率開關元件構成的功率橋路，功率橋路功率開關元件的控制極連接驅動裝置12，功率開關元件分別并聯連接有反向二極管，AC/DC雙向變換器6的輸出通過無源濾波器連接蓄電池11，所述控制電路連接有電流電壓取樣元件，其電流電壓取樣元件由第一電流傳感器14、第二電流傳感器15、第一電壓傳感器16和第二電壓傳感器17構成，第一電流傳感器14的輸出、第二電流傳感器15的輸出、第一電壓傳感器16的輸出、第二電壓傳感器17的輸出分別連接控制器13，第一電壓傳感器16的輸入與交流輸入端1連接，第二電壓傳感器17的輸入與蓄電池11并聯連接，AC/DC雙向變換器6的交流端的相電位端通過串接無源升降壓濾波器的電感5連接交流輸入端1，無源升降壓濾波器由電感5和電容4組成，電容4并聯連接在交流輸入端1和AC/DC雙向變換器6交流端的零電位端之間，無源升降壓濾波器和第一電壓傳感器16輸入端的相電位端同交流輸入端1的連接是同一個電路拓撲節點A，第一電流傳感器14的輸出端連接在交流輸入端1的電路拓撲節點A與交流輸出端3之間的電力線路上，第二電流傳感器15的輸出端連接在AC/DC雙向變換器6的交流端與無源升降壓濾波器相連接的線路上，AC/DC雙向變換器6的直流端通過串接無源濾波器并聯連接蓄電池11。
參見圖3，交流輸入電源可以是單相交流電源，參見圖4，AC/DC雙向變換器6可以是單相全橋功率橋路，參見圖5，AC/DC雙向變換器6可以是單相半橋功率橋路；參見圖6，交流輸入電源可以是三相交流電源，AC/DC雙向變換器6是三相全橋功率橋路。
參見圖3，圖3是單相交流電源應急電源系統的一個實施例，該實施例清楚的展示了AC/DC雙向變換器6同應急電源系統的電流電壓取樣元件、無源濾波器、控制器、驅動裝置、無源升降壓濾波器的連接關系，主電路的交流輸入端1與電路拓撲節點A之間通過第一切換裝置2的第一組觸點連接，第一切換裝置2的第二組觸點直接連接交流輸入端1和交流輸出端3，第一組觸點和第二組觸點呈開/合狀態的反向邏輯關系，交流輸入端1連接在第一組觸點和第二組觸點的公共觸點上，第一切換裝置2用以控制應急電源系統同電力電網和負載的電連接，在維護應急電源系統時，旁路接通負載Z同交流輸入端1的電連接，無源濾波器同蓄電池之間連接有第二切換裝置10，第二切換裝置10用以控制蓄電池同應急電源系統的電連接，無源濾波器由一個電感8和兩個電容7、9連接而形成π濾波器。
參見圖3、圖4，單相全橋功率橋路由四個功率開關元件S1、S2、S3、S4構成，功率橋路功率開關元件S1、S2、S3、S4的控制極連接驅動裝置12，四個功率開關元件S1、S2、S3、S4分別并聯連接有反向二極管D1、D2、D3、D4，全橋的交流端通過串接無源升降壓濾波器的電感L1連接交流輸入端1，電感L1連接交流輸入端1的節點通過無源升降壓濾波器的電容C1連接全橋的另一個交流端和交流電源零電位端。
參見圖5，單相半橋功率橋路由兩個功率開關元件S1、S2構成，功率橋路功率開關元件S1、S2的控制極連接驅動裝置12，兩個功率開關元件S1、S2分別并聯連接有反向二極管D1、D2。
參見圖6，三相全橋功率橋路由六個功率開關元件S1、S2、S3、S4、S5、S6構成，功率開關元件S1、S2、S3、S4、S5、S6的控制極連接驅動裝置12，六個功率開關元件S1、S2、S3、S4、S5、S6分別并聯連接有反向二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6，電橋的三相交流端分別通過串接無源升降壓濾波器的電感L1、L2、L3連接三相交流電源的交流輸入端1的三相輸入端子，其連接節點分別通過無源升降壓濾波器的電容C1、C2、C3接交流電源零電位端。
由附圖可見，蓄電池11通過雙向變換器6、電感5和電容4并聯連接在電路拓撲節點A點，交流輸入端1、交流輸出端3和應急電源系統在A點實現了功率平衡。
參見圖2、圖3、圖7，應急電源系統的充電回路的設計采用Boost升壓電路，放電回路采用Buck降壓電路，并結合有源功率因數校正技術和有源濾波技術。主電路采用功率橋路來實現充放電和逆變功能，控制器的功能框圖如圖7所示，控制器可以采用模擬電路控制，也可采用數模混合或全數字電路控制。
以下結合附圖說明單相應急電源系統的工作過程。
