一种主动隔离式单相优质供电系统

技术领域

本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种主动隔离式单相优质供电系统，用于为重要用户提供优质供电和保供电，并配合电网削峰填谷。

背景技术

当今，重要用户不仅要求提供高的供电质量、供电可靠性和运行效率等生产指标，而且随着负荷容量的日益增多，保障优质供电的同时，提高供电系统传输效率和模块利用效率对生产有着显著的经济效应，研究控制性能稳定和运行效率高的供电系统具有重要意义。作为一种优质供电系统，不间断电源（Uninterrupted Power Supply，UPS）以其提供优质供电、保障不间断供电等运行性能被广泛应用于重要用户中，按照其工作方式的不同可将UPS分为后备式UPS、在线互动式UPS、在线式UPS等。

后备式UPS的拓扑结构由开关、充电器、储能电池、逆变器、切换电路、滤波器等部分组成。其工作原理是：在电网正常运行时，负载直接接入到交流电网中运行；在电网发生故障时，UPS控制电路发送信号将电网到负载的直接通路切断，同时通过切换电路切换至储能电池经逆变器独立为负载供电模式。后备式UPS虽然结构简单，运行效率高，但供电质量较差，且在电网故障时有较长的供电转换时间，难以满足重要用户要求。

在线互动式UPS的拓扑结构是在后备式UPS的基础上，在电网和负载通路之间增加了稳压器。在电网正常运行时，供电质量有所改善，但无法消除电网端的电压失真等扰动，且同样存在供电转换时间的问题。

在线式UPS中主流代表为双变换式，该拓扑结构由开关、整流器、储能电池、逆变器、静态旁路支路、滤波器等部分组成。双变换式UPS工作原理是：在电网正常运行时，双变换结构将交流电整流为直流电，通过对直流电进行直接控制，逆变为标准的正弦电压，为重要用户提供可靠供电，同时为储能电池充电；在电网发生故障时，储能电池通过逆变器直接为重要用户提供不间断供电。该UPS基本可以滤除电网中所有的干扰和谐波，且切换无转换时间，目前技术发展已较为成熟，应用于大多数用户，但该UPS的整流器和逆变器在电网正常运行时不仅需要传递全部负载功率，使得系统运行损耗大，传输效率较低，而且两者的控制策略均需配合储能电池的运行状态，控制较为复杂，加之大容量储能电池长期处于浮充状态，模块利用效率低。

综上，传统单相供电系统在系统控制性能、传输效率或模块利用效率等方面均存在一定的矛盾问题，且随着重要用户负荷容量的日益增加，特别是双变换式UPS的耗电和生产成本显著增加，加之单一功能的储能电池容量增加使得储能电池利用效率愈加低下，使得该类矛盾问题更加凸显。

发明内容

为解决现有供电系统的技术问题，同时提高系统传输效率和模块的利用效率，本发明提供了一种主动隔离式单相优质供电系统，所述供电系统一方面在电网正常运行时不需要逆变器传输负载有功功率，能够为重要用户提供优质供电的同时极大提高能量传输效率，并通过优化储能电池的运行状态配合电网实现削峰填谷功能；另一方面在电网故障时保证重要用户的不间断供电。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种主动隔离式单相优质供电系统，包括输入开关、输出开关、旁路开关、隔离电抗器、滤波器、单相逆变器、储能电池等。

其中，所述输入开关连接至交流电网的火线和隔离电抗器的第一端口之间，所述输出开关连接至负载的火线和隔离电抗器的第二端口之间，所述隔离电抗器的第二端口还连接至滤波器的第一端口；所述滤波器的第二端口与交流电网的零线和负载的零线分别相连；所述旁路开关连接至交流电网的火线和负载的火线之间的火线旁路支路；所述滤波器的第三端口与单相逆变器交流侧的第一端口相连，所述滤波器的第四端口与单相逆变器交流侧的第二端口相连；所述储能电池连接至所述单相逆变器直流侧的第一端口和第二端口之间，其中，所述储能电池的正极与单相逆变器直流侧的第一端口相连。

