一种基于双输入双输出双备份的电源供电系统

技术领域

本发明涉及有载调压变压器的调压控制技术领域，具体涉及一一种基于双输入双输出双备份的电源供电系统。

背景技术

电压稳定性是电能质量的重要指标之一。目前，提高电压稳定性的有效措施有：利用电容器和用户无功补偿装置调节无功功率、结合变压器调节电压。其中变压器调节电压通常采用有载调压变压器实现，有载调压变压器由变压器和调压控制器组成。所谓变压器有载调压的概念是，当变压器带载运行时，调压控制器控制有载分接开关实现切换绕组之间的分接头，改变高低压绕组的匝数比，即改变变压器高低压侧的变比，达到调压的目的。在保证无功功率的前提下，调整有载调压变压器绕组是保证电力用户获得良好电压质量的重要技术手段。因此，有载分接开关得到了广泛的应用。控制器通过控制电机操作机构实现有载调压的自动控制，实现有载开关的切换动作。目前，有载分接开关控制器存在的问题有：容易受到外部环境和电网电路的影响导致其供电不可靠，工作不可控，事故率比较高，维护保养不便。

本申请人已经授权的实用新型公开号为CN216086255U，名称为：一种基于双输入双输出双后备的低功耗有载调压控制器；包括箱体；箱体表面设有太阳能光伏板；箱体内的主控板上集成电压电流采集及转换电路、MCU电路、通讯模块、挡位信号输入及电机控制模块。太阳能光伏板与电源管理模块电连接、AC工频交流电与电源管理模块电连接形成双输入。电源管理模块输出5V直流电压、24V直流电压形成双输出。锂电池、超级电容均与电源管理模块电连接形成双后备，电源管理模块还用于控制有载调压控制器的供电电源之间切换。但是如何通过电源管理模块实现AC工频交流电充电、光伏充电、锂电池供电、还是超级电容供电等充放电的管理是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对上述技术问题，本发明提供一种基于双输入双输出双备份的电源供电系统。

2.技术方案：

一种基于双输入双输出双备份的电源供电系统，包括：光伏板、AC交流电源、锂电池、超级电容、电源管理模块、主控模块、档位信号输入及电机控制模块；其中光伏板与电源管理模块相连作为系统的第一输入电源，AC交流电源与电源管理模块相连作为系统的第二输入电源；锂电池与电源管理模块相连作为系统的第一备用电源，超级电容与电源管理模块相连相连作为系统的第二备用电源；所述电源管理模块为主控模块、档位信号输入及电机控制模块提供电源。

所述电源管理模块的输入端与光伏板的输出端相连，电源管理模块根据预设的程序实现控制光伏板对锂电池进行充电；所述AC交流电源与电源管理模块相连实现控制当光伏板不满足充电条件时，通过AC交流电源对锂电池进行充电；所述光伏板不满足充电条件为当时的天气情况导致光伏板的发电效率低于预设值。

所述电源管理模块与锂电池及超级电容相连，电源管理模块根据锂电池的电量多少实现控制是投入锂电池取电还是超级电容取电。

电源管理模块的输出端分别输出主控板的电压、档位信号输入及电机控制模块的电压。

所述电源管理模块根据预设的程序实现控制光伏板对锂电池进行充电具体为：电源管理模块根据锂电池的预设的充电曲线以及放电曲线，控制光伏板或者AC交流电源对锂电池的进行充电。

进一步地，所述锂电池的预设的充电曲线具体依次为MPPT充电、恒流均充和恒压浮充。

所述MPPT充电为当锂电池的电量低于锂电池满电量的预设百分比时，以光伏板输出的电流以锂电池允许输入的最大电流对锂电池进行充电；其充电的时间如公式：

t=Q/（I*K）

上式中，t表示锂电池充电时间，Q表示电池容量；I为充电电流；K为相关系数，当充电电流小于等于电池容量的5%时系数为1.6、在电池容量的5%和10%之间系数为1.5、在电池容量的10%和15%之间系数为1.3；

所述恒流均充为超出MPPT充电时锂电池满电量的预设百分比时，对锂电池采用预设的恒定电流进行充电，直至该锂电池的电量为其额定电量的90%；所述恒定电流为锂电池允许输入的最大电流。

所述恒压浮充为保持锂电池的输出的额定电压不变，改变其充电电流的大小，直至其电量等于锂电池的电池容量。

进一步地，所述光伏板与电源管理模块之间设置检测和处理电路；所述检测和处理电路具体为：所述光伏板连接至二极管正极后，二极管的负极连接至超级电容；二极管的负极连接升压电路后，升压电路连接至稳压器后连接至单开双掷的模拟开关的一个输入端；模拟开关的另一输入端连接至锂电池；模拟开关的输出端连接至负载；所述二极管的负极还连接至电源管理模块。