參見圖8、圖9，充電電路的工作過程主要就是控制S3和S4兩個功率開關管，來實現給蓄電池升壓充電和功率因數校正的目的。當輸入電壓為正時，充電線路如圖8所示。由L1、D1、D4及S3組成Boost升壓電路。充電電流流過路徑為L1-D1-蓄電池-D4。當輸入電壓為負時，充電線路如圖9所示。由L1、D2、D3及S4組成Boost升壓電路。充電電流流過路徑為D2-蓄電池-D3-L1。
參見圖10、圖11，放電電路的工作過程主要就是控制S1、S4和S2、S3四個功率開關管，來實現給蓄電池在線放電和功率因數校正的目的。當交流輸入電壓為正時，放電線路如圖10所示。由S1、L1、D3及S4組成Buck降壓電路，放電電流流過路徑為蓄電池-S1-L1-交流電網-S4-蓄電池。當交流輸入電壓為負時，放電線路如圖11所示。由S2、L1、D4及S3組成Buck降壓電路，放電電流流過路徑為蓄電池-S2-L1-交流電網-S3-蓄電池。
參見圖12、圖13、圖18，逆變電路的工作過程主要就是控制S1、S4和S2、S3四個功率開關管，來實現將蓄電池的直流電壓變換成高精度的交流電壓輸出給交流電負載。當交流輸出電壓為正時，逆變線路如圖12所示。逆變電流流過路徑為蓄電池-S1-L1-交流電負載-S4-蓄電池。當交流輸出電壓為負時，逆變線路如圖13所示。逆變電流流過路徑為蓄電池-S2-L1-交流電負載-S3-蓄電池。圖18是蓄電池逆變時交流輸出電壓與輸出電流的波形圖。
參見圖15、圖16，應急電源系統的功率因數校正不采用乘法器，而是通過單片機來實現。首先把輸入電壓、電流和蓄電池的電壓檢測信號送到單片機，經過處理后，單片機發出指令信號給驅動電路，控制全橋電路中功率開關管的開通與關斷，達到功率因數校正和給蓄電池充放電的目的。功率因數校正的目標一是使輸入電流與輸入電壓同相位；二是使輸入電流正弦化。在本系統中，為了達到這個目的，控制電路中給出了與輸入電壓同相位的正弦電流，即基準電流。基準電流與變換器輸入、電流進行誤差的比例積分運算，再與三角波進行比較產生SPWM波，控制相應功率開關管的開通和關斷，從而達到功率因數校正和升壓充電的目的。結果送入邏輯電路，經過一系列邏輯運算后，給開關管的驅動電路發送驅動信號，控制全橋電路中開關管的開通和關斷。圖15是蓄電池充電時交流輸入電壓與充電電流的波形圖。圖16是蓄電池在線放電時交流輸入電壓與放電電流的波形圖。
參見圖14、圖17，應急電源系統采用有源濾波技術，實現了非線性負載的諧波和無功電流的補償功能，使電網的輸入功率因數接近1。所述應急電源系統作有源濾波時的工作電路如圖14所示，圖17是所述應急電源系統作有源濾波器使用時，電網輸入電流、非線性負載電流和應急電源系統補償電流的波形圖。
參見圖7，圖7是控制電路的功能框圖，應急電源系統中控制電路的各種功能信號的綜合和運算是通過單片機實現的，通過邏輯電路進行各功能之間的切換。
權利要求1.一種新型多功能應急電源系統，由主電路和控制電路連接構成，主電路的交流輸入端(1)連接交流輸入電源的電力電網電路，交流輸出端(3)連接負載(Z)，控制電路由控制器(13)連接驅動裝置(12)構成，蓄電池(11)是主電路的備用電源，主電路的AC/DC雙向變換器(6)的電路結構是由多個功率開關元件構成的功率橋路，功率橋路中功率開關元件的控制極連接驅動裝置(12)，功率開關元件分別并聯連接有反向二極管，AC/DC雙向變換器(6)的輸出通過無源濾波器連接蓄電池(11)，雙向變換器6分為交流端和直流端，其特征在于所述控制電路連接有電流電壓取樣元件，其電流電壓取樣元件由第一電流傳感器(14)、第二電流傳感器(15)、第一電壓傳感器(16)和第二電壓傳感器(17)構成，第一電流傳感器(14)的輸出、第二電流傳感器(15)的輸出、第一電壓傳感器(16)的輸出、第二電壓傳感器(17)的輸出分別連接控制器(13)，第一電壓傳感器(16)的輸入與交流輸入端(1)連接，第二電壓傳感器(17)的輸入與蓄電池(11)并聯連接；所述AC/DC雙向變換器(6)的交流端的相電位端通過串接無源升降壓濾波器的電感(5)連接交流輸入端(1)，無源升降壓濾波器由電感(5)和電容(4)組成，電容(4)并聯連接在交流輸入端(1)和AC/DC雙向變換器(6)交流端的零電位端之間，無源升降壓濾波器和第一電壓傳感器(16)輸入端的相電位端同交流輸入端(1)的連接是同一個電路拓撲節點(A)，第一電流傳感器(14)的輸入連接在交流輸入端(1)的電路拓撲節點(A)與交流輸出端(3)之間的電力線路上，第二電流傳感器(15)的輸入連接在AC/DC雙向變換器(6)的交流端與無源升降壓濾波器相連接的線路上，AC/DC雙向變換器(6)的直流端通過串接無源濾波器并聯連接蓄電池(11)。
