一种直流双电源平滑切换控制装置的制作方法

1.本发明属于电力电子技术和inv一体化不间断电源技术领域，具体涉及一种直流双电源平滑切换控制装置。


背景技术：

2.双电源切换电路在电力行业内广泛应用，设计简单，可靠性高；直流双电源切换装置目前不少都采用二极管切换模式，并且都是利用二极管“正向导通，反向截至”的特性并联供电；但二极管切换装置本身的特点使得直流系统双母线无法完全独立，存在一定运行风险，给设备运行维护带来一定的不便；这种方式在理论上实现了双路直流电源的自动切换，在一定程度上可实现供电可靠性，但二极管的特性使得两路电源并没有实现完全的电气隔离；此外，由于二极管切换回路的存在，当任一负荷发生接地短路事故时，两套直流系统的绝缘监测装置会同时发出接地信号，加大了查找接地点的难度；且传统的双电源切换大都采用硬切换方式，即主电源发生故障时，检测电路检测到主电路失压的情况，直接切换至备用电路，由辅助电源为负载供电；这种切换方式虽然在一定程度上提高了直流电源设备运行的可靠性，但切换过程中会造成负载供电的短时中断，和波形的畸变，影响inv电力逆变器等一体化不间断电源供电的一些敏感负载的安全可靠运行；因此，提供一种解决电子旁路供电质量不高的问题、避免敏感负荷失电、始终进行不间断高质量供电、保证电力系统的安全稳定运行的一种直流双电源平滑切换控制装置是非常有必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种解决电子旁路供电质量不高的问题、避免敏感负荷失电、始终进行不间断高质量供电、保证电力系统的安全稳定运行的一种直流双电源平滑切换控制装置。
4.本发明的目的是这样实现的：一种直流双电源平滑切换控制装置，它包括inv电力逆变器系统和直流双电源无缝切换装置，所述的inv电力逆变器系统包括维修旁路开关、电子旁路开关、直流输入开关、逆变模块、静态开关、输出开关、负载、至少两个蓄电池组以及蓄电池组开关，所述的市电输入分别通过维修旁路开关、电子旁路开关与负载、静态开关连接，所述的静态开关通过输出开关与负载连接，所述的蓄电池组通过蓄电池组开关与直流双电源无缝切换装置连接，所述的直流双电源无缝切换装置通过直流输入开关与逆变模块连接，所述的逆变模块与静态开关连接。
5.所述的直流双电源无缝切换装置安装在inv电力逆变器系统的直流输入侧，所述的直流双电源无缝切换装置包括检测模块、信号采集模块、控制模块、切换模块、驱动模块、通信模块和报警模块。
6.所述的切换模块、检测模块、信号采集模块通过通过蓄电池组开关与蓄电池组连接，所述的检测模块、信号采集模块与控制模块连接，所述的控制模块分别与切换模块、通信模块连接，所述的切换模块与驱动模块连接，所述的驱动模块分别与通信模块、逆变模块
连接，所述的通信模块分别与控制模块、驱动模块、报警模块连接。
7.所述的直流双电源无缝切换装置采用双路输入且每一路输入均用两个开关管来控制电路的通断；所述的开关管包括至少一个不带反并联二极管的igbt。
8.所述的开关管相应的引脚与控制模块的输出连接，根据输出的状态分别来控制开关管的通断；所述的直流双电源无缝切换装置的一路输出线上串联接入一根用于检测输出电流的康铜丝；所述的直流双电源无缝切换装置的两路输出主电路上串接一组用于区分主用与备用的二极管；所述的直流双电源无缝切换装置的输出正负极间连接续流二极管。
9.所述的检测模块包括输入电压检测电路和输出电流检测电路，所述的电压检测电路采用双路输入电压值检测电路且每一路检测电路均包括用于分压的电阻、至少两个跟随器、至少两个积分器、至少一个线性光耦。
10.所述的输出电流检测电路包括差分放大器和电压跟随器。
11.所述的控制模块采用dsp单片机芯片。
12.所述的直流双电源无缝切换装置采用基于负反馈的平滑切换控制策略，使两路直流电的互切时间在负荷允许的欠压时间内完成。
