阵列式直流电源系统及管理方法与流程

1.本发明涉及直流电源系统技术领域，特别涉及一种阵列式直流电源系统及管理方法。


背景技术：

2.目前常用直流电源系统配置若干个整流模块、一组蓄电池组及电池巡检单元，整流模块输入端为交流电源(ac220)或直流电源(dc110～400v)，整流模块输出端为直流电，与蓄电池组并联，组成额定电压240/220/110/48v直流电源系统。蓄电池组若干节2v铅酸蓄电池串联组成，系统正常运行时，整流模块给蓄电池组充电，同时给负载供电，蓄电池组工作时同时充电或同时放电。
3.系统不足：1.系统输入端电源正常状态下，蓄电池组处于浮充状态，现有技术手段难以诊断单节蓄电池的健康状况。2.如果存在单节蓄电池开路异常，蓄电池组充电时短时间内会达到充电设定电压值，会导致蓄电池组达不到满容量状态，若此时系统输入端电源断电，直流总输出端口电压急剧下降为0，造成系统失电。2.如果存在部分蓄电池内部异常，此时蓄电池内部阻抗比正常时往小的趋势变化，阻抗变化是一个渐变过程，系统无法实现提前检测，造成蓄电池组内部分蓄电池过充电，加速其他蓄电池损坏。3.由于系统内各单体蓄电池串联组成直流母线，其输出电压高，无法在线更换单节异常蓄电池，需要接入相应节数的备用电池组接入后，才能把蓄电池组退出后进行操作相应更换，整个更换过程操作繁杂。5.系统部分蓄电池异常后，通常是整组进行更换，整组更换的同时把内部好的蓄电池一起淘汰掉，造成蓄电池利用率不高，造成资源浪费，同时造成整组寿命无法达到设计预期，无法把每节蓄电池都使用到寿命终止点。常规操作电源系统原理图如图3。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种阵列式直流电源系统，可以有效解决背景技术中的问题。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种阵列式直流电源系统，包括：
7.一体式并联直流电源单元，所述一体式并联直流电源单元具有电源输入端、直流输出端和电池，所述电池与所述电源输入端和所述直流输出端隔离，多个所述一体式并联直流电源单元并联形成系统，各个所述一体式并联直流电源单元的电池之间相互隔离；
8.边缘管理终端模块，所述边缘管理终端模块与所述一体式并联直流电源单元电联接。
9.进一步地，所述边缘管理终端模块通过can通信与多个所述一体式并联直流电源单元信号连接，对模块遥控、遥调、遥测及遥信操作，记录各单元的数据信息。
10.进一步地，所述电池的输入端与降压dc/dc模块的输出端连接，所述降压dc/dc模块的输入端与ac/dc模块的输出端连接，所述ac/dc模块的输入端与电源输入端连接。
11.进一步地，所述电池的输出端与电压开环升压dc/dc模块的输入端电联接，所述电压开环升压dc/dc模块的输出端与输出降压dc/dc模块的输入端和输出dc/dc模块的输入端电联接，所述输出降压dc/dc模块和所述输出dc/dc模块的输出端连接输出母线。
12.进一步地，还包括智能管理单元、can通讯单元和均流单元，所述can通讯单元与所述ac/dc模块和所述智能管理单元连接，所述智能管理单元与所述均流单元、输出dc/dc模块、所述降压dc/dc模块、所述电压开环升压dc/dc模块和所述输出降压dc/dc模块连接。
13.进一步地，所述均流单元与所述输出降压dc/dc模块和输出dc/dc模块连接。
14.进一步地，还包括直流馈线分配单元，所述直流馈线分配单元与所述一体式并联直流电源单元电联接。
15.基于上述的阵列式直流电源系统的阵列式直流电源管理方法，包括以下步骤：
16.使电池与直流母线输出端、电源输入端隔离，使电池与系统中的各电池之间互相隔离；
17.对内置电池充电，同时给直流母线输出；