优选地，所述隔离电抗器可以是电感值大的电感，或者是电感值大的电感模块，具备对电网端的扰动及故障起到隔离作用，其中，所述电感模块是通过电感、电容、避雷器、开关器件等元件通过一定方式进行连接组成，并通过交流电网运行状况进行元件的配合以实现大的电感值进行故障隔离，在电网正常运行时电感模块稳定为一个大的电感值常数。

优选地，所述供电系统的单相逆变器可以是半桥式、全桥式、推挽式等拓扑，或者是多个所述半桥式、全桥式、推挽式等拓扑通过串联或并联及其组合变换形式，其中，所述单相逆变器拓扑中的主开关器件是具备自关端能力的全控型器件，使得所述单相逆变器具有高的可控特性为储能电池进行充放电。所述单相逆变器类型可根据所述供电系统容量、储能电池电压和供电系统的电能质量要求等方面进行选取。

优选地，所述滤波器可采用L滤波、LC滤波、LCL滤波等类型，其中，所述L滤波由滤波电感L组成；所述LC滤波由滤波电感L和滤波电容C组成，所述滤波电感L的一端与单相逆变器的交流侧第一端口相连，所述滤波电感L的另一端与滤波电容C的一端以及隔离电抗器的第二端口互联，所述滤波电容C的另一端与逆变器的交流侧第二端口以及交流电网的零线互联；所述LCL滤波由滤波电感L1、滤波电感L2和滤波电容C组成，所述滤波电感L1的一端与单相逆变器的交流侧第一端口相连，所述滤波电感L1的另一端与滤波电容C的一端以及滤波电感L2的一端互联，所述滤波电容C的另一端与单相逆变器的交流侧第二端口以及交流电网的零线互联，所述滤波电感L2的另一端与隔离电抗器的第二端口相连。所述滤波器类型可根据所述供电系统容量和供电系统的电能质量要求等方面进行选取。

优选地，所述储能电池可采用多个储能电池单元串联和并联的连接方式组合，或者是采用附加DC-DC变换器将所述多个储能电池单元串联和并联的连接方式组合进行升压变换，以提高逆变器和储能电池电压等级的灵活配合，其中，所述储能电池单元是锂电池，或者是铅酸电池等，所述DC-DC变换器可采用非隔离型DC-DC变换器和隔离型DC-DC变换器，其中，所述非隔离型DC-DC变换器可以是Buck/Boost、Cuk、Zeta等拓扑，所述隔离型DC-DC变换器可以是半桥式、全桥式、混合式等拓扑及其串联或并联及其组合变换形式，所述DC-DC变换器是否加入可根据所述供电系统容量、储能电池电压和供电系统的电能质量要求等方面进行选取，所述储能电池容量可根据供电系统容量等方面进行选取，并留有一定余量。

优选地，所述供电系统在电网正常运行时电网端口的功率因数以实现接近单位功率因数为目标，其中，所述电网端口为交流电网的火线和零线之间。

优选地，所述供电系统的负载端口的电压以实现电网端口的额定电压为目标，其中，所述负载端口为负载的火线和零线之间。

优选地，所述供电系统在电网故障时负载端口的电压以保持在重要用户运行允许范围内为目标，以保证重要用户的供电质量和不间断供电。

优选地，所述供电系统的运行工况可以为供电系统并网模式、储能电池供电模式、供电系统旁路模式、供电系统削峰填谷模式等，其中所述供电系统的运行工况可根据电网状况、供电系统状况、负载运行需要等进行设定，不限于以下分析的四种工况：

所述供电系统并网模式为电网正常运行且不收到系统削峰填谷指令时的运行工况，其中，所述输入开关和输出开关均处于闭合状态，而所述旁路开关处于开断状态。此时，所述单相逆变器为重要用户提供稳定的电压支撑，基本不传输负载有功功率，实现电网端功率因数基本为单位功率因数，根据储能电池的状态，供电系统向单相逆变器发出控制指令为储能电池进行充放电。当电网受到暂降、骤升或谐波等扰动时，通过所述隔离电抗器的隔离以及单相逆变器的补偿作用，能够保持所述负载端口电压的稳定；