13.本发明的有益效果：本发明为一种直流双电源平滑切换控制装置，在使用中，本发明将传统的inv电力逆变器进行改造，将inv电力逆变器增加一组蓄电池作为直流输入，两路直流输入经平滑切换装置输出至逆变模块，避免一组蓄电池故障后负荷经电子旁路供电，保障重要负荷供电的安全可靠性；本发明解决了传统的inv电力逆变器蓄电池故障后，电子旁路供电质量不高的问题；本发明的平滑切换装置避免了敏感负荷可能存在的失电的问题，始终对变电站中重要负荷进行不间断高质量供电，进而保证电力系统的安全稳定运行；本发明具有解决电子旁路供电质量不高的问题、避免敏感负荷失电、始终进行不间断高质量供电、保证电力系统的安全稳定运行的优点。
附图说明
14.图1为本发明的inv电力逆变器工作原理图。
15.图2为本发明的加装直流双电源平滑切换装置的inv原理图。
16.图3为本发明的直流双电源平滑切换装置原理图。
17.图4为本发明的直流双电源平滑切换装置电路图。
18.图5为本发明的切换装置主电路图。
19.图6为本发明的输入电压检测电路示意图。
20.图7为本发明的输出电流检测电路示意图。
21.图8为本发明的控制模块电路示意图。
22.图9为本发明的基于负反馈的平滑切换控制示意图。
23.图10为本发明的基于负反馈的平滑切换控制电路图。
24.图11为本发明的直流双电源平滑切换装置的电路板示意图。
25.图12为本发明的装置底座示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做进一步的说明。
27.实施例1
28.如图1-12所示，一种直流双电源平滑切换控制装置，它包括inv电力逆变器系统和直流双电源无缝切换装置，其特征在于：所述的inv电力逆变器系统包括维修旁路开关、电子旁路开关、直流输入开关、逆变模块、静态开关、输出开关、负载、至少两个蓄电池组以及蓄电池组开关，所述的市电输入分别通过维修旁路开关、电子旁路开关与负载、静态开关连接，所述的静态开关通过输出开关与负载连接，所述的蓄电池组通过蓄电池组开关与直流双电源无缝切换装置连接，所述的直流双电源无缝切换装置通过直流输入开关与逆变模块连接，所述的逆变模块与静态开关连接。
29.所述的直流双电源无缝切换装置安装在inv电力逆变器系统的直流输入侧，所述的直流双电源无缝切换装置包括检测模块、信号采集模块、控制模块、切换模块、驱动模块、通信模块和报警模块。
30.所述的切换模块、检测模块、信号采集模块通过通过蓄电池组开关与蓄电池组连接，所述的检测模块、信号采集模块与控制模块连接，所述的控制模块分别与切换模块、通信模块连接，所述的切换模块与驱动模块连接，所述的驱动模块分别与通信模块、逆变模块连接，所述的通信模块分别与控制模块、驱动模块、报警模块连接。
31.在本实施例中，一体化不间断电源是站内交直流系统的重要组成部分，为变电站的监控计算机、数据专网、火灾报警系统、二次安防系统、绝缘油监测系统、通信交换机、电压监测仪等重要负荷提供安全可靠的交流电；ups、inv电源设备等一体化不间断电源一方面作为应急使用，防止重要的用电负荷因突然断电而影响设备正常工作，给用电设备造成损害；另一方面可以消除市电的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为用电设备提供高质量的电源；如图1所示的模块化inv电力逆变器系统的工作原理图，正常工作时，蓄电池经逆变模块为负载提供高质量的正弦波，若蓄电池组出现故障无法输出电流，另一路市电通过输出开关为负载直接供电，保障了负载的不间断供电；然而在现场工作过程中，目前运行的蓄电池质量存在严重问题，相当一部分蓄电池在投运1至2年后就出现容量不足的情况，更有一些蓄电池在运行4至5年后出现断格现象；当交流消失后一旦蓄电池组出现问题，一体化不间断电源设备的供电负载将只能通过电子旁路供电，交流电的质量难以满足重要二次安防系统、数据专网等重要负荷的要求，对电力系统安全稳定运行构成了重大威胁，因此对一体化不间断电源设备加以改造，在其直流输入侧增加一组蓄电池输入，并安装直流双电源无缝切换装置，当其中一组蓄电池组因故障无法输出电流时，另一组蓄电池作为备用直流电源可以迅速投入使用，实现直流供电的无缝衔接，保障了重要负荷的安全稳定运行；