18.前端直流母线正常时，输出降压dc/dc变换器的输出电压值比输出dc/dc变换器低，并处于待机状态；
19.前端直流母线异常或输出dc/dc变换器输出电压跌落至与输出降压dc/dc变换器相同时，输出降压dc/dc即时承载，保证模块输出不间断，保证系统供电可靠性；
20.系统馈线开关出口短路，需要模块短时输出大电流驱使馈线开关脱扣时，智能管理单元通过均流单元的控制，使输出dc/dc模块和输出降压dc/dc模块共同承担大电流输出。
21.进一步地，还包括以下步骤：
22.边缘管理终端设有设定的多个/单个模块核容周期，到达设定的周期时，检测此时直流母线是否正常,检测系统母线电流是否满足核容最低负荷、所有电池是否处于间歇充电状态及一体式并联直流单元无其它故障、告警信息等,下发指令至多个一体式并联直流单元的智能管理单元,如同时满足,多模块同时启动相应核容逻辑,先关闭ac/dc模块,通过控制均流单元退出系统均流,同时降压dc/dc模块关闭,同时输出降压dc/dc模块开始调节输出电压,使要核容的一体式并联直流单元实现由电池提供能量承载,输出电压调节至电池端放电电流维持至预设数值大小,直至电池终止放电电压点或维持10小时完成核容操作,整个核容过程中,智能管理单元即时上传核容数据给边缘管理终端；
23.边缘管理终端设有设定的单个模块核容周期，到达设定的周期时，检测此时直流母线是否正常,检测系统母线电流是否满足核容最低负荷、所有电池是否处于间歇充电状态及一体式并联直流单元无其它故障、告警信息等,如同时满足,下发指令至所有一体式并联直流单元的智能管理单元,从低位序号的模块开始逐一进行,单模块启动相应核容逻辑,先关闭ac/dc模块,通过控制均流单元退出系统均流,同时降压dc/dc模块关闭,同时输出降压dc/dc模块开始调节输出电压,使要核容的一体式并联直流单元实现由电池提供能量承载,输出电压调节至电池端放电电流维持至预设数值大小,直至电池终止放电电压点或维持10小时完成核容操作,整个核容过程中,智能管理单元即时上传核容数据给边缘管理终端；
24.边缘管理终端接收到后台下发的核容指令时,检测系统母线电流是否满足核容最
低负荷、所有电池是否处于间歇充电状态及一体式并联直流单元无其它故障、告警信息等,边缘管理终端把核容指令下发至指定的一个/多个一体式并联直流单元的智能管理单元,智能管理单元接收指令后,智能管理单元检测此时直流母线是否正常,检测系统母线电流是否满足核容最低负荷、电池是否处于间歇充电状态及变换器无其它故障、告警信息等；
25.系统边缘管理终端功能/通信失效并到了先前设定的周期时,低位通信地址的一体式并联直流单元的智能管理单元利用can通信检测此时直流母线是否正常,检测系统母线电流是否满足核容最低负荷、电池是否处于间歇充电状态及变换器无其它故障、告警信息等,如同时满足,边缘管理终端模块同时/逐一使单个一体式并联直流单元启动相应核容逻辑；
26.达到核容终止条件时，智能管理单元启动ac/dc模块，恢复dc400v母线，保证一体式并联直流单元由电池提供能量承载切换至交流供电时能够保证不间断输出，开启降压dc/dc模块实现恒流充电，即时让均流单元恢复正常均流逻辑由输出dc/dc模块承载，待充电状态变成间歇后，智能管理单元停止发送核容数据，完成单个一体式并联直流单元的核容操作。
27.进一步地，还包括以下步骤：
28.通过定期核容、浅充浅放或内阻测试手段发现容量落后单体电池，发现容量落后单体电池时，对电池充放电，激活电池内部活性物质，延长电池的使用寿命，把每只电池使用周期最大化；
29.根据直流母线的负荷数据，在电网电价高峰值阶段，结合边缘管理终端，通过模块智能管理单元管理ac/dc实现蓄电池处于充电还是放电状态，让部分模块处于放电带载状态，在电网电价处于谷值阶段，让模块处于充电状态；