所述储能电池供电模式为电网发生故障时的运行工况，其中，所述输出开关处于闭合状态，而所述输入开关和旁路开关均处于开断状态。此时，所述储能电池通过单相逆变器独立为重要用户提供稳定的电压支撑和功率传输，同时为故障线路的恢复或供电线路的切换等提供时间；

所述供电系统旁路模式为供电系统故障或定期维护时的运行工况，其中，所述旁路开关处于闭合状态，而所述输入开关和输出开关均处于开断状态，所述单相逆变器处于停机状态。此时，由电网通过所述火线旁路支路直接为负载提供供电；

所述供电系统削峰填谷模式为电网正常运行且收到系统削峰填谷指令时的运行工况，其中，所述输入开关和输出开关均处于闭合状态，而所述旁路开关处于开断状态。此时，所述供电系统中的储能电池能够在电网处于负荷高峰期时为负载提供电能，而在电网处于负荷低谷期时从电网中吸收电能，在保证重要用户安全稳定供电时，充分利用储能电池在电网峰谷时段的充放电，节省了重要用户用电成本。

优选地，所述滤波器的第一交流端口和第二交流端口不限于直接接入到隔离电抗器第二端口和交流电网的零线，或者是通过升压变压器接入到隔离电抗器第二端口和交流电网的零线，以提高逆变器和交流电网电压等级的灵活配合，所述升压变压器是否接入可根据供电系统容量、电压等级等方面进行选取。

优选地，所述交流电网的零线与滤波器的第二端口之间的连接线不限于是直接短接，或者是加入零线输入开关；所述负载的零线与滤波器的第二端口之间的连接线不限于是直接短接，或者是加入零线输出开关；所述交流电网的零线与负载的零线之间不限于是直接短接，或者是加入零线旁路开关。

优选地所述输入开关、输出开关、旁路开关等开关、零线输入开关、零线输出开关、零线旁路开关不限于是断路器，或者是接触器。

优选地，所述供电系统处于供电系统旁路模式时供电电源不限于是第一交流电网，或者是第二交流电网，其中，所述第一交流电网为供电系统并网模式时的交流电网，所述第二交流电网是另一路供电电源。具体的，所述旁路开关的一端与负载的火线相连，所述旁路开关的另一端可以是连接至第一交流电网的火线，或者是连接至第二交流电网的火线；所述负载的零线可以是连接至第一交流电网的零线，或者是连接至第二交流电网的零线。

总体而言，与现有技术方案相比，本发明能够取得如下有益效果：

（1）本发明通过拓扑结构的改进，在电网正常运行时供电系统中隔离电抗器能够在电网扰动或故障下起到良好的隔离效果，同时配合单相逆变器控制能够实现电网侧功率因数基本为单位功率因数，且单相逆变器在电网正常运行且不收到系统削峰填谷指令时不需要传输负载有功功率，大大降低了系统运行损耗，提高了系统能量传输效率，该优势在大容量负载中愈加凸显。

（2）本发明供电系统采用单相逆变器作为主控制器为重要用户提供稳定不间断供电，控制策略只需单相逆变器、电网和储能电池三者相互配合，系统数学模型得到了简化，运行可靠性高，且拓扑所需元器件少，成本较低。

（3）本发明供电系统能够通过优化储能电池的运行状态去配合电网实现削峰填谷功能，充分利用储能电池在电网峰谷时段的充放电，节省了重要用户用电成本，同时减少储能电池浮充的状态，进而延长储能电池使用寿命，提高了储能电池利用效率。

（4）本发明供电系统的单机容量需求可通过对隔离电抗器、单相逆变器、储能电池等的扩展进行设计，可扩展性强，且通过上述（1）、（2）和（3）中的优势可知本发明供电系统的拓扑对单机容量增大的限制条件更少。