32.目前220kv变电站直流电源系统大多采用“两充两电”的配置方式，110kv变电站经过直流双重化改造后直流系统的配置方式与220kv变电站相同；本发明通过对inv电力逆变器等一体化不间断电源的直流输入进行改造，增加一组备用蓄电池，并在直流输入侧安装直流双电源无缝切换装置，使得当其中一组蓄电池出现容量不足，接地故障或者断格等无法输出电流的情况，另一组蓄电池可以迅速投入运行，保证重要负荷的安全稳定运行；如图2所示的加装直流双电源平滑切换装置后的inv电源工作原理图，inv设备正常运行时，蓄电池组开关1、蓄电池组开关2、直流输入开关、电子旁路开关、输出开关均处于闭合状态，正常运行时蓄电池组1为直流电源的主输入，经直流双电源无缝切换装置和逆变模块继续为负
载供电；若蓄电池组1发生失电故障，直流双电源无缝切换装置可以另一路直流电源迅速投入，故障恢复后，负荷可以自动切换回原电源；改造后的两组蓄电池电源完全独立，发生直流接地故障时不会影响到另一路直流接地系统，且本发明的直流双电源无缝切换装置采用平滑切换算法，可以使两路直流电的互切时间在负荷允许的欠压时间内完成；
33.如图3所示的直流双电源平滑切换装置原理图，检测模块实时检测蓄电池组的端电压，将检测信号传至控制模块；控制模块中微处理器处理信号，判断是否切换直流供电电源，并将采集到的两个蓄电池组的电压电流信号送至切换模块；若主蓄电池组出现失压故障，切换电路触发驱动模块，备用蓄电池组为重要负荷供电，同时控制模块通过通信模块发出报警信息。
34.所述的直流双电源无缝切换装置采用双路输入且每一路输入均用两个开关管来控制电路的通断；所述的开关管包括至少一个不带反并联二极管的igbt。
35.所述的开关管相应的引脚与控制模块的输出连接，根据输出的状态分别来控制开关管的通断；所述的直流双电源无缝切换装置的一路输出线上串联接入一根用于检测输出电流的康铜丝；所述的直流双电源无缝切换装置的两路输出主电路上串接一组用于区分主用与备用的二极管；所述的直流双电源无缝切换装置的输出正负极间连接续流二极管。
36.在本实施例中，如图5所示的切换装置的主电路图，直流双电源无缝切换装置采用双路输入，每一路输入均用两个开关管来控制电路的通断；图5中的v1、v2、v3、v4是四个不带反并联二极管的igbt，控制部分的输出连接到相应的开关管引脚，系统根据输出的状态分别来控制这几个开关管的通断；输出线上串联接入一根康铜丝用于检测输出电流；输出主电路上串接一组二极管，区分主用与备用；输出正负极间加续流二极管，满足带感性负载的要求；该切换装置可在电路欠压、过压、失电、短路时，将其所带负载自动切换到正常电源一侧，以确保重要负荷的安全可靠不间断的运行。
37.所述的检测模块包括输入电压检测电路和输出电流检测电路，所述的电压检测电路采用双路输入电压值检测电路且每一路检测电路均包括用于分压的电阻、至少两个跟随器、至少两个积分器、至少一个线性光耦。
38.在本实施例中，如图6所示的输入电压检测电路图，电压检测电路带有隔离的作用和降压的作用，可以用来检测第一路输入电压值的大小；该电路首先用电阻进行分压，得到所需的一个电压值，然后经过一个跟随器和一个积分器，将线性电压送入线性光耦进行隔离，最后再经过一个积分器和一个跟随器，输出电压；同理，第二路输入电压检测电路和第一路(即a路)的完全一样，用来检测第二路输入电压值的大小。