30.系统边缘管理终端与各单元通过can通信监控，对模块遥控、遥调、遥测及遥信操作，记录各单元的数据信息，根据采集数据后对各单元实施阵列管理，控制单元对配置电池的充放电方式，使各单元可单独充放电，可同时充电,可不同时充放电，可部分单元处于充电，部分处于核容放电,部分处于浅充浅放，部分处于内阻检测。
31.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
32.通过边缘管理终端，利用分布式思维技术，从系统架构及阵列式创新管理方式，提升直流电源系统供电可靠性，实现直流电源系统的免维护设计；
33.有效延长蓄电池使用寿命，每只蓄电池都可以使用至寿命终止点，提高蓄电池利用率；
34.系统通过边缘管理终端实现阵列式管理模块的工作方式，同时实现削峰填谷使用能源，助力碳减排。
附图说明
35.图1为本发明实施例提供的一种阵列式直流电源系统的原理图。
36.图2为本发明实施例提供的一种阵列式直流电源系统的一体式并联直流电源单元的内部原理图。
37.图3为常规操作电源系统原理图。
38.图中：1、一体式并联直流电源单元；2、边缘管理终端模块；3、电池；4、降压dc/dc模
块；5、电压开环升压dc/dc模块；6、ac/dc模块；7、dc/dc模块；8、智能管理单元；9、can通讯单元；10、均流单元；11、输出降压dc/dc模块。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
40.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
41.现在，将参照附图更详细地描述根据本技术的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本技术的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
42.根据图1
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3，提供了一种阵列式直流电源系统，包括：
43.一体式并联直流电源单元1，所述一体式并联直流电源单元1具有电源输入端、直流输出端和电池3，所述电池3与所述电源输入端和所述直流输出端隔离，多个所述一体式并联直流电源单元1并联形成系统，各个所述一体式并联直流电源单元1的电池3之间相互隔离；
44.边缘管理终端模块2，所述边缘管理终端模块2与所述一体式并联直流电源单元1电联接。
45.其中，所述边缘管理终端模块2通过can通信与多个所述一体式并联直流电源单元1信号连接，对模块遥控、遥调、遥测及遥信操作，记录各单元的数据信息。
46.其中，所述电池3与降压dc/dc模块4和电压开环升压dc/dc模块5电联接。
47.其中，所述降压dc/dc模块4与ac/dc模块6、dc/dc模块7和智能管理单元8电联接。
48.其中，所述智能管理单元8与can通讯单元9、均流单元10、所述电压开环升压dc/dc模块5、所述ac/dc模块6和输出降压dc/dc模块11电联接，所述输出降压dc/dc模块11与所述电压开环升压dc/dc模块5电联接，所述输出降压dc/dc模块11与所述均流单元10电联接。
49.其中，所述降压dc/dc模块4与所述输出降压dc/dc模块11和所述dc/dc模块7电联接，所述ac/dc模块6与所述dc/dc模块7电联接。
50.其中，还包括直流馈线分配单元，所述直流馈线分配单元与所述一体式并联直流电源单元1电联接。
51.基于本发明实施例的另一个方面，提供了一种基于上述阵列式直流电源系统的阵列式直流电源管理方法，包括以下步骤：
52.使电池3与直流母线输出端、电源输入端隔离，使电池3与系统中的各电池3之间互相隔离；