附图说明

图 1是现有技术中的一种典型双变换式UPS拓扑示意图；

图 2是本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统示意图；

图 3是本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统在供电系统并网模式下的简要示意图；

图 4是本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统在储能电池供电模式下的简要示意图；

图 5是本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统在供电系统旁路模式下的简要示意图；

图 6是本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统在供电系统削峰填谷模式下的简要示意图；

图 7是本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统中增加零线输入开关、零线输出开关、零线旁路开关的示意图；

图 8是本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统中增加零线输入开关、零线输出开关、零线旁路开关且火线旁路支路和零线旁路支路由第二交流电网供电的示意图；

图 9是本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统中储能电池通过DC-DC变换器升压后连接至单相逆变器的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示为现有典型的一种双变换式UPS系统示意图，当系统处于供电系统并网模式时，交流电网的电能经过滤波电感15的滤波后，通过整流器16转化为直流电，根据系统控制指令，一部分电能经DC-DC变换器19给储能电池110充电，另一部分电能经逆变器17转换为交流电，经滤波器18滤波后供给负载。可以看出负载功率的传输需经过交流-直流-交流的两级变换和滤波过程，系统运行损耗大，整流器16和逆变器17的容量都需要按照负载容量的大小来设计，并留有一定裕度，对内部电力电子器件的耐压和限流要求高，设备造价昂贵，加之控制上需要整流器16、逆变器17和DC-DC变换器19三者之间的相互配合，控制策略较为复杂；当系统处于储能电池供电模式时，储能电池110收到电网故障指令释放电能，储能电池110低电压的直流电通过DC-DC变换器19变换为稳定的高一级直流电，所述高一级直流电经逆变器17转换为交流电，经滤波器18滤波后供给负载，由于逆变器一直处于工作状态，能够保证负载的不间断供电。

图2所示为本发明提供的一种主动隔离式单相优质供电系统示意图，所述供电系统主要包含输入开关21、输出开关22、旁路开关23、隔离电抗器24、滤波器25、单相逆变器26、储能电池27。

其中，所述输入开关21连接至交流电网的火线和隔离电抗器24的第一端口之间，所述输出开关22连接至负载的火线和隔离电抗器24的第二端口之间，所述隔离电抗器24的第二端口还连接至滤波器25的第一端口；所述滤波器25的第二端口与交流电网的零线和负载的零线分别相连；所述旁路开关23连接至交流电网的火线和负载的火线之间的火线旁路支路；所述滤波器25的第三端口与单相逆变器26交流侧的第一端口相连，所述滤波器25的第四端口与单相逆变器26交流侧的第二端口相连；所述储能电池27连接至所述单相逆变器26直流侧的第一端口和第二端口之间，其中，所述储能电池27的正极与单相逆变器26直流侧的第一端口相连。在所述供电系统列举的四种运行工况中，供电系统并网模式、储能电池供电模式、供电系统旁路模式和供电系统削峰填谷模式的简要示意图分别如图3、4、5、6所示。

图3所示为本发明提供的一种主动隔离式单相优质供电系统在供电系统并网模式下的简要示意图，其中，输入开关和输出开关均处于闭合状态，而旁路开关处于开断状态。供电系统并网模式为电网正常运行且不收到系统削峰填谷指令时的运行工况，交流电网的电能一方面通过供电系统3传输给负载，另一方面对储能电池进行少量的充放电，而供电系统通过逆变器控制和隔离电抗器对干扰的隔离作用输出稳定的负载端电压，供电系统3电网端口实现接近单位功率因数，负载端口的电压稳定为电网端口的额定电压。在电网不发生波动时，供电系统3的单相逆变器不需要传输负载有功功率，大大降低了系统运行损耗，提高了系统能量传输效率，且储能电池基本处于浮充状态；在电网发生暂时波动时，供电系统3能够通过单相逆变器控制储能电池的充放电进行补偿，为负载提供稳定的电压支撑。

图4所示为本发明提供的一种主动隔离式单相优质供电系统在储能电池供电模式下的简要示意图，其中，输出开关处于闭合状态，而输入开关和旁路开关均处于开断状态。储能电池供电模式为电网发生故障时的运行工况，供电系统4收到电网故障指令，储能电池通过单相逆变器将直流电转换为稳定的交流电，独立为重要用户提供稳定的电压支撑和功率传输，同时为故障线路的恢复或供电线路的切换等提供时间，由于单相逆变器一直处于工作状态，能够保证负载的不间断供电。