39.所述的输出电流检测电路包括差分放大器和电压跟随器。
40.在本实施例中，如图7所示的输出电流检测电路，用来检测主电路的输出电流值大小；该电路主要由两部分组成，前面是一个差分放大器，后面是一个电压跟随器；通过对蓄电池开路原因的分析，决定通过在蓄电池组内置保护电路，将继电保护的原理和思想应用在解决蓄电池组开路问题，通过分析采集的蓄电池组的内置、端电压及蓄电池组电压等变化量，判断蓄电池组是否存在开路，若存在开路的情况，该防开路蓄电池自动短接自身以保证整个蓄电池组的电压和容量；
41.所述的控制模块采用tms320型dsp单片机芯片。
42.在本实施例中，如图8所示的控制电路模块示意图，控制电路采用tms320型dsp单
片机芯片，该单片机内部带0位ad，可以使用内部晶振；带pwm接口和串口通信，可以满足控制要求；控制部分需对两路输入电源进行检测，并且对主电路的输出电压和输出电流进行采样，控制输出4路pwm波驱动4个igbt开关管；控制电路输出做保护用途的过压信号、欠压信号和过流信号，并且输出用于通讯的rs485信号，控制功能具体为：
①
当工作电源正常时，工作电源给负载供电；
②
当工作电源故障，备用电源正常时，装置立即切换到备用电源，由备用电源给负载供电；
③
备用电源工作过程中，如果工作电源恢复正常，装置2s后自动切回到工作电源；
④
led数码显示功能。
43.本发明为一种直流双电源平滑切换控制装置，在使用中，本发明将传统的inv电力逆变器进行改造，将inv电力逆变器增加一组蓄电池作为直流输入，两路直流输入经平滑切换装置输出至逆变模块，避免一组蓄电池故障后负荷经电子旁路供电，保障重要负荷供电的安全可靠性；本发明解决了传统的inv电力逆变器蓄电池故障后，电子旁路供电质量不高的问题；本发明的平滑切换装置避免了敏感负荷可能存在的失电的问题，始终对变电站中重要负荷进行不间断高质量供电，进而保证电力系统的安全稳定运行；本发明具有解决电子旁路供电质量不高的问题、避免敏感负荷失电、始终进行不间断高质量供电、保证电力系统的安全稳定运行的优点。
44.实施例2
45.如图1-12所示，一种直流双电源平滑切换控制装置，它包括inv电力逆变器系统和直流双电源无缝切换装置，其特征在于：所述的inv电力逆变器系统包括维修旁路开关、电子旁路开关、直流输入开关、逆变模块、静态开关、输出开关、负载、至少两个蓄电池组以及蓄电池组开关，所述的市电输入分别通过维修旁路开关、电子旁路开关与负载、静态开关连接，所述的静态开关通过输出开关与负载连接，所述的蓄电池组通过蓄电池组开关与直流双电源无缝切换装置连接，所述的直流双电源无缝切换装置通过直流输入开关与逆变模块连接，所述的逆变模块与静态开关连接。
46.所述的直流双电源无缝切换装置采用基于负反馈的平滑切换控制策略，使两路直流电的互切时间在负荷允许的欠压时间内完成。
47.在本实施例中，本发明采用耐高压的igbt器件，具有无触点、快速、无火花接痕等特点，其开通关断时间仅为几微妙，适合作为切换控制系统的切换开关；另外，单体电池的浮充电压值为2.25v，整组蓄电池的浮充电压通常设置为234v，但由于两组蓄电池的制作工艺和流程的差异，且分别接至不同母线进行浮充电，两组蓄电池的端电压难以保证完全相同，甚至有较大的压差，如果进行硬切换，会造成电压的突变，影响输出波形质量，为解决这一问题，本发明采用基于负反馈的平滑切换控制策略，如图9所示，蓄电池电压外环控制器2在第一组蓄电池供电时运行时也在工作，只是输出结果没有产生影响，切换时由于2种控制器的输出状态不等，所以控制器输出会产生跳变，为inv电力逆变器的电压避免出现震荡波动，本发明将两组蓄电池控制器的电流内环设计成一个整体，并将蓄电池电压外环控制器1状态与蓄电池电压外环控制器2的输出设计为一个负反馈，蓄电池电压外环控制器2输入，使得切换前蓄电池电压外环控制器2随时跟随蓄电池电压外环控制器1的输出，保证2个控制器的输出状态时刻一致，同时合理控制逻辑开关k1～k4；第一组蓄电池供电时，开关k1和k4闭合，开关k2和k3打开；切换时，开关k1和k4打开，开关k2和k3闭合；
