一种真双极直流在线式不间断电源装置的制作方法

本发明涉及直流不间断电源装置，尤其涉及一种真双极直流在线式不间断电源装置。

背景技术：

1、近年来随着环境的逐渐恶化和化石能源的日益匮乏，可再生能源近年来得到了长足的发展。分布式发电的渗透对减轻环保压力、节省输变电投资和提高供电可靠性具有重要意义，直流输电和直流配电技术是解决分布式电源并网的有效技术手段之一。

2、目前有两种主流的直流配电架构，即单极系统和双极系统，gb/t 16895.1中把单极系统称为二线制结构，双极系统称为三线制结构。单极系统由正极(l+)和负极(l-)组成，在两线之间提供单个直流电压电平，其结构简单，更易于控制，但可靠性比双级系统较差，当直流母线出现故障时，所有负荷将面临失电的风险。双极系统由正极(l+)、负极(l-)和中间级(m)组成(t/cabee 030-2022民用建筑直流配电设计标准)。在三线结构之间提供两个直流电压电平，即正/负极对中间级电压和正负极间电压。其中，伪双极结构工作方式类似单极性结构，当正极或负极出现故障时，正、负两级都需要断电；而真双极直流网络在单极故障下也能运行，并且由于具备两个不同的电平，可以为负载和分布式电源提供更多的选择。此外，真双极网络与传统的三相四线制交流系统有一定的相似之处，即正负极之间的电压类比于三相四线制系统中的线电压，每一极的电压则类比于相电压，这种与交流系统的相似性有利于系统运行、改进以及控制方案设计。真双极结构具有更广泛的适用性，其结合双母线供电结构，可保证直流配电网的高供电可靠性与直流负荷接入的灵活性。

3、不间断电源设备(ups)：由变流器、开关和储能装置(如蓄电池)组合构成，在输入电源故障时维持负载电力连续性电源设备。

4、直流真双极在线式不间断电源为真双极直流供电中比较重要的负载(如一级负荷、二级负荷)供电，当输入电源故障而引起电力中断时，可把储能装置(如蓄电池)经过变流器、开关不间断的为负载提供连续性的电力，当真双极直流网络在单极性故障下仅有一极供电时，通过变换器把单级供电变换为双极供电，而不需要用储能装置中的电能。当输入的电力不够或需要功率转移时，亦可通过储能装置与输入直流同时供电，提高供电连续时间与提高储能利用率并参与负荷的柔性调节。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述背景技术中提出的技术问题。

2、本发明采用了如下技术方案：一种真双极直流在线式不间断电源装置，包括输入断路器、第1输入开关、第1buck-boost变换器、第1输出开关、第1双向dc-dc变换器、第2输入开关、第2buck-boost变换器、第2输出开关、第2双向dc-dc变换器、储能装置、静态旁路开关、手动旁路开关。

3、输入l+、输入m、输入l-经过输入端子连接到输入断路器的输入端，输入断路器的输出分别把l+连接在第1输入开关的输入、l-连接在第2输入开关输入，m为变换器的中性点，亦是变换器的输出中性线，连接到输出m端子。第1输入开关的输出端连接在第1buck-boost变换器的输入端，输入的l+经过第1buck-boost变换器稳压后连接到第1输出开关的输入端，第1输出开关的输出端连接到输出l+端子。第2输入开关的输出端连接在第2buck-boost变换器的输入端，输入的l+经过第2buck-boost变换器稳压后连接到第2输出开关的输入端，第2输出开关的输出端连接到输出l+端子。

4、一组储能装置的正和负分别连接到第1双向dc-dc变换器的输入端，第1双向dc-dc变换器连接到第1输出开关的输入端和第1buck-boost变换器的输出端，放电模式时，储能装置通过第1双向dc-dc变换器变成稳定的直流电压输出给负载，或再经过第1buck-boost变换器给到输入l+。另一组储能装置的正和负分别连接到第2双向dc-dc变换器的输入端，第2双向dc-dc变换器连接到第2输出开关的输入端和第2buck-boost变换器的输出端，放电模式时，储能装置通过第2双向dc-dc变换器变成稳定的直流电压输出给负载，或再经过第2buck-boost变换器给到输入l-。

5、静态旁路开关的输入l+连接在输入断路器的输出l+和第1输入开关的输入端，静态旁路开关的输入l-连接在输入断路器的输出l-和第2输入开关的输入端。静态旁路开关的输出l+连接在第1输出开关的输出端和输出端子的l+，静态旁路开关的输出l-连接在第2输出开关的输出端和输出端子的l-。

6、手动旁路开关又称维修旁路开关，输入端分别连接在输入端l+、输入m、输入l-和输入断路器的输入端。手动旁路开关的输出连接在输出端l+、输出m、输出l-和第1输出开关的输出端、中线m、第2输出开关的输出端。当系统出现故障时，通过手动旁路开关直接给负荷供电。