图5所示为本发明提供的一种主动隔离式单相优质供电系统在供电系统旁路模式下的简要示意图，其中，旁路开关处于闭合状态，而输入开关和输出开关均处于开断状态，供电系统旁路模式为供电系统故障或定期维护时的运行工况，单相逆变器处于停机状态，由交流电网通过所述火线旁路支路直接为负载提供供电。

图6所示为本发明提供的一种主动隔离式单相优质供电系统在供电系统削峰填谷模式下的简要示意图，其中，输入开关和输出开关均处于闭合状态，而旁路开关处于开断状态。供电系统削峰填谷模式为电网正常运行且收到系统削峰填谷指令时的运行工况，此时，供电系统中的储能电池能够在电网处于负荷高峰期时为负载提供电能，而在电网处于负荷低谷期时从电网中吸收电能，在保证重要用户安全稳定供电时，充分利用储能电池在电网峰谷时段的的充放电，节省了重要用户用电成本，同时减少储能电池浮充的状态，进而延长储能电池使用寿命，提高了储能电池利用效率。

图 7所示为本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统中增加零线输入开关、零线输出开关、零线旁路开关的示意图，主要包含输入开关21、输出开关22、旁路开关23、隔离电抗器24、滤波器25、单相逆变器26、储能电池27，零线输入开关71、零线输出开关72、零线旁路开关73。

其中，所述输入开关21连接至交流电网的火线和隔离电抗器24的第一端口之间，所述输出开关22连接至负载的火线和隔离电抗器24的第二端口之间，所述隔离电抗器24的第二端口还连接至滤波器25的第一端口；所述零线输入开关71连接至交流电网的零线和滤波器25的第二端口之间，所述零线输出开关72连接至负载的零线和滤波器25的第二端口之间；所述旁路开关23连接至交流电网的火线和负载的火线之间的火线旁路支路，所述零线旁路开关73连接至交流电网的零线和负载的零线之间的零线旁路支路；所述滤波器25的第三端口与单相逆变器26交流侧的第一端口相连，所述滤波器25的第四端口与单相逆变器26交流侧的第二端口相连；所述储能电池27连接至所述单相逆变器26直流侧的第一端口和第二端口之间，其中，所述储能电池27的正极与单相逆变器26直流侧的第一端口相连。通过增加零线输入开关、零线输出开关、零线旁路开关有利于在电网故障时切除供电系统与电网的联系，防止电网端故障对储能电池供电模式的干扰，同时在供电系统故障或定期维护时能够实现与电网端的物理隔离，保障检修人员的安全等优势。

图 8所示为本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统中增加零线输入开关、零线输出开关、零线旁路开关且火线旁路支路和零线旁路支路由第二交流电网供电的示意图，主要包含输入开关21、输出开关22、隔离电抗器24、滤波器25、单相逆变器26、储能电池27，零线输入开关71、零线输出开关72、旁路开关81、零线旁路开关82。

其中，所述输入开关21连接至第一交流电网的火线和隔离电抗器24的第一端口之间，所述输出开关22连接至负载的火线和隔离电抗器24的第二端口之间，所述隔离电抗器24的第二端口还连接至滤波器25的第一端口；所述零线输入开关71连接至第一交流电网的零线和滤波器25的第二端口之间，所述零线输出开关72连接至负载的零线和滤波器25的第二端口之间；所述旁路开关81连接至第二交流电网的火线和负载的火线之间的火线旁路支路，所述零线旁路开关82连接至第二交流电网的零线和负载的零线之间的零线旁路支路；所述滤波器25的第三端口与单相逆变器26交流侧的第一端口相连，所述滤波器25的第四端口与单相逆变器26交流侧的第二端口相连；所述储能电池27连接至所述单相逆变器26直流侧的第一端口和第二端口之间，其中，所述储能电池27的正极与单相逆变器26直流侧的第一端口相连。所述第二交流电网作为重要负载的另一路供电电源，可以是供电质量更高的供电电源，当供电系统处于供电系统旁路模式时为重要负载提供更加稳定可靠的供电，火线旁路支路和零线旁路支路是否需要接入第二交流电网可根据重要用户对电网输入电能质量的要求等进行选取。