53.对内置电池3充电，同时给直流母线输出；
54.前端直流母线正常时，输出降压dc/dc变换器的输出电压值比输出dc/dc变换器低，并处于待机状态；
55.前端直流母线异常或输出dc/dc变换器输出电压跌落至与输出降压dc/dc变换器相同时，输出降压dc/dc即时承载；
56.其中，还包括以下步骤：
57.系统边缘管理终端与各单元通过can通信监控，对模块遥控、遥调、遥测及遥信操作，记录各单元的数据信息，根据采集数据后对各单元实施阵列管理，控制单元对配置电池3的充放电方式，使各单元可单独充放电，可同时充电,可不同时充放电，可部分单元处于充电，部分处于核容放电,部分处于浅充浅放，部分处于内阻检测。
58.其中，还包括以下步骤：
59.通过定期核容、浅充浅放或内阻测试手段发现容量落后单体电池3，发现容量落后单体电池3时，对电池3充放电，激活电池3内部活性物质，延长电池3的使用寿命，把每只电池3使用周期最大化；
60.根据直流母线的负荷数据，在电网电价高峰值阶段，结合边缘管理终端，通过模块智能管理单元管理ac/dc实现蓄电池处于充电还是放电状态，让部分模块处于放电带载状态，在电网电价处于谷值阶段，让模块处于充电状态。
61.模块内部工作说明：模块输入可以是交流输入(ac80
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280v)和直流输入(dc120v
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dc320v)，经过ac/dc形成稳定dc400v直流母线，此直流母线作为输出dc/dc和降压dc/dc的输入，其中输出dc/dc形成输出母线包含dc240/220/110/48v，降压dc/dc的输出连接电池端，主要给电池充电用，降压dc/dc变换器采用恒流恒压充电，完成恒流恒压充电后进入停止充电，电池进入放电阶段，当电池容量跌落5％标称容量时，重新启动充电，以此循环，让电池处于浅充浅放达到所需的后备容量，通过智能管理单元实施间歇充电管理的控制策略；
62.电池侧同时连接一个升压dc/dc变换器，此变换器输出作开环控制，其输出连接输出降压dc/dc，前端dc400v直流母线正常时，输出降压dc/dc变换器输出电压值比输出dc/dc变换器略低约2v并处于待机状态，一旦dc400v异常或者输出dc/dc变换器输出电压跌落至与输出降压dc/dc变换器相同时，输出降压dc/dc即时承载，保证模块输出不间断，保证系统供电可靠性。
63.系统馈线开关出口短路，需要模块短时输出大电流驱使馈线开关脱扣时，智能管理单元通过均流单元的控制，实现输出dc/dc和输出降压dc/dc共同承担大电流输出，减少输出dc/dc变换器的大电流的输出冲击，提升模块的可靠性。
64.远程核容原理：核容即是对蓄电池进行i10恒流放电直至终止电压点，远程核容即通过后台指令下发至边缘管理终端，终端再把核容指令下发至每个一体式并联直流单元的智能管理单元，接收指令后，智能管理单元会检测此时dc400v母线是否正常、检测系统母线
电流是否满足核容最低负荷、电池是否处于间歇充电状态及变换器无其它故障/告警信息等，同时满足后即启动相应核容逻辑，首先关闭ac/dc变换器，通过控制均流单元退出系统均流，同时降压dc/dc关闭，同时输出降压dc/dc开始调节输出电压，使要核容的一体式并联直流单元实现由电池提供能量承载，输出电压调节至电池端放电电流维持至i10数值大小，直至电池终止放电电压点或维持10小时完成核容操作，达到核容终止上述条件时，或达到条件维持短时100ms，智能管理单元首先启动ac/dc变换器，恢复dc400v母线，保证模块由电池切换为交流供电过程不间断输出，开启充电降压dc/dc变换器实现恒流充电，即时让均流单元恢复正常均流逻辑由输出dc/dc承载，整个核容过程中，模块智能管理单元即时上传核容数据(电压、电流、容量)给边缘管理终端，待充电状态变成间歇后，智能管理单元停止发送核容数据，完成单个一体式并联直流单元的核容操作。