7、所述buck-boost变换器是一种双向dc-dc变换器，其作用为，一方面，工作在dc-ups功能时，当输入直流电压大于额定输出电压时，buck-boost电路工作在降压模式，当输入直流电压小于额定输出电压时，buck-boost电路工作在升压模式，从而稳定输出电压，提高输出电能质量。另一方面，在柔性负荷调节时，当用电量小于新能源发电时或用电低谷时期，buck-boost变换器与双向dc-dc变换器联动，通过增加buck-boost变换器对双向dc-dc变换器充电功率；当用电量大于新能源发电时或用电高峰时期，储能装置通过双向dc-dc变换器放电，buck-boost减小变换功率或反向给输入直流供电，从而达到削峰填谷，转移用电负荷的作用。

8、所述双向dc-dc变换器的作用为，当需要充电时，双向dc-dc工作于充电模式，从输入直流取电给储能装置充电，当需要放电时，把储能装置中存储的电能释放给负荷，或反向给输入直流电网供电。

9、一方面，本技术实施例提供了直流真双极在线式不间断电源(dc-ups)功能，所述dc-ups功能主要有以下工作模式：

10、市电在线模式：当输入直流在正常输入范围时，dc-ups工作在市电在线模式。市电在线模式时，输入直流经过输入断路器、第1输入开关和第2输入开关到第1buck-boost变换器和第2buck-boost变换器，输入直流电压经过第1buck-boost变换器和第2buck-boost变换器后变成一个稳定的直流电，后经过第1输出开关和第2输出开关给负载供电。如图2所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

11、当直流在线ups模式，储能装置需要充电时，第1双向dc-dc变换器从正母线获取电能给储能装置充电，第2双向dc-dc变换器从负母线获取电能给储能装置充电。如图3所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

12、电池放电模式：当输入直流异常时，dc-ups工作在电池放电模式。电池放电模式时，正直流母线的供电路径为，储能装置经过第1双向dc-dc变换器进行放电，第1双向dc-dc变换器的正输出接第1输出开关的输入，第1双向dc-dc变换器的负输出连接到中线m，第1输出开关的输出连接到输出l+；负直流母线的供电路径为，储能装置经过第2双向dc-dc变换器进行放电，第2双向dc-dc变换器的正输出连接到中线m，第2双向dc-dc变换器的负输出连接到第2输入开关的输入，第2输入开关的输出连接到输出l-。如图4所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

13、静态旁路模式：当dc-ups内部变换器出现故障时，dc-ups自动切换到旁路模式。静态旁路工作时，输入断路器闭合，输入市电接入输入断路器，静态开关的导通，输入直流经过静态开关旁路到输出。当输入接的是真双极直流供电时，当输入的某一极出现故障时，也可以只打开静态旁路开关的l+极或l-极。当dc-ups在经济运行模式时，当输入直流在标称范围时，dc-ups为静态旁路状态，当输入直流在标称范围以外时，dc-ups工作在直流在线模式或电池放电模式。如图5所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

14、手动旁路模式：当dc-ups内部故障或检修时，可通手动合上手动旁路开关，为避免检修时触电，当手动旁路开关闭合后，断开输入断路器，此时输入直流连接到手动旁路开关的输入端，手动旁路开关的输入端连接到输出端。如图6所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

15、输入l-缺相运行模式：当真双极直流供电的l-出现故障时，输入l+任然能正常供电。输入l+经过输入断路器、第1输入开关到第1buck-boost变换器的输入端，第1buck-boost变换器把不稳定的输入直流变换为稳定的正极直流电，第1buck-boost变换器的输出经第1输出开关连接到输出l+。第1双向dc-dc变换器工作于充电模式，第2双向dc-dc变换器工作于放电模式，第1双向dc-dc变换器与第2双向dc-dc变换器配合把从第1buck-boost变换器的输出的正极直流经过变换后，变换为稳定的负极直流，经第2输出直流开关连接到输出l-。完成了输入l+到输出l+和l-的变换。如图7所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

16、输入l+缺相运行模式：当真双极直流供电的l+出现故障时，输入l-任然能正常供电。输入l-经过输入断路器、第2输入开关到第2buck-boost变换器的输入端，第2buck-boost变换器把不稳定的输入直流变换为稳定的负极直流电，第2buck-boost变换器的输出经第2输出开关连接到输出l-。第2双向dc-dc变换器工作于充电模式，第1双向dc-dc变换器工作于放电模式，第1双向dc-dc变换器与第1双向dc-dc变换器配合把从第1buck-boost变换器的输出的负极直流经过变换后，变换为稳定的正极直流，经第1输出直流开关连接到输出l-。完成了输入l+到输出l+和l-的变换。如图8所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