图 9所示为本发明实施例提供的一种主动隔离式单相优质供电系统中储能电池通过DC-DC变换器升压后连接至单相逆变器的示意图，主要包含输入开关21、输出开关22、旁路开关23、隔离电抗器24、滤波器25、单相逆变器26、储能电池27、DC-DC变换器91。

其中，所述输入开关21连接至交流电网的火线和隔离电抗器24的第一端口之间，所述输出开关22连接至负载的火线和隔离电抗器24的第二端口之间，所述隔离电抗器24的第二端口还连接至滤波器25的第一端口；所述滤波器25的第二端口与交流电网的零线和负载的零线分别相连；所述旁路开关23连接至交流电网的火线和负载的火线之间的火线旁路支路；所述滤波器25的第三端口与单相逆变器26交流侧的第一端口相连，所述滤波器25的第四端口与单相逆变器26交流侧的第二端口相连；所述DC-DC变换器91的高压侧第一端口与所述单相逆变器26直流侧的第一端口相连，所述DC-DC变换器91的高压侧第二端口与所述单相逆变器26直流侧的第二端口相连；所述储能电池27连接至所述DC-DC变换器91低压侧的第一端口和第二端口之间，其中，所述储能电池27的正极与DC-DC变换器91低压侧的第一端口相连。所述DC-DC变换器91具有将储能电池27升压的功能，同时能够为单相逆变器26直流侧提供稳定的直流电压支撑，可以根据储能电池27电压等级和供电系统电压等级的配合进行设定。

将本发明与现有技术中如图1所示的一种典型双变换式UPS拓扑对比，有如下差异：

1、本发明供电系统通过拓扑结构的改进，采用隔离电抗器24对电网端输入电压的扰动或故障进行隔离，同时将储能电池27的直流电压经单相逆变器26控制输出稳定的交流电压，保障负载的安全可靠运行，其中，隔离电抗器24可以采用随运行工况变化而电感值变化的模块实现更佳的电网故障隔离效果，储能电池27的直流电压可根据供电系统容量和电压等级等附加DC-DC变换器91，灵活性强。在电网正常运行且不收到系统削峰填谷指令时，单相逆变器26不传输负载有功功率，加之不需要将电网电压经过交流电-直流电-交流电两级变换供给负载，大大降低了系统运行损耗，提高了系统能量传输效率，该优势在大容量负载中愈加凸显；

2、本发明供电系统的控制将单相逆变器26与储能电池27和电网端的状态进行配合，即能够为重要用户提供稳定不间断供电和电网端口接近单位功率因数运行，而且不需要电网电压经过交流电-直流电-交流电两级变换中整流器16、逆变器17、储能电池110和电网端的状态的多重协调配合，系统数学模型得到了简化，运行可靠性高，且拓扑所需元器件少，供电系统造价成本较低；

3、随着电力系统负荷容量的日益增加，供电系统中储能电池27的利用效率被广泛关注，本发明供电系统能够通过优化储能电池27的运行状态去配合电网实现削峰填谷功能，充分利用储能电池27在电网峰期时段的放电和在电网谷期时段的充电，节省了重要用户用电成本，同时减少储能电池27浮充的状态，进而延长储能电池使用寿命，提高了储能电池27利用效率和供电系统的经济效益；

4、本发明供电系统的单机容量需求可通过对隔离电抗器24、单相逆变器26、储能电池27等的扩展进行设计，可扩展性强，且通过上述1、2和3中的优势可知本发明供电系统的拓扑对单机容量增大的限制条件更少。

本发明实施方式不限于上述所示，可根据权力要求的技术特征进行一定的组合，以上所示仅为本发明较佳的具体实施方式，并不能用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员容易理解，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等效替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。