3.有益效果：

（1）本发明中将太阳能光伏板与电源管理模块电连接，作为系统第一输入电源，太阳能光伏板仅需数小时即可将锂电池充满控制器箱内，充电时间短，对室外多雨环境适应性强；AC工频交流与电源管理模块电连接，作为系统第二输入电源。电源管理模块的输入部分接收输入电量并对其进行检测和处理，再向供电单元、超级电容和电池输电；模块检测光伏输入端是否反接，并根据检测结果进行输入保护；并对输入量进行EMC滤波、功率控制和直流转换等，得到滤除噪音电压适配的电量，使其符合后续的供电要求。

（2）本发明中，锂电池与电源管理模块电连接，作为系统第一备用电源；超级电容器与电源管理模块电连接，作为系统第二备用电源，本申请中之所以使用超级电容器作为备用模式，是为了应付当交流电源切断，锂电池电量不足时，可以快速投入使用，为控制器及时保存当前数据信息和传输故障信息提供了有利条件。

（3）本发明中电源管理模块还能够用于控制有载调压控制器的电源从锂电池、超级电容器、光伏板或交流工频交流电源无缝切换。

附图说明

图1为本发明涉及的基于双输入双输出双后备的低功耗有载调压控制器整体示意图；

图2为一种基于双输入双输出双备份的电源供电系统中光伏充电结构图；

图3为本发明的一种基于双输入双输出双备份的电源供电系统的光伏板对电池充电的充电效率图1；

图4为本发明的一种基于双输入双输出双备份的电源供电系统的光伏板对电池充电的充电效率图2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

如附图1所示，为本申请涉及的一种基于双输入双输出双后备的低功耗有载调压控制器1的整体结构示意图，该控制器为箱体结构，其箱体上表面设有太阳能光伏板，箱体内部设有主控板、锂电池、超级电容以及电源管理模块。有载调压控制器支持通过外部太阳能电池板获取电力的方法，电源管理模块的输出功率能够满足步进电机运行的功率要求，降低了维护成本。

如附图1所示，该控制器的电源管理模块，集成于有载调压控制器内部，控制器与有载调压变压器相连，通过控制调压来控制传动装置，实现对变压器的调挡开关的投切。其电源供电系统需要满足以下的要求：具备自动充放电，防过充、过放及钝化等锂电池管理功能；具备输出短路保护，电池反接和短路保护功能；具备由系统输入前级供电瞬间切换至锂电池组供电的无缝切换功能；具备工作电源失电报警、低电压报警和欠压保护功能、报警信号上送功能；支持将充电持续时间、电池最低可下降至多少V及当前电池的真实电压等参数上送功能；具备过流保护功能等功能。

如附图2所示，为本申请中的光伏部分电路连接。光伏充电采用三段式充电管理，MPPT充电、恒压均充和恒压浮充，大幅延长锂电池使用寿命，MPPT跟踪效率≥99.9%，系统发电效率高达98%,提高系统效率和降低系统成本。充电效率验证如图3和图4所示，图3和图4为光伏板输出充电电压分别为32V、36V、40V三块光伏板对锂电池进行充电所得充电效率。其中图3为根据光伏板的输出功率，在充电电压一定的条件下，锂电池的充电效率，充电效果能高达98%。图4为根据锂电池的充电电流，在充电电压一定的条件下，光伏板对锂电池进行充电的充电效率，充电效果高达98%。

本方案中，电源模块支持工频交流和太阳能光伏双输入模式，输出功率能满足步进电机运行的功率要求，便于维护，降低成本。采用锂电池和超级电容作为双后备模式，与铅酸电池相比，锂电池在环保性、安全性和使用寿命上具有更好的性能。太阳能电池板可选用80W/36V的规格，约7小时即可将12AH的锂电池组充满，充电迅速，能克服长期阴雨天气的干扰。在各种工况下自动无缝切换电源终端，解决终端供电稳定可靠的问题。当天气晴朗时，选用太阳能电池板取电，同时给锂电池充电；雨天或夜间，电源模块会自动切换到锂电池取电模式。

光伏发电作为一种分布式发电方式已经逐步接入现有配电网络，其取电功率和表面光照面积成正比，但是需选择适合安装的尺寸。选取某型号太阳能板额定输出电压36VDC，最大输出功率80W，输出电流约2.2A。太阳能取电通道最大充电电流可设置为2A，充电电流为2A时，在上述工作情况下电池充满仅需0.6h，充电时间大大缩短。

本方案中，光伏充电采用三段式充电管理即：MPPT充电、恒流均充和恒压浮充，如附图3、4所示，能够大幅延长锂电池使用寿命，MPPT跟踪效率≥99.9%，系统发电效率高达98%,提高系统效率和降低系统成本。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。