17、输入真双极直流供电的l-出现故障而停电的同时输出的l+出现故障而必须断开时，dc-ups可工作在输入直流正极，输出直流负极，如图9所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

18、输入真双极直流供电的l-出现故障而停电的同时输出的l-出现故障而必须断开时，dc-ups可工作在输入直流正极，输出直流正极，如图10所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

19、输入真双极直流供电的l+出现故障而停电的同时输出的l-出现故障而必须断开时，dc-ups可工作在输入直流负极，输出直流正极，如图11所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

20、输入真双极直流供电的l+出现故障而停电的同时输出的l+出现故障而必须断开时，dc-ups可工作在输入直流负极，输出直流负极，如图12所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

21、当输出l+出现故障时，dc-ups仅关闭输出l+；当输出l-出现故障时，dc-ups仅关闭输出l-；如图13、图14所示，图中标注的尖头方式为功率流方向，粗线为主工作电流路径。

22、另一方面，本技术实施例提供了在光储直柔系统中实现虚拟电厂运行的柔性负荷功能，所述柔性供电主要有以下工作模式：

23、削峰填谷：用电高峰期，储能装置中存储的电能通过第1双向dc-dc变换器、第2双向dc-dc变换器，第1buck-boost变换器、第2buck-boost变换器，第1输入开关、第2输入开关后给输入直流输出功率。用电低谷时，输入直流电通过第1输入开关、第2输入开关，第1buck-boost变换器、第2buck-boost变换器，第1双向dc-dc变换器、第2双向dc-dc变换器给储能装置充电，把电网的电能存储在储能装置中。

24、新能源最大化利用：在光储直柔系统中，当新能源发的电大于当前负荷的需求量时，多余的电能通过第1输入开关、第2输入开关，第1buck-boost变换器、第2buck-boost变换器，第1双向dc-dc变换器、第2双向dc-dc变换器给储能装置充电，把电网多余的电能存储在储能装置中，当新能源发的电小于负荷与直流电网提供的电能时，储能装置中存储的电能通过第1双向dc-dc变换器、第2双向dc-dc变换器，第1buck-boost变换器、第2buck-boost变换器，第1输入开关、第2输入开关后给输入直流供电，或储能装置中存储的电能通过第1双向dc-dc变换器、第2双向dc-dc变换器，第1输出开关、第2输出开关给负荷供电，减小电网的取电。

25、恒功率运行：恒功率供电可能是电网最高效的运行方式。当负荷用电量小于直流电网的供给时，电网提供的电能减去负荷消耗的电能通过输入直流电通过第1输入开关、第2输入开关，第1buck-boost变换器、第2buck-boost变换器，第1双向dc-dc变换器、第2双向dc-dc变换器给储能装置充电。当负荷大于直流电网的供给时，储能装置中存储的电能通过第1双向dc-dc变换器、第2双向dc-dc变换器，与电网提供的电能一起，经过第1输出开关、第2输出开关给负荷供电。

26、离网运行模式：当直流电网停电时，储能装置中存储的电能通过第1双向dc-dc变换器、第2双向dc-dc变换器，第1输出开关、第2输出开关给负荷供电，同时经过第1buck-boost变换器、第2buck-boost变换器，第1输入开关、第2输入开关后给直流电网供电。

27、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

28、1.本发明中，本装置在单极故障情况下，能够通过内部的dc-dc变换器和buck-boost变换器，将剩余的一极供电转换为双极供电，保证系统在单极故障时仍能提供稳定的双极输出，提高了供电系统的可靠性，降低使用储能装置的频次，从而延长了电池的使用寿命。

29、通过真双极直流供电系统，当输入直流电源的某一极出现故障时，另一极仍能继续供电，避免了系统的单点故障，提高了供电的连续性和稳定性。

30、2.本发明中，dc-ups装置能够在电池充电模式和放电模式之间灵活切换，利用储能装置在电网供电不足时为负载供电，或者在电网供电充足时为储能装置充电，实现电能的削峰填谷，优化电能利用效率。

31、储能装置的加入使得系统能够在用电高峰期减少对电网的依赖，同时在用电低谷期储存多余的电能，提高了能源利用率和电力系统的调峰能力。

32、3.本发明中，通过buck-boost变换器的电压转换和稳定输出功能，确保了输出电压的稳定性，提供高质量的直流电能，适用于对电能质量有高要求的负载。

33、双向dc-dc变换器的软开关设计降低了电磁干扰，提升了系统的电能转换效率，确保了电能的高效传输。

34、4.本发明中，通过与光储直柔系统的结合，能够有效利用可再生能源，如光伏发电，减少对传统化石能源的依赖，符合国家节能减排和可持续发展的政策要求。

35、本装置支持将光伏发电、储能和直流供电系统相结合，实现了电力的灵活调度和分配，促进了可再生能源的消纳，提升了能源的综合利用效率。