48.在本实施例中，具体控制电路图如图10所示，第一组蓄电池供电时，设置公共开关
pcc1接a处，pcc2接b处，此时1#蓄电池组电压外环参考值u
d1
*和u
q1
*与实际u
d1
和u
q1
值做差后经过pi1调节输出电压外环控制器的输出信号，此信号输入电流内环控制器再作用于逆变器；另外，输出的信号经图中pcc2与2#蓄电池组的电压外环控制器的输出做差经过pi2调节作为2#蓄电池组电压外环控制器的输入；当第2组蓄电池运行时调节开关pcc1接b处，pcc2接a处，电压dq轴参考值u
d2
*和u
q2
*与实际值u
d1
和u
q1
做差，差值首先通过调节模块再经过pi2调节输出信号i
d2
*和i
q2
*，该信号传给电流内环控制器再传给逆变器。
49.在本实施例中，直流双电源平滑切换装置的电路板如图11所示，对传统的inv电力逆变器进行改造，将inv电力逆变器增加一组蓄电池作为直流输入，两路直流输入经平滑切换装置输出至逆变模块，避免一组蓄电池故障后负荷经电子旁路供电，保障重要负荷供电的安全可靠性；
50.通常情况下110kv变电站inv电力逆变器的负荷电流为8a左右，考虑冗余，本装置的最大输出电流设置为15a，额定功率为3300w，具体的参数如表1所示；考虑到装置安装情况，设置了电路板的底座，如图12所示，
51.表1直流双电源平滑切换装置参数
52.工作电压(v)90—280最大输出电流(a)15额定功率(w)3300自身功耗(w)0.8切换时间(ms)0.007工作温度℃-45—+75工作湿度30％—80％底座尺寸(mm)115*90*40
53.本发明解决了传统的inv电力逆变器蓄电池故障后，电子旁路供电质量不高的问题，平滑切换装置避免了敏感负荷可能存在的失电的问题，始终对变电站中重要负荷进行不间断高质量供电，进而保证电力系统的安全稳定运行；本发明产生了一定的经济效益和社会效益；
54.经济效益：对变电站中一体化不间断电源设备加以改造，增加一组蓄电池和直流双电源无缝切换装置，可以避免交流失电后一组蓄电池组故障导致其供电负荷通过电子旁路“低质量电源”供电，消除了市电电压幅值、频率偏移，浪涌，三相不平衡等“电源污染”；另外无缝切换控制可以有效地防止敏感负荷失电，降低了一体化电源设备供电负荷的故障概率，节约了其维修或改造的物质成本，且站用一体化不间断电源设备的安全稳定运行为站内的重要负荷提供可靠高质量的电源，间接保障了用户的经济效益；具体的经济效益分析表如表2所示；
55.表2经济效益分析
[0056][0057][0058]
社会效益：减少了技改工期时间，保证了站用电的安全稳定运行。减少了作业时间，降低作业人员的劳动强度，提高了工作效率。
[0059]
本发明为一种直流双电源平滑切换控制装置，在使用中，本发明将传统的inv电力逆变器进行改造，将inv电力逆变器增加一组蓄电池作为直流输入，两路直流输入经平滑切换装置输出至逆变模块，避免一组蓄电池故障后负荷经电子旁路供电，保障重要负荷供电的安全可靠性；本发明解决了传统的inv电力逆变器蓄电池故障后，电子旁路供电质量不高的问题；本发明的平滑切换装置避免了敏感负荷可能存在的失电的问题，始终对变电站中重要负荷进行不间断高质量供电，进而保证电力系统的安全稳定运行；本发明具有解决电子旁路供电质量不高的问题、避免敏感负荷失电、始终进行不间断高质量供电、保证电力系统的安全稳定运行的优点。

技术特征：