65.本系统通过将单只锂电池模块与电源功率模块(含ac/dc、充放电dc/dc变换)融合创新设计为“一体式并联直流电源单元”，并通过多只单元直流输出端并联组成阵列式直流电源系统。
66.系统由若干个一体式并联直流电源单元、边缘管理终端模块、直流馈线分配单元组成。
67.每个一体式并联直流电源单元由电源输入端、直流输出端组成，锂电池内置于单元模块内部，电池与单元输出端及电源输入端均隔离，多个单元并联形成系统时，各电池之间相互隔离，电池异常时仅在输入电源掉电时影响本单元的带载输出，不影响直流母线带载能力。每个一体式并联电源单元工作时对内置电池充电，同时给直流母线输出；前端直流母线正常时，输出降压dc/dc变换器的输出电压值比输出dc/dc变换器低，并处于待机状态；前端直流母线异常或输出dc/dc变换器输出电压跌落至与输出降压dc/dc变换器相同时，输出降压dc/dc即时承载。
68.系统边缘管理终端与各单元通过can通信实现监控，实现对模块遥控、遥调、遥测及遥信操作，记录各单元的数据信息。根据采集数据后对各单元实施阵列管理，可控制单元对配置电池的充放电方式，各单元可单独充放电，可同时充电,可不同时充放电，即部分单元处于充电,部分处于核容放电,部分处于浅充浅放，部分处于内阻检测，实现对所有模块单元的有序管理。通过边缘管理终端实现矩阵式能量管理，是系统管理方面突破式创新。
69.通过阵列式管理单元的工作方式，同时有效管理电池，电池可以通过定期核容、浅充浅放、内阻测试等手段，提前发现容量落后单体电池，对电池的合理充放电，有效延长电池的使用寿命，把每只电池使用周期最大化，最大限度的利用资产。
70.矩阵式的管理系统，可根据直流母线的负荷数据，在电网电价高峰值阶段，结合边缘管理终端，通过模块智能管理单元管理ac/dc实现蓄电池处于充电还是放电状态，让部分模块处于放电带载状态，在电网电价处于谷值阶段，模块处于充电状态，尽量的利用锂电池可多次循环充放电特性，实现削峰填谷，节能减排，最大限度的提升蓄电池的利用率。
71.典型应用如图2，通过输入开关、电力连接线缆、边缘管理终端、装置固定柜体。其在变/配电站直流系统(含通信电源系统)方面应用都具有极大的实用、推广价值。
72.通过本实施例的做法，1.解决单节异常蓄电池对其他健康电池充电管理的问题，常规直流电源系统的蓄电池组是由若干个串联组成，一旦单节蓄电池异常，或呈现一定的阻抗，整组蓄电池充电的时候限制了其它正常蓄电池的充电流大小，导致正常蓄电池无法
充满电问题，欠充会影响蓄电池的使用寿命。2.解决系统放电时单个异常蓄电池影响直流母线电压的问题，常规直流电源系统的蓄电池组是由若干个串联组成，一旦单节蓄电池异常，或呈现一定的阻抗，导致输出母线带载电压跌落影响带载。3.解决常规直流电源系统的蓄电池组利用率不高的问题。4.中国承诺在2030年实现碳达峰，到2060年实现碳中和，电力是减碳的主要行业，意味着电力设备需要逐渐满足双碳要求，本系统发明可实现在交流正常是各模块不同时充放电，系统边缘管理终端根据负荷大小通过软件控制，在电价处于峰值阶段实现任意1/3数量模块处于电池放电，其余模块处于交流供电，在电价处于谷值阶段处于充电，最大限度的发挥锂电池超2000次循环充放电的特性，起到削峰填谷的作用，提升锂电池利用率，减少铅酸电池的应用，助力减碳。5.通过边缘管理终端，可实现直流电管系统的智能化运维与管理，用户全过程不需要人为参与，实现免维护设计。
73.以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。