2.根據權利要求1所述的新型多功能應急電源系統，其特征在于所述交流輸入電源是單相交流電源。
3.根據權利要求1所述的新型多功能應急電源系統，其特征在于所述交流輸入電源是三相交流電源。
4.根據權利要求2所述的新型多功能應急電源系統，其特征在于所述AC/DC雙向變換器(6)是單相全橋功率橋路，由四個功率開關元件(S1、S2、S3、S4)構成，功率橋路功率開關元件(S1、S2、S3、S4)的控制極連接驅動裝置(12)，四個功率開關元件(S1、S2、S3、S4)分別并聯連接有反向二極管(D1、D2、D3、D4)，全橋的交流相電位端通過串接無源升降壓濾波器的電感(L1)連接交流輸入端(1)，電感(L1)連接交流輸入端(1)的節點通過無源升降壓濾波器的電容(C1)連接全橋的另一個輸入端并接交流電源零電位端。
5.根據權利要求2所述的新型多功能應急電源系統，其特征在于所述AC/DC雙向變換器(6)是單相半橋功率橋路，由兩個功率開關元件(S1、S2)構成，功率橋路功率開關元件(S1、S2)的控制極連接驅動裝置(12)，兩個功率開關元件(S1、S2)分別并聯連接有反向二極管(D1、D2)。
6.根據權利要求3所述的新型多功能應急電源系統，其特征在于所述AC/DC雙向變換器(6)是三相全橋功率橋路，功率橋路由六個功率開關元件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)構成，功率開關元件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)的控制極連接驅動裝置(12)，六個功率開關元件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)分別并聯連接有反向二極管(D1、D2、D3、D4、D5、D6)，全橋的三相輸入端分別通過串接無源升降壓濾波器的電感(L1、L2、L3)連接三相交流電源的交流輸入端(1)的三相輸入端子，其連接節點分別通過無源升降壓濾波器的電容(C1、C2、C3)接地。
7.根據權利要求1所述的新型多功能應急電源系統，其特征在于所述主電路的交流輸入端(1)與電路拓撲節點(A)之間通過第一切換裝置(2)的第一組觸點連接，第一切換裝置(2)的第二組觸點直接連接交流輸入端(1)和交流輸出端(3)，第一組觸點和第二組觸點呈開/合狀態的反向邏輯關系，交流輸入端(1)連接在第一組觸點和第二組觸點的公共觸點上。
8.根據權利要求1所述的新型多功能應急電源系統，其特征在于所述無源濾波器同蓄電池之間連接有第二切換裝置(10)。
9.根據權利要求1所述的新型多功能應急電源系統，其特征在于所述無源濾波器是由一個電感和兩個電容連接而成的π濾波器。
專利摘要一種新型多功能應急電源系統，涉及一種與交流電網直接連接的應急電源系統。該應急電源連接在交流輸入端(1)和交流負載(Z)之間，由控制器、電流電壓取樣回路、無源升降壓濾波電路和AC/DC雙向變換器(6)組成，蓄電池(11)通過雙向變換器(6)并聯接入交流輸入端(1)，在控制器(13)的控制下實現如下功能電網正常時，雙向變換器實現蓄電池(11)的在線充放電；同時將充放電電流的功率因數校正為接近1或－1；在線充放電的同時，補償負載的諧波電流，使交流輸入端(1)的功率因數接近1；斷電時，雙向變換器(6)輸出高精度的交流電壓供給交流電負載(Z)；實現蓄電池11的科學管理。該電源具備有效的控制功能，可以較好的應用在交流電網不間斷電源領域。
文檔編號H02J7/00GK2652010SQ0327972
公開日2004年10月27日 申請日期2003年9月18日 優先權日2003年9月18日
發明者劉瑞東 申請人:北京動力源科技股份有限公司