1.一种直流双电源平滑切换控制装置，它包括inv电力逆变器系统和直流双电源无缝切换装置，其特征在于：所述的inv电力逆变器系统包括维修旁路开关、电子旁路开关、直流输入开关、逆变模块、静态开关、输出开关、负载、至少两个蓄电池组以及蓄电池组开关，所述的市电输入分别通过维修旁路开关、电子旁路开关与负载、静态开关连接，所述的静态开关通过输出开关与负载连接，所述的蓄电池组通过蓄电池组开关与直流双电源无缝切换装置连接，所述的直流双电源无缝切换装置通过直流输入开关与逆变模块连接，所述的逆变模块与静态开关连接。2.如权利要求1所述的一种直流双电源平滑切换控制装置，其特征在于：所述的直流双电源无缝切换装置安装在inv电力逆变器系统的直流输入侧，所述的直流双电源无缝切换装置包括检测模块、信号采集模块、控制模块、切换模块、驱动模块、通信模块和报警模块。3.如权利要求2所述的一种直流双电源平滑切换控制装置，其特征在于：所述的切换模块、检测模块、信号采集模块通过通过蓄电池组开关与蓄电池组连接，所述的检测模块、信号采集模块与控制模块连接，所述的控制模块分别与切换模块、通信模块连接，所述的切换模块与驱动模块连接，所述的驱动模块分别与通信模块、逆变模块连接，所述的通信模块分别与控制模块、驱动模块、报警模块连接。4.如权利要求2所述的一种直流双电源平滑切换控制装置，其特征在于：所述的直流双电源无缝切换装置采用双路输入且每一路输入均用两个开关管来控制电路的通断；所述的开关管包括至少一个不带反并联二极管的igbt。5.如权利要求4所述的一种直流双电源平滑切换控制装置，其特征在于：所述的开关管相应的引脚与控制模块的输出连接，根据输出的状态分别来控制开关管的通断；所述的直流双电源无缝切换装置的一路输出线上串联接入一根用于检测输出电流的康铜丝；所述的直流双电源无缝切换装置的两路输出主电路上串接一组用于区分主用与备用的二极管；所述的直流双电源无缝切换装置的输出正负极间连接续流二极管。6.如权利要求3所述的一种直流双电源平滑切换控制装置，其特征在于：所述的检测模块包括输入电压检测电路和输出电流检测电路，所述的电压检测电路采用双路输入电压值检测电路且每一路检测电路均包括用于分压的电阻、至少两个跟随器、至少两个积分器、至少一个线性光耦。7.如权利要求6所述的一种直流双电源平滑切换控制装置，其特征在于：所述的输出电流检测电路包括差分放大器和电压跟随器。8.如权利要求3所述的一种直流双电源平滑切换控制装置，其特征在于：所述的控制模块采用tms320型dsp单片机芯片。9.如权利要求1所述的一种直流双电源平滑切换控制装置，其特征在于：所述的直流双电源无缝切换装置采用基于负反馈的平滑切换控制策略，使两路直流电的互切时间在负荷允许的欠压时间内完成。

技术总结
本发明涉及一种直流双电源平滑切换控制装置，它包括INV电力逆变器系统和直流双电源无缝切换装置，INV电力逆变器系统包括维修旁路开关、电子旁路开关、直流输入开关、逆变模块、静态开关、输出开关、负载、至少两个蓄电池组以及蓄电池组开关，市电输入分别通过维修旁路开关、电子旁路开关与负载、静态开关连接，静态开关通过输出开关与负载连接，蓄电池组通过蓄电池组开关与直流双电源无缝切换装置连接，直流双电源无缝切换装置通过直流输入开关与逆变模块连接，逆变模块与静态开关连接；本发明具有解决电子旁路供电质量不高的问题、避免敏感负荷失电、始终进行不间断高质量供电、保证电力系统的安全稳定运行的优点。证电力系统的安全稳定运行的优点。证电力系统的安全稳定运行的优点。


技术研发人员：琚云鹏 郭伟 王飞宇 刘铖铖 敦亚强 刘光辉 张霄 彭超 高波 呼建礼 袁晓宇 王亚林 元亮 苗桂喜 王鑫
受保护的技术使用者：国网河南省电力公司安阳供电公司
